Раздел 2. Организация подготовки изготовления рабочих и направляющих лопаток

1. Лопаточный аппарат паровых и газовых турбин

   1. Назначение лопаток и условия их работы

Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению яв­ляются основными деталями паровых и газовых турбин как лопаточных двига­телей. В совокупности они образуют проточную часть турбины, в которой про­исходит преобразование тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механическую работу вращающегося ротора. Совокупность направляющих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины.

Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее сложной частью турбины. Экономичность турбины - ее КПД - зависит в первую очередь от ка­чества выполнения лопаточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток современной мощной паровой турбины достигает 42-45% от общей трудоемко­сти изготовления всех ее деталей, для газовой турбины эти цифры несколько меньше - 20-35%.

Большое разнообразие конструктивных форм, размеров, способов креп­ления лопаток на дисках, роторах, диафрагмах или в цилиндрах вызвано раз­личными сложными и тяжелыми условиями, в которых приходится работать лопаточному аппарату. Основные причины, создающие эти условия, следую­щие.

1. Растягивающие и изгибающие напряжения в лопатках.

Растягивающие напряжения возникают в хвостовых и профильных частях рабочих лопаток от действия центробежных сил. При расположении центров тяжести различных сечений лопаток не на радиальной линии центробежные си­лы вызывают и изгибающие моменты. Однако в большей степени на величину изгибающих моментов влияет действие на лопатки давления рабочего тела (па­ра или газа).

146

Величина растягивающих напряжений не зависит от нагрузки турбины и изменяется только в зависимости от массы лопаток и их окружной скорости, т. е. при данной частоте вращения центробежные силы и, следовательно, растя­гивающие напряжения являются величиной постоянной. Величина изгибающих напряжений зависит от нагрузки турбины (от расхода рабочего тела), теплового перепада на ступень, окружной скорости, числа лопаток на диске или роторе И др.

Современное турбостроение характеризуется выпуском агрегатов боль­шой мощности. При этом возрастают габариты и масса турбин и их частей. Так, например, длина рабочих лопаток цилиндров низкого давления паровых турбин достигает величины 1400-1500 мм. Лопатки также имеют большую массу и средние диаметры. В этом случае напряжения от центробежных сил и паровых изгибов достигают величины 200 МПа (т. е. на лопатку действуют силы, дости­гающие нескольких тонн).

2. Разрушающие действия рабочего тела.

В паровых турбинах состояние пара меняется от перегретого на лопатках большей части ступеней турбины до влажного на лопатках последних ступеней. Длительное воздействие высоких температур, близких к температуре свежего пара, вызывает снижение механических свойств, появление ползучести металла лопаток и требует применения жаропрочных и жаростойких сталей. Работа ло­паток ступеней низкого давления в среде движущегося влажного пара приводит к эрозии и к поверхностным разрушениям металла лопаток.

Лопатки газовых турбин работают при еще больших температурах нагре­ва и в агрессивной среде сгорания топлива. Газовый поток оказывает не только химическое, но и механическое воздействие на лопатки, вызывая поверхност­ные коррозионные и эрозионные разрушения.

3. Действия вибраций.

Вибрации являются следствием периодического воздействия на рабочие лопатки возмущающих сил. Эти силы возникают прежде всего от пульсирую­щего давления на лопатки рабочей среды. Кроме этого, вибрации являются следствием неудовлетворительной динамической балансировки роторов, не­равномерности проходных сечений каналов диафрагм, отклонений в шаге лопа­ток, неправильностей половин диафрагм в горизонтальных разъемах, неточной

147