IV. Статор паровой турбины.

1. Условия работы статора.

Основная нагрузка, которую испытывает статор – это статическая нагрузка от перепада давления, действующая на корпус, диафрагмы, обоймы (диафрагм и сегментов концевых уплотнений). Под её действием и в условиях высоких температур детали статора должны сохранять требуемую прочность (в том числе в условиях ползучести металла), жесткость и плотность (отсутствие протечек пара).

При высоких температурах ползучесть металла может привести к короблению фланцевого разъема, остаточному прогибу диафрагм, ослаблению затяжки шпилек и болтов (вследствие релаксации напряжений в них).

Недостаточная жесткость может быть причиной задеваний ротора о статор при их взаимных перемещениях.

Недостаточная плотность приводит к протечкам пара и снижению КПД.

Плотность корпусов обеспечивается с помощью фланцевого соединения и скрепляющих болтов или шпилек с колпачковыми гайками.

Необходимость гарантированной плотности фланцевого разъема приводит к его большой ширине и массивности. Чтобы вследствие этого не снижалась маневренность турбины, при пуске, фланцы обогреваются паром( выравнивают скорости прогрева стенок корпуса и фланцев).

Прилегание фланцев должно быть плотным, поэтому разъем тщательно шабрится.

Для лучшей плотности поверхность фланцевого разъема перед закрытием цилиндра смазывают графитом или специальной мастикой.

Для первоначального отжатия крышки (верхней половины корпуса) ,при разборке, в крышку ввинчивают отжимные болты.

При затяжке шпилек или болтов большого диаметра (в ЦВД до 200 мм) используется тепловая затяжка. Перед затяжкой шпильку разогревают с помощью электронагревателя (корборундового), вставляемого в осевое сверление шпильки, или подачи туда горячих продуктов сгорания.

2. Конструкции корпусов турбин.

2.1. ЦВД и ЦСД.

Их конструкция зависит от начальных параметров пара и предполагаемых режимов эксплуатации.

На умеренные начальные параметры (примерно до 10 МПа) корпуса ЦВД выполняют одностенными. В такой конструкции на стенку корпуса действует разность давлений пара в турбине и атмосферы. В большинстве случаев одностенные корпуса используются в ЦСД турбин ТЭС и ТЭЦ, а также ЦВД турбин АЭС.

На повышение параметры пара ЦВД выполняют двухстенными. В этом случае на каждый из корпусов действует только часть разности давлений, что позволяет выполнить корпус с тонкими стенками и фланцами. Кроме того, эта конструкция позволяет локализовать во внутреннем корпусе зону высоких температур и, следовательно, внешний корпус выполнить из менее дорогих и технологических сталей.

Это необходимо и для повышения маневренности турбины (быстрый пуск).

2.2. ЦНД.

Большие габаритные размеры делают литую конструкцию ЦНД нерациональной, так как масса его была бы слишком большой. Поэтому корпус ЦНД конденсационной турбины выполняют сварным из тонкой листовой стали. Для придания ему жесткости, устанавливается большое количество ребер и подкосов.

Корпус ЦНД также выполняют двух типов: одностенными и двухстенными.

Одностенный корпус называют еще корпус с внешней обоймой. Он состоит из сварной (реже литой) средней части-обоймы, в расточках которой укрепляются диафрагмы. К обойме с обеих сторон технологическими разъемами присоединяются два выходных патрубка, в которые вварены нижние половины корпусов подшипников.

Недостаток данной конструкции в том, что в ней обойма и выходные патрубки представляют собой единое целое, поэтому деформация каждой из частей сказывается на деформации остальных. (Температура обоймы 200-240 ⁰С, а патрубков 20-30 ⁰С).

Поэтому во всех современных ЦНД используют двухстенный корпус (или корпус с внутренней обоймой). Внутренняя обойма свободно устанавливается во внешнем корпусе, и их деформации не передаются друг другу.

Фиксация внутреннего корпуса относительно внешнего осуществляется с помощью шпонок (две вертикальные, четыре продольные), которые не препятствуют температурным расширениям.

Крепление диафрагм. (Обоймы).

Диафрагмы устанавливают либо непосредственно в корпус турбины, либо в обоймы, объединяющие обычно несколько диафрагм. А обоймы уже устанавливают в кольцевые расточки корпуса.

Такая конструкция имеет ряд преимуществ:

1. Большое кольцевое пространство между гребнями соседних обойм создает удобные камеры для организации отборов пара на регенерацию.

2. Упрощается сборка и монтаж турбин.

3. Повышается маневренность турбин, так как обоймы оказывают экранирующее действие по отношению к корпусу при быстрых изменениях температуры в проточной части.

Недостатки:

1. Корпус приобретает большой диаметр, а так как сила пропорциональна площади (диаметру), то необходимо увеличивать размеры фланцев и крепежа.

2. Цилиндр с обоймами имеет большую массу и габариты, более трудоемок в изготовлении.

Материалы деталей статора.

