6. Спеціальне завдання конструкція роторів турбін

Ротори – це елементи циліндру, що обертаються, парових турбін класифікуються за конструктивними та технологічними ознаками.

За конструктивними ознаками розрізняють ротори: дискові та барабанні.

За технологічними ознаками розрізняють: цільноковані, з насадженими дисками або набірні, зварені, зболчені.

Зазвичай застосовують ротори дискового типу, основні типи яких наведені на рисунку 2.4.1.

В загальному ротор поділяється на наступні елементи: вал; диски; лопатковий апарат; пів муфти. На роторі також можуть розташовуватись пристрої регулювання, захисту та вимірювання.

На рисунку 2.4.1, а зображений цільнокований ротор. Вал 1, диски 2 та пів муфта 3 виконані з єдиної заготовки. Цільнокований ротор виготовляється з заготовки, яка виковується зі зливка циліндричної форми. Поковка повинна бути осесиметричною, тобто вісь ротора повинна співпадати з віссю зливка. Діаметр поковки має обмеження через потужність поковочного обладнання. В центральній частині по осі цільнокованого ротора висвердлюється центральний наскрізний отвір діаметром 100-120 мм для здійснення контролю якості заготовки.

Центральний отвір приводить до зниження міцності ротора. Цільноковані отвори переважно застосовуються для ЧВТ та ЧСТ, де висока температура пари, а окружні швидкості та відцентровані сили, які діють на диски та робочі лопатки, достатньо помірні. Цільнокований ротор жорсткішій ніж вал з насадними дисками (рисунок 2.4.1, в), що дозволяє розташувати на ньому більшу кількість східців. Відсутність насадних деталей підвищує надійність ротора. Окрім того, рівень робочих напружень в таких роторах нижче, ніж в насадних. Ротори високого та середнього тиску виконуються з жароміцних сталей: 20Х3МВФА; 25Х1М1ФША.

Ротор з насадними дисками (рисунок 2.4.1,в) складається з вала 1 та дисків 2, які посаджені на вал з натягом. Для передачі крутного моменту від дисків до валу між ними встановлюються повздовжні шпонки. В роторах з насадними дисками насадними виконуються також і пів муфти. В дисках східців значних діаметрів для запобігання концентрації напружень, які викликані повздовжньою шпонкою з зоні розточки диску, встановлюють бокові шпонки 3. Вал ротора з насадними дисками виконується з заготовки

Рисунок 2.4.1 – Типи роторів:

а – цільнокований;

б – комбінований;

в – з насадними дисками;

г – зварений;

д – складний зболчений

меншого діаметру, ніж цільнокований, що дозволяє отримати заготовку з високою якістю матеріалу та однорідністю механічних властивостей по всьому об’єму, в тому числі і в центральній частині. Тому вали роторів з насадними дисками зазвичай виконують без центрального отвору.

В одноциліндрових турбінах застосовують комбіновані ротори (рисунок 2.4.1, б) , в яких цільнокована частина поєднана з насадними дисками.

Ротори з насадними дисками застосовуються при невисоких температурах (до 300-350 0С), оскільки при більш високих температурах можливе послаблення посадки на валу, яке викликано повзучістю металу дисків та релаксацією контактних напружень на його посадковій розточці.

Недоліки роторів з насадними дисками: складність технологічного складання; східчастість балансування.

Для роботи в зоні низьких тисків застосовують ротори звареного типу. Такий ротор (рисунок 2.4.1, г) складається з кованих дисків, які зварені між собою електрозварюванням. Якість матеріалів в невеликих поковках є вищою, ніж в цільнокованих. Зварені ротори виготовляють без центрального отвору, що знижає максимальне напруження в дисках. Більш низькі напруження дозволяють виконати зварений ротор з більшою кількістю східців.

Недоліки зварених роторів: велика маса та вартість, необхідність застосування мало вуглецевих слабко легованих сталей.

