3. Материал рабочих лопаток

Турбостроительные заводы используют для рабочих лопаток турбин только нержавеющие стали. Самые употребляемые – хромистые нержавеющие стали марок 1Х13 и 2Х13 (1Х13 состоит из 0,1% углерода, 13% хрома, остальное – железо) и близкие к ним 12Х13 и 12Х13Ш (индекс Ш означает, что сталь получены путем шлакового переплава).

Хром обеспечивает высокую коррозионную стойкость. Эти стали применяют при работе в условиях с температурой 400480 ^оС. При малых напряжениях могут использоваться и при температуре 550 ^оС.

Для более высоких температур используют:

- до 540 ^оС – 15Х11МФ (~15% углерода, 11% хрома, около 1% молибдена и ванадия);

- до 580 ^оС – 15Х12ВМФ или ЭИ802, 1Х12В2МФ.

Все эти стали относятся к перлитному классу.

Еще большей жаропрочностью отличаются стали аустенитного класса: ЭИ123, ЭИ405, ЭИ612К (до 700 ^оС). В них присутствуют никель, вольфрам, молибден, кобальт, титан, ниобий.

4. Статическая прочность рабочих лопаток

4.1. Растяжение рабочих лопаток центробежными силами

Рассмотрим рабочую лопатку переменного сечения, вращающуюся вместе с диском с угловой скоростью .

Н а элемент лопатки длиной dz действует центробежная сила

(1)

где _л – плотность материала лопатки; F(z) – площадь поперечного сечения лопатки на расстоянии z от корня.

Растягивающие центробежные усилия в сечении z получим, проинтегрировав (1) в пределах от z до l

(2)

Кроме собственной массы, лопатка нагружена центробежными силами бандажа и проволоки, которые, отнесенные к одной лопатке (шагу), соответственно равны

(3)

где F_б, F_пр – площадь поперечного сечения бандажа и проволоки; t_б, t_пр – шаги по окружностям связей; r_б, r_пр – радиусы центров поперечного сечения бандажа и проволоки.

Суммарная центробежная сила в сечении z

(4)

Напряжение растяжения в сечении z от центробежных сил

(5)

Определим напряжение растяжения в рабочей лопатке постоянного по высоте сечения без бандажа и проволочных связей.

Для лопатки постоянного сечения F(z)=F=const. Перейдем к безразмерной координате , тогда

(6)

где ; d_cp – средний диаметр.

Напряжение достигает наибольшего значения в корневом сечении, где , и равно

(7)

Длинные лопатки выполняют переменного профиля, с у меньшающейся площадью поперечного сечения от корня к периферии. В этом случае существенно ниже и определяется с учетом разгрузочного коэффициента, равного отношению максимального в корневом сечении переменного профиля к максимальному в рабочей лопатке постоянного сечения .

4.2. Изгиб рабочих лопаток от парового усилия

Паровое усилие, развиваемое потоком на рабочих лопатках, определяется при тепловом расчете ступени

(8)

где .

Л опатка без связей рассматривается как консольная балка переменного (в общем случае) профиля, нагруженная распределенной нагрузкой q.

Угол  для активных ступеней невелик, поэтому можно принять, что R_u действует нормально к оси минимального момента инерции лопатки (х^.х) и что изгиб рабочей лопатки происходит только относительно (вокруг) этой оси. Напряжением изгиба относительно максимального момента инерции y^.y можно пренебречь из-за малой величины R_a и достаточно большой жесткости лопатки в этом направлении.

Окружное усилие R_u, действующее на одну рабочую лопатку можно определить следующим образом

(9)

г де е – степень парциальности, z_р.л.– количество рабочих лопаток, G– расход рабочего тела (пара) через ступень в кг/с, Н_о– располагаемый теплоперепад в кДж/кг, _ол– относительный лопаточный КПД, Р_u– окружная мощность в кВт, u– окружная скорость в м/с.

Примем, что паровое усилие равномерно распределено по длине лопатки, тогда распределенная нагрузка определяется

(10)

максимальный изгибающий момент будет в корневом сечении рабочей лопатки

(11)

В этом же сечении (для нашего случая) будет максимальное напряжение изгиба

(12)

где W(0)– минимальный момент сопротивления рабочей лопатки в корневом сечении.

В относительно коротких рабочих лопатках (d_cp/l₂ 5) максимальное напряжение возникает в корневом сечении.

В длинных закрученных лопатках последних ступеней максимальное напряжение изгиба обычно не в корневом сечении, а выше (см. рис. ), на кромках– растягивающее, а на выпуклой поверхности профиля– сжимающее.

Если рабочие лопатки имеют бандаж (полные связи), то изгибающий момент значительно меньше (примерно на 1/3). Если ось лопатки прямолинейна и радиальна, то центробежные силы будут препятствовать изгибу (уменьшение может достигать 10%).

В лопатке переменного сечения ось является пространственной кривой, и поэтому в ее сечениях всегда возникают изгибающие моменты от центробежных сил.

Изменяя геометрическую форму оси рабочей лопатки или наклон ее от радиальной прямой, можно добиться того, что напряжения изгиба от центробежных сил будут компенсировать напряжения изгиба от парового усилия.

Напряжения изгиба от парового усилия следует рассчитывать при том режиме работы турбины, при котором они максимальны:

• д ля большинства ступеней это режим максимального расхода пара (G_max);

• для регулирующих ступеней– режим одного полностью открытого клапана (Н_max, e_min);

• для последней ступени– режим наибольшего объемного пропуска пара.