Выбор материала зависит от условий работы. Внутренний корпус двухстенных ЦВД турбин ТЭС и АЭС изготавливают обычно из легированных жаропрочных сталей (15•1М1ФЛ÷0,15% С;1% хром; 1% молибден; ванадий и бериллий).

Основным требованием к корпусам ЦВД ТЭС является жаропрочность, а к корпусам турбин насыщенного пара АЭС – высокая эрозионная стойкость. Поэтому части корпуса, в которых возможна щелевая эрозия, снабжаются специальными наплавками или накладками из хромистой стали.

Для внешних корпусов ЦВД используются менее дорогие стали. Например:20•МФЛ; 20•МЛ.

Холодные части литых корпусов (вых. ЦСД ТЭС) могут быть изготовлены из углеродистой стали. Например:25Л.

Корпуса ЦНД турбин всех типов изготавливают из листов углеродистой стали.

Обоймы изготовляются из того же металла, что и корпус.

Шпильки и болты, являются самыми напряженными элементами корпусов ЦВД и ЦСД, должны обладать высоким пределом текучести, релаксационной стойкостью. Их изготавливают: для

t ≥500 ⁰C – сталь 25•2МФ (ЭИ – 10); для t ≤ 400 ⁰C - 35•М; для t ≤ 300 ⁰С – углеродистая сталь 35.

Диафрагмы ЦВД и ЦСД турбин ТЭС – из легированных сталей 15•1М1Ф; 12•МФ; 20•М. Диафрагмы, работающие до температуры 350 ⁰С могут быть изготовлены из углеродистой стали ( сварные диафрагмы ЦНД ); а при t< 250 ⁰C используются серые чугуны С421–40 и С418-36, при t≥250 ⁰С - высокопрочный чугун В445-5.

Сопловые лопатки и бандажные ленты сварных диафрагм изготавливают из нержавеющих хромистых сталей.

Уплотнения.

В ПТ используют 4 вида уплотнений:

- концевые;

- промежуточные;

- диафрагменные;

- рабочей решетки.

Концевые – для уплотнения валов, выходящих из цилиндров.

Промежуточные – разделяют отсеки проточной части с разными направлениями потоков пара (двухкорпусный противоточный цилиндр).

Диафрагменное – препятствует протечке пара между диафрагмой и валом.

Уплотнение рабочей решетки: надбондажное, корневое.

Утечка пара , где Z- число гребешков уплотнения.

Требования к уплотнениям:

- должны обеспечивать min утечки пара;

- легкость ремонта и замены в условиях электрической станции;

- виброустойчивость (не должно возникать аэродинамических сил, возбуждающих колебания ротора).

Конструкции.

. Концевое уплотнение ЦВД мощной турбины

Лента для гребешков изготовляется из жаропрочной нержавеющей стали толщиной 0,4 мм. На токарном станке ленту завальцовывают проволокой из нержавеющей стали 12•13 в вал.

Концевые уплотнения ЦНД.

В камеру 1 подается пар с Р > Р_атм., а из камеры 2 пар отсасывается в холодильник эжектора.

Втулка уплотнения насаживается на вал с натягом и осуществляет как бы сопловое демпфирование, не давая разогреваться валу при задеваниях, может легко заменяться при ремонтах.

При задеваниях сегменты могут утапливаться в расточках обойм, сжимая пружины, поэтому зазоры можно устанавливать минимальными.

Аналогичные уплотнения используются для диафрагм.

Расчет на прочность корпуса.

Точный расчет выполнить очень сложно, в связи с большим разнообразием геометрических форм корпуса, наличием ребер жесткости, фланцев, обойм диафрагм; значительной неравномерностью давлений и температур пара по длине корпуса. Наиболее сложным является расчет ЦВД.

Поэтому на начальной стадии проектирования пользуются приближенными методами определения напряжений в корпусе, представляя его ассиметричной оболочкой (цилиндром) без разъемов, фланцев и патрубков.

Расчет выполняют на режим, при котором давление пара в корпусе будет максимальное. Этот режим соответствует максимальному расходу пара – G_max.. Давление пара, соответствующее G_max, можно определить по формуле Флюгеля:

где G₀, Р₀, Р_ко – расчетные расход и давления.

Очень приближенно напряжения (тангенциальные) в корпусе можно посчитать по формуле для тонкостенных цилиндрических сосудов:

,

где d_вн – внутренний диаметр корпуса (цилиндр),

δ_ст- толщина стенки,

Р_max – внутренние избыточное давление.

Толщина стенки корпуса выбирается обычно по конструктивно-технологическим соображениям, а напряжения в корпусе проверяется после его изготовления методом тензометрирования.

Приближенно рассчитать толщину корпуса можно приняв, что напряжения в корпусе должны быть равны допустимым [σ]_доп для данного материала, тогда толщина

,

Для толстостенных корпусов, d_H/d_вн>1,3 данная формула дает уменьшенную толщину стенки.

Максимальные напряжения возникают на внутренней поверхности корпуса, которые по теории прочности для толстостенного цилиндра закрытого с торцов:

где , r_н – радиус наружный; r_вн – радиус внутренний.