Межа текучості матеріалу зварених роторів σ0,2 = (5÷6) 102МПа. Застосування високолегованих сталей з межею текучості σ0,2 = (7÷8) 102МПа для роторів низького тиску парових турбін дозволяє конструкція зболченого фланцевого ротора (рисунок 2.4.1, д). Перевагою цієї конструкції є: найбільш навантажені кінцеві диски виконуються без центральної розточки; можливість перевірки якості окремих поковок до їх зболчування; можлива заміна частини ротора при пошкодженнях; можливість застосування стальних лопаток довжиною 1200мм замість титанових.

УМОВИ РОБОТИ РОТОРІВ

Ротор передає крутний момент, який розвивається на лопатках, генератору. Крутний момент викликає напруження валу, але практично не збільшує напруження дисків. Основні напруження в дисках виникають внаслідок відцентрованих сил інерції та нерівномірного розподілу температури по об’єму диску. При помірних температурах диски працюють в умовах пружності, при високих температурах впливає повзучість матеріалу. При різко змінних режимах роботи парової турбіни можливо виникнення термічної втоми.

Повзучість матеріалу роторів парових турбін в основному проявляється під час роботи в стаціонарних режимах.

Причиною появи термічної втоми тріщин в роторах є циклічне деформування матеріалу, яке зумовлене повторними перехідними режимами турбіни. З цих позицій небезпечними зонами роторів є зони, які розташовані біля пазів для кріплення лопаток, поблизу теплових розвантажувальних канавок на поверхні валу, в місцях розташування лабіринтових ущільнень, в зонах переходу від диску до валу та центрального отвору в цільнокованих роторах. В указаних зонах при перехідних режимах турбіни за рахунок температурної дії виникають місцеві напруження та деформації.

В області високих температур при перехідних режимах виникають повторні пластичні деформації, які супроводжуються повзучістю. Чим швидше змінюється режим турбіни, тим вище температурні напруження та більше ймовірність виникнення циклічних пластичних деформацій та поява термічної втоми тріщин.

МІЦНІСТЬ РОБОЧИХ ЛОПАТОК

Робоча лопатка – один з напружених та відповідальних елементів та ротора, та всієї турбіни в цілому. Міцність робочих лопаток в значній мірі характеризується рівень експлуатаційної надійності турбіни.

Робочі лопатки підлягають дії відцентрованої сили від власної маси, маси бандажа, а також маси бандажної та демпферної проволоки. Крім того, лопатки підлягають вигинаю чому зусиллю від дії парового потоку.

При розрахунку на міцність лопатку необхідно розглядати як стержень з постійною або змінною по висоті площею поперечного перерізу. Для східців парової турбіни з відношенням d/l >10 застосовуються лопатки постійної по висоті площею поперечного перерізу. Такі східці характеризуються незначними змінами параметрами потоку пари по висоті. При відношенні d/l ≤10 суттєве значення отримує зміна параметрів потоку пари по радіусу в зазорі між вихідними кромками соплових і робочих решіток.

Робочу лопатку умовно поділяють на профільну та хвостову частину. Профільну частину лопаток розраховують на розтягнення від дії відцентрованих сил та на згинання від дії потоку пари.

КРИТИЧНА ЧАСТОТА ОБЕРТАННЯ РОТОРА

При визначеній частоті обертання ротора турбін стають нестійкими, починають коливатись з амплітудами, які дають значні прогини. Частота обертання, при якій амплітуда коливань ротора максимальна, називається критичною. Робота турбін при критичній частоті обертання або частоті, яка близька до критичної, проходить при різкому збільшенні вібрації. При цьому можливі зачіплювання ротора за статор турбіни, вихід з ладу підшипників, ущільнень і навіть руйнування ротора.

Критична частота обертання співпадає з власною частотою коливань ротора, що обертається. Явище резонансу наступає при спів падінні частоти обертання ротора та частоти його власних коливань вигинання. Коливання вигинання виникають під дією періодичних збуджуючих сил, які зумовлені неповною урівноваженістю ротора. Критична частота обертання ротора може виникати і при ідеально збалансованому роторі. В такому випадку при критичній частоті обертання має місце динамічна нестійкість ротора, що обертається.

