книги из ГПНТБ / Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения

пические напряжения в роторах создаются в процессе их проверки при разгоне на балансировочном стенде до скорости 120% от номи­ нальной. Такое превышение скорости в настоящее время исполь­ зуется практически на всех турбогенераторных заводах в СССР

и за рубежом для турбогенераторов со скоростями вращения 3000 и 3600 об./мин. Это превышение скорости близко к значениям,

которые могут быть в процессе эксплуатации турбоагрегатов при

внезапном сбросе их полной нагрузки. Возможно, что в дальней­ шем за счет совершенствования устройств регулирования скорости

паровых турбин удастся снизить величину превышения скорости

при сбросе нагрузки. Вполне' естественно, что такое снижение

превышения скорости позволило бы увеличить диаметр ротора, а следовательно, и мощность турбогенератора. Однако рассмотре­ ние данной проблемы на одном из международных совещаний показало, что в настоящее время нет оснований для уменьшения

Как указывалось выше, диаметр четырехполюсного ротора больше диаметра двухполюсного ротора в 1.60—1.65 раза. В этих условиях окружная скорость на поверхности четырехполюсного ротора будет на 20—25% меньше, чем у двухполюсного ротора, при скорости вращения 1800 об./мин. и на 30—35% — при ско-

110

рости вращения 1500 об./мин. Это позволяет снизить требования к механическим характеристикам поковок четырехполюсных ро­

торов, а также к бандажным кольцам четырехполюсных машин. Так, например, для турбогенераторов мощностью 500—1200 МВт

при частоте 50 Гц предел текучести может быть уменьшен с 60—

65 кГ/мм2 до 45—50 кГ/мм2.

Таким образом, создание поковок четырехполюсных турбо­ генераторов упрощается в связи с понижением требования к их механическим характеристикам. Несмотря на это проблема созда­ ния поковок четырехполюсных роторов является более сложной по сравнению с двухполюсными, что обусловлено их большим

весом.

В настоящее время имеется несколько технических направле­ ний по созданию тяжелых поковок: цельнокованые, сварно-кова­

ные, сборные и сварно-сборные поковки. Цельнокованые поковки. В настоящее время

при создании четырехполюсных турбогенераторов в практике зарубежного турбогенераторостроения это направление является основным. Наибольшие успехи достигнуты в США, а в последнее

время и в Японии. В США производство тяжелых поковок освоено

фирмами «Бетлхем Стил» и «Юс Стил» (300 т), в Японии — фирмой «Джапан Стил воркс» (400 т). Наиболее полные данные по произ­ водству и испытанию тяжелых поковок даны специалистами Япо­

нии и ФРГ на 6-й международной конференции по поковкам,

происходившей в США в октябре 1972 г. [98]. Интересные сведе­ ния приведены специалистами фирмы «Дженерал Электрик» (США) по тяжелым поковкам на 5-й международной конферен­

ции по поковкам в Италии [115].

Создание тяжелых цельнокованых поковок требует развития

сталеплавильного производства, цехов по ковке, термической и механической обработке. Это связано с разработкой нового обо­ рудования и большими материальными затратами. Однако наряду с этим возникают сложные проблемы разработки и внедрения новой технологии. Дело в том, что простое геометрическое увели­

чение слитков и поковок при сохранении прежнего уровня техно­ логии неизбежно приведет к ухудшению качества поковок. По­ этому при создании тяжелых поковок, помимо вакуумного обесгаживания, нужно исключить окисление углерода, применить более качественные присадки к стали, использовать более плотные

никельхроммолибденванадиевые стали, осуществить закалку во­ дой и пр.

Наибольший ротор в США был сделан фирмой «Бетлхем Стил»; его вес 180 т, диаметр бочки ротора 1.71 м и общая длина вала

17.4 м. Особенности производства этого ротора приведены в [108]. Исходный слиток весом в 300 т был получен с помощью 5 электро­

печей. После ковки его вес сократился до 222 т, а после термиче-

Ill

ской и механической обработок — до 180 т, что составило 60% от исходного веса. В процессе испытаний поковки не было обна­ ружено ни поверхностных, ни внутренних дефектов. В зависи­ мости от места пробы и направления предел текучести был равен 68—83 кГ/мм2, предел прочности 89—102 кГ/мм2, удлинение 23—26%. Полученные результаты значительно превосходят те

требования, которые предъявля­ ют в США к поковкам четырех­

55—75 кГ/мм2, относительное

удлинение 16—20%.