Робоча частота обертання може бути нижче або вище критичної частоти n1кркр. Якщо робоча частота обертання nр < n1кр, то ротор називається жорстким. Жорсткі ротори при підвищенні частоти обертання від початкової до робочої не проходять через критичну зону ( зону високих амплітуд ). При nр > n1кр ротор називається гнучким, тобто при пуску турбіни він проходить через критичну зону.

Критичні частоти валопроводу паротурбінного агрегату не повинен знаходитись в області частот обертання близько 25, 50, 100 с-1. Область частоти обертання близько 25 с-1 відповідає можливому появленню "масляної" вібрації, яка викликає прецесію з частотою 0,5 nр . Попадання значення nкр в область робочої частоти обертання (50 с-1) означає резонанс з робочою частотою. Знаходження nкр в області подвійної робочої частоти (100 с-1) небезпечно виникненням резонансу з імпульсами, які викликані нерівно жорсткістю перерізів валопроводу.

З'ЄДНУВАЛЬНІ МУФТИ

З’єднувальні муфти призначені для з'єднання роторів та передачі крутного моменту. По конструкції поділяються на жорсткі, напівгнучкі, гнучкі.

Жорсткі муфти (рисунок 2.4.2) – виготовляють заодно з валом ротору у вигляді фланця, або у вигляді насаджених на кінці роторів напівмуфт. Жорстка муфта має болтовий зв'язок з розгорткою отворів під болти при з’єднаному положенні напівмуфт. З’єднувальні болти

виготовляються зі щільним насадженням по всій довжині, такі болти називаються призонними. При такій конструкції болти працюють тільки на зріз.

Жорстка муфта дає можливість встановлювати кінці роторів, що з’єднуються не в двох, а в одному підшипнику. Такі муфти прості у виготовленні, надійні в експлуатації та можуть передавати значний крутний момент. Жорсткі муфти різних типів зазвичай використовуються в потужних багатоциліндрових турбінах.

Напівгнучкі з’єднувальні муфти виконуються з однією (рисунок 2.4.3, а ) та двома (рисунок 2.4.3, б) хвилями компенсатора. Компенсатор є вставною ланкою між напівмуфтами роторів, що з’єднуються, до яких вона приболчується за допомогою при зонних болтів. Для скорочення розмірів в осьовому направленні напівмуфти насаджується фланцями всередину, що дає можливість решті частини напівмуфти розташуватись всередині компенсатора.

Застосування лінзових компенсаторів дозволяє припускати деякий злом та зміщення осей роторів без додаткових напружень в них та перерозподілу навантажень між підшипниками. Наявність у валопроводі багатоциліндрової турбіни напівгнучких муфт дозволяє компенсувати можливі осадження фундаментів паротурбінного агрегату, тощо. Якщо ротори валопроводу з'єднати тільки жорсткими муфтами, то такий валопровід буде працювати як єдиний ротор, оскільки жорсткість з’єднувальних частин не відрізняється від жорсткості валів. У такого валопроводу будь які переміщення підшипникових опор приводять до перерозподілу його реакцій між підшипниками та викликають напруження вигину в роторах. Зменшення навантаження на підшипник може призвести до порушення стабільності роботи шійки ротора на масляній плівці та викликати низькочастотну вібрацію. При наявності у валопроводі лінзових компенсаторів зміна реакцій валопроводу не відбувається та умови роботи окремих роторів залишаються попередніми. В самому компенсаторі відбувається

Рисунок 2.4.2 – Жорсткі муфти:

а – насадна; б – фланцева; в – з центруючою шайбою

Рисунок 2.4.3 – Навпіл гнучкі муфти:

а - з однією хвилею компенсатора;

б – з двома хвилями компенсатора

Центруюча шайба

збільшення напруження вигину, значення якого буде залежати від злому та зміщення осей ротора.

Крутний момент на жорстких та напівгнучких муфтах передається за рахунок тертя між їх фланцями, яка утворюється від зусилля затягування болтів. При передачі крутного моменту болти працюють на розтягнення. На зріз болти працюють при короткому замиканні на генераторі, коли на ротор генератора діє гальмуючий електромагнітний момент, що перевищує номінальний в 6 разів.

Гнучкі муфти мають різну конструкцію (зубчасті, пружинні, кулачкові). Їх використовування дозволяє припускати деякі відносні зміщення роторів в осьовому та радіальному направленні, а також злом осей (кутове зміщення).

Рисунок 2.4.4 – Зубчаста муфта

Сумарний зазор по обидва боки 3-4мм

Зубчаста муфта (рисунок 2.4.4.) складається з двох навпіл муфт 1, які насаджені на кінці валів з натягом. Навпіл муфти на периферичній поверхні мають зубці евольвентної форми. Обидві навпіл муфти охвачуються коронкою (обоймою) 4. передача крутного моменту від

однієї навпіл муфти до іншої здійснюється через зубчасте зачіплювання, яке може надійно працювати лише в масляній ванні. Масло подається з сусіднього з муфтою підшипника до кільцевих масло збірників 2, звідки під дією відцентрованих сил по каналах 3 надходить на зубці.

ВАЛОПОВОРОТНІ ПРИСТРОЇ

Валоповоротні пристрої (ВПУ) призначені для обертання системи роторів паротурбінного агрегату після його зупинки або перед пуском в роботу. Пристрої призначені для повільного постійного обертання протягом декількох годин або періодичного повороту через визначений час на 180 0 ротора турбіни. ВПУ зазвичай розташовуються на кришці картера підшипників між ЦНТ та генератором. На рисунку 2.4.5 зображено ВПУ, яке широко застосовується в парових турбінах вітчизняного виробництва.

Принцип роботи ВПУ: ротор обертається за допомогою електродвигуна 6 через знижуючий редуктор з черв'ячною передачею та зубчастими парами. Ротор електродвигуна 6 пов'язаний з черв'яком 7 через еластичну муфту. Черв'ячне колесо 8,9 насаджено на проміжний валик 3, вздовж якого по спеціальній шлицевій гвинтовій нарізці може пересуватись ведуча шестерня 4. При зачіплюванні шестерень 4,2 шестерня 4 спирається на бортик. В розціпленому стані шестерня 4 займає крайнє ліве положення. При розчіплюванні шестерень 2,4 (остання насаджена на навпіл муфту 1) ротор обертається від двигуна 6.

Включення ВПУ в роботу може здійснюватись дистанційно або вручну. З цією метою звільнюється спеціальна защіпка, яка утримує ведучу шестерню 4 в крайньому лівому положенні. Переміщенням важеля 5 (дистанційно сервомотором) повертають вал 10, який має зв'язок з шестернею 4 через вилку 11, та підводять шестерню 4 до гвинтової нарізки

валика 3. Спів падіння шлицевих пазів шестерні 4 з гвинтовою нарізкою валика добиваються обертанням черв'яка 7 маховиком 12 , після чого і переміщають важелем 5 шестерню 4 по валу 3 до упора в бортик. В момент зачіплювання шестерні 4 з колесом 2 важіль 5 натисне кінцевий вимикач та увімкне електродвигун 6.

Відключення ВПУ відбувається після штовхання ротора парою за рахунок зміни осьового зусилля, яке діє на шестерню 4. Шестерня 4 при виході з зачеплення потягне за собою важіль 5, який вийде з контакту з кінцевим вимикачем та відключить електродвигун (частота ВПУ – 4,5 хв-1).

Сучасні турбіни мають ВПУ з частотою 30 хв-1. Це пов’язано з необхідністю підвищення надійності роботи підшипників потужних турбін, які мають важкі ротори. Швидкісні ВПУ застосовуються разом з пристроями гідростатичного піднімання ротора. Гідравлічне піднімання забезпечує "спливання" роторів на масляній плівці на 0,04-0,06 мм та різко знижує потужність, яка необхідна для обертання валопроводу.

Принцип роботи системи гідравлічного піднімання роторів складається в підведенні масла до отворів в нижній половині вкладиша підшипника під шійку ротора. Тиск та витрата масла в підшипник повинні забезпечувати силу підйому для "спливання" нерухомого ротора та створити суцільну масляну плівку на малій частоті обертів. Масло до системи гідропідйому подається з системи змащування від спеціальних насосів високого тиску.

Рисунок 2.4.5 – Валоповоротний пристрій