По мнению специалистов США, дальнейшее повышение веса поковок связано с разра-

боткой более совершенных из­

ложниц для слитков с целью уменьшения веса отрезаемых нижней и верхней частей поков­

ки, имеющих худшую структу­ ру, а также со снижением коли­ чества углерода вдоль централь­

ной части слитка.

Быстрое развитие техноло­

гии производства тяжелых слит­

который постепенно остывает. В момент, когда наружная часть

металла начинает густеть, производится заливка стали высо­

кой чистоты с очень малым содержанием углерода. Происхо­

дит диффузия чистой стали главным образом в центр ранее за­ литого металла, в результате чего в центральной части с наиболь­ шим содержанием углерода происходит уменьшение его про­ центного содержания (рис. 6-6). Далее производится заливка

следующей порции металла, затем чистой стали и т. д.

U 2

I'

бракована. Механические свойства оказались превосходными,

так как в результате применения послеразливочного процесса существенно уменьшились неоднородности и получилась большая сопротивляемость материала появлению трещин. В результате риск отбраковки поковок очень больших весов стал меньше, чем

поковок меньших весов с использованием обычной технологии. В настоящее время становится реальным изготовление поковок весом даже 250 т на основе использования того же технологиче­ ского послеразливочного процесса [46]. В случае использования

’——

Ш0

б

Cj

СО

QO

ä

VT

(S780

Рис. 6-7. Основные размеры поковок роторов турбогенера­ торов на 1500 об./мин.

а — 1500 МВА, вес 200 т; 6 — 2000/2300 MBA1 вес. 240 т.

пуска турбогенераторов мощностью 2500 MBA при скорости вра­

щения 1500 об./мин. и 3000 MBA при скорости вращения 1800 об./мин.

Фирма «Альстом» (Франция) получила заказ на изготовление

четырех турбогенераторов мощностью около 1000 МВт, каждый со

скоростью вращения 1500 об./мин. для АЭС «Фессенгейм» и «Бу­

жей» (Франция). Тяжелые роторы для этих машин фирма будет

получать из Японии. Таким образом, вторая из ведущих электро­ технических фирм Западной Европы приняла решение развивать

производство мощных турбогенераторов для АЭС на базе цельно­ кованых поковок.

Фирма «Дженерал Электрик» (Англия) выполняет заказы по изготовлению четырехполюсных турбогенераторов мощностью 1200 МВт для США на основе цельных поковок, оставив на складе фирмы сборную поковку. Такое же техническое направление имеет итальянская фирма «Асджен», хотя раньше она выпускала сбор­ ные поковки.

Приведенные выше материалы показывают, что за последние годы ведущие капиталистические фирмы перешли от сборных поковок к изготовлению цельных. Такое изменение технической

114

ориентации может быть объяснено крупными успехами сталели­ тейных фирм, занятых производством поковок. Выполненные рас­ четы для четырехполюсных турбогенераторов на основе исполь­ зования водяного охлаждения ротора и допустимости повышенных значений переходных индуктивных сопротивлений показывают, что для турбогенераторов мощностью вплоть до 2000 МВт доста­ точно иметь вес поковки около 260 т (табл. 6-2). Для выпуска такой поковки вес слитка должен быть приблизительно 500 т. При даль­ нейшем увеличении мощностей машины возможен путь совершен­ ствования технологии производства поковок и увеличения отно­

шения веса поковки к весу слитка, получение слитков большого веса из стали электрошлакового переплава и др. Поэтому для производства мощных турбогенераторов АЭС крайне важно раз­ вить отечественную базу по созданию слитков весом приблизи­

тельно до 500 т и производству из них цельнокованых поковок

l меньше обычных машин. Можно ожидать, что на уровне 1990 г.

мощности турбогенераторов на новой технической основе с ис­

пользованием явления сверхпроводимости достигнут мощностей, которые к этому времени будут иметь турбогенераторы обычного исполнения. В этих условиях может не потребоваться дальней­

шего увеличения веса слитков и поковок.

Свари o-к ованые поковки. Метод изготовления

сварно-кованых поковок с применением электрошлаковой сварки впервые был предложен в Австрии [1]. Однако за рубежом этот

метод пока не получил применения. Наиболее существенные ре­ зультаты в развитии и практическом внедрении метода были достигнуты в СССР применительно к четырехполюсным турбогене­ раторам.

Прежде всего в условиях Ижорского завода был выполнен макет из двух частей (каждая сечением 750×1150 мм, длиной 1750 мм),

выкованных из слитков стали марки 35ХНМФА весом по 22.5 т.

Слитки выплавлялись в дуговой печи с последующим вакууми­

рованием. Электрошлаковая сварка производилась тем же метал­

лом, который применялся для слитков. После сварки проводилась ковка суковом 1.5. Последующие исследования показали, что свар­ ное соединение получилось практически однородным с основным металлом.

Полученные на макете результаты дали возможность перейти

с уковом 1.8.

Выполнение работ по сварке двух макетов и проверка каче-

ства сварных соединений позволили Ижорскому заводу при участии ЦНИИТМАШ и Института электросварки им. Е. О. Патона перейти

к изготовлению сварно-кованого ротора турбогенератора мощно­ стью 500 МВт. Такой ротор образуется из трех слитков весом по 162 т. После ковки слитков производится сварка трех частей

(рис. 6-8). В результате получается цельный блок весом 260 т.

Далее этот блок поступает на ковку и термообработку с целью улуч­ шения свойств металла в зоне сварных соединений.

Готовая поковка ротора весом около 160 т имеет следующие раз­

меры: диаметр бочки 1800 мм, длина бочки 6000 мм, общая длина вала 14 000 мм, диаметр центрального внутреннего отверстия

400 мм.

Преимущество производства сварно-кованых поковок по сравне­ нию с цельным заключается в отсутствии необходимости рекон­

струкции сталеплавильного производства и перехода на более

совершенную технологию на участке сталеплавильного производ­

ства, а также в возможности создания роторов очень большого веса.

Следует заметить, что все остальные участки производства

(ковка, термическая и механическая обработка) должны быть рас­

считаны на полный вес заготовок.

116

Несмотря на определенные преимущества производства сварно­ кованых поковок, имеется ряд вопросов, которые должны быть тщательно изучены до перехода к широкому практическому внед­

рению такого способа. К ним относятся: влияние термического

цикла на ухудшение металла в зоне сварного соединения; появле­ ние непроваров и сварочных трещин, которые могут быть концент­

раторами напряжений; значительное влияние остаточных напряже­

ний, обусловленных усадкой сварного шва и тепловыми дефор­ мациями; пониженная и нестабильная усталостная прочность сварных соединений. Кроме того, технологический цикл изготов­

ления сварно-кованого ротора является более длительным, так как необходимо проводить термообработку частей ротора перед

сваркой, а также всего ротора после сварки.

Если вместо мартеновской стали использовать слитки электро-

шлакового переплава, то можно ожидать значительного улучше­

ния сварно-кованых слитков. Этим объясняется широкое разви­ тие работ по сварно-кованым поковкам из стали электрошлакового переплава и электрошлаковой сварке. Такие работы проводятся

вСССР, ФРГ, ЧССР, Франции, Бельгии и Италии. Так, например,

вФРГ выпускаются слитки с диаметром 1000—1500 мм и весом

20—50 т. К 1972 г. был разработан технологический процесс из­

готовления слитков диаметром 2300—2500 мм и весом от 80 до 160 т. Если опыт со слитками электрошлакового переплава таких весов окажется удачным, то будет сделан переход к следующей ступени — слиткам с диаметром около 3000 мм и весом 300—350 т. К тому же если учесть, что в слитках из обычной стали имеются прибыльные части, а в слитках электрошлакового переплава их, по существу, нет, то при том же весе слитка вес поковки из стали электрошла­

кового переплава будет существенно больше, чем из обычной стали. Действительно, прибыльная часть вверху слитка, где в наиболь­ шей мере сосредоточиваются посторонние примеси, а также при­ быльная часть внизу слитка составляют 30—40% от общего веса слитка. Верхняя прибыльная часть отрезается до начала ковки,

а нижняя — после окончания ковки. Поэтому слитки электро-

Iшлакового переплава весом порядка 350 т могут служить базой для изготовления цельнокованых поковок для четырехполюсных турбогенераторов очень большой мощности.

ВБельгии в 1972 г. производились слитки весом 40 т, а в

1973 г. — в 100 т.

В СССР освоено производство слитков электрошлакового пе­

реплава весом 40 т и намечается дальнейшее увеличение их веса

до 150 т. `

Существенным преимуществом поковки, полученной из слитков

электрошлакового переплава с помощью электрошлаковой сварки, является более высокое качество металла и сварного шва по

сравнению со сварной поковкой из мартеновской стали. В связи C этим имеется реальная возможность существенно снизить вели-

117

чину укова и получить высокие механические свойства поковок.

Более того, в связи с высокой пластичностью стали электрошла-

кового переплава при наличии высоких прочностных показателей для дальнейшего изучения может быть поставлена проблема полу­ чения заготовок из слитков без ковки, хотя даже постановка такой

проблемы для крупных поковок представляется дискуссионной. Таким образом, поковки из стали электрошлакового переплава являются весьма перспективными. Однако в 1972—1973 гг. в СССР и за рубежом освоены промышленные производства слит­

ков весом лишь около 40 т, что совершенно недостаточно для со­

здания тяжелых поковок, необходимых для обеспечения выпуска мощных четырехполюсных турбогенераторов.

Сборные поковки. Для изготовления ротора, поковка которого состоит из нескольких частей, не требуется очень круп­

ных слитков. В результате все операции, от выплавки до чистовой механической обработки, могут выполняться при существующем

на заводах оборудовании, не требующем больших капитальных вложений для реконструкции цехов заводов, производящих по­

ковки, как это необходимо при других способах производства.

Наряду с этим для изготовления сборных поковок используются сравнительно небольшие слитки, что повзоляет наиболее просто обеспечить высокое качество их изготовления, а также надежный контроль. В частности, могут быть использованы слитки из стали электрошлакового переплава. Кроме того, необходимость иметь в бочке ротора центральное отверстие повышенного диаметра дает возможность исключить тот объем стали, который при обычной технологии имеет худшие показатели. К недостаткам сборных поко­ вок следует прежде всего отнести большой объем работ по механиче­ ской обработке элементов составного ротора. При этом существенно

отметить то, что эти работы должны проводиться с очень высокой точностью. Кроме того, по-видимому, эксплуатационная надеж­ ность таких роторов может оказаться несколько ниже цельноко­ ваных роторов.

Наибольших успехов в созданий сборных роторов добилась фирма «Броун Бовери», изготовившая более 350 сборных роторов для генераторов различных мощностей. В 1970 и 1971 гг. были созданы роторы с чистым весом около 200 т для четырехполюс­ ных турбогенераторов мощностью 1330 MBA по заказу энерго­ систем США. В 1974 г. намечается изготовление для США сбор­ ного ротора для турбогенератора мощностью 1480 MBA. Создание составных роторов с таким весом является крупным достижением

фирмы, по данным которой, ни один из сборных роторов, изготов­ ленных за 20 лет, в процессе эксплуатации не имел признаков усталостных разрушений.

В СССР в 1947 г. было изготовлено 2 сборных ротора для четырех­ полюсных турбогенераторов мощностью по 100 МВт. Эти роторы

успешно эксплуатируются на электростанциях, В последние годы

118

в СССР была проведена особенно большая работа в этой области

ЦНИИТМАІПем и Ижорским заводом под руководством Н. Н. Зо-

рева. Она завершилась созданием составного ротора весом около

140 т.

Кратко рассмотрим устройство сборных роторов на примерах фирмы «Броун Бовери» и отечественных разработок. В основу рассмотрения целесообразно положить сборные роторы наиболь­ шего веса, т. е. 200 т — фирмы «Броун Бовери» и 140 т — отече­ ственные.

Рис. 6-9. Сборный вал ротора фирмы «Броун Бовери».

1,2 — места стыков.

Наиболее полно рассмотрение проблем тяжелых роторов с по­ зиций фирмы дано в [85, 91, 139]. Вес каждого из роторов турбо-

Iгенераторов 1333 и 1490 MBA со скоростью вращения 1800 об./мин. составляет около 200 т [104].

Для этих роторов используется сталь с пределом текучести 65 кГ/мм2, содержащая 2.5% Ni и имеющая магнитную индукцию

1.85и 1.96 Тл при значениях н. с. 140 А/см и 320 А/см, соответ­ ственно. Принципиальная конструкция ротора показана на рис. 6-9. Наиболее тяжелая часть ротора имеет вес 65 т. Активная часть

(бочка ротора) состоит из трех частей. Кроме того, имеются две

концевые части и центральная стяжка. Средняя часть бочки ро­

тора насаживается на центральную стяжку горячей посадкой.

Стяжка имеет центральное отверстие и одноходовую резьбу с двух сторон с шагом 36 мм. Через это отверстие пропускается пар тем­

пературой 280o C в течение такого времени (не более 1.5 часа),

119