книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

В некоторых случаях прогиб вала в холодном состоянии после проведения теплового испытания превышает прогиб, зафиксиро­ ванный до испытания. Это имеет место тогда, когда в процессе испытания в результате нагрева происходит перераспределение или частичное снятие остаточных напряжений. Такой прогиб может быть устранен проточкой шеек ротора.

Результаты теплового испытания считают удовлетворитель­ ными, если:

прогиб ротора при нагреве отсутствует; вначале -при нагреве прогиб появляется, но при дальнейшем

повышении температуры или при максимальной температуре испытания снижается;

допустимый прогиб остается неизменным во время выдержки при максимальной температуре и при охлаждении. Обычно счи­ тают, что прогиб ротора или вала при максимальной температуре испытания не должен превышать 0,05 мм, а в холодном состоянии после завершения испытания — 0,025 мм.

Значительные размеры испытываемых валов и роторов, необ­ ходимость осуществления точных измерений биения вала при высоких температурах и длительность теплового испытания соз­ дают существенные трудности при его выполнении. Испытания проводят на токарном станке, приспособленном для вращения испытываемого вала с небольшой частотой вращения (1—4 об/мин). Высота центров станка должна быть достаточной для того, чтобы можно было свободно установить вал и нагревательное устройство. Необходимо учитывать возможность коробления станка в про­ цессе испытания. Чтобы избежать коробления, рекомендуется устанавливать нагревательное устройство не непосредственно на станину, а на опоры высотой 150—300 мм для создания воздушной прослойки, и, кроме того, уложить на всей поверхности станины листовой асбест.

Вал в процессе испытаний обычно нагревают при помощи электрических печей. Чаще всего применяют переносные печи разъемной конструкции, имеющие в сечении квадратную форму. Под печи, изготовляемый отдельно, устанавливают на станине станка, на котором проводят тепловое испытание. На под ставят П-образный корпус печи. При большой длине испытываемых валов и роторов П-образный. корпус можно выполнять сборным с разъ­ емом по вертикальной плоскости. Обычно в таких случаях разъем­ ным делают и под. Все части печи соединяют болтами. Две тор­ цовые стенки печи выполняют разъемными в вертикальной пло­ скости для возможности сборки этих стенок при. установленном валу. В каждой части торцовой стенки имеется отверстие в форме

а иногда (дополнительно) и на поверхностях пода и свода печи. Печь должна быть достаточно жесткой, а все составные части ее —

192

транспортабельными. Печь снабжают достаточной теплоизоля­ цией. Длина печи должна позволять устанавливать вал таким об­ разом, чтобы его часть, располагающаяся в корпусе турбины, находилась во внутреннем пространстве печи. Желательно, чтобы вал в процессе испытания лежал на двух люнетах. Иногда вал устанавливают на одном люнете и зажимают в кулаках план­ шайбы.

Температуру внутреннего пространства печи измеряют обычно в трех точках по длине печи. Для термопар в своде печи преду­ сматривают отверстия. Термопару устанавливают на расстоянии —5 мм от поверхности вала. Иногда измеряют температуру и внутри ротора при помощи термопары, введенной в его осевое от­ верстие. Биение вала определяют при помощи индикаторов, уста­ навливаемых для измерений в трех точках по длине вала. Индика­ торы устанавливают также на обеих шейках вала. На некоторых заводах ограничиваются измерением прогиба только по середине длины вала или ротора.

Так как шейки вала в процессе испытания открыты и доступны, индицирование их не представляет трудностей. Иначе обстоит дело с проверкой биения вала на участках, находящихся внутри печи. Индикаторы, используемые для этой цели, монтируют вне рабо­ чего пространства печи на ее корпусе. Для передачи биения вра­ щающегося в печи вала на индикаторы применяют специально изготовленные щупы. Такой щуп представляет собой корпус, в котором может перемещаться в направляющих без заедания или заметного трения шлифованный пруток или графитовый стер­ жень, длину которого выбирают так, чтобы он одним концом ка­ сался вала, а другим— ножки индикатора. Оба конца прутка шлифуют по полусфере. В корпусе щупа устанавливают пружину, которая постоянно прижимает конец прутка к поверхности испы­ тываемого вала. Пружину не следует делать жесткой, чтобы из­ бежать образования на поверхности вала кольцевых канавок от давления щупа. Пружина должна обеспечить лишь надежный контакт между щупом и валом. Корпус щупа чаще всего закреп­ ляют на боковой стенке печи и часть его длины вводят через спе­ циальную прорезь в боковой стенке в рабочее пространство печи. Иногда щуп вводят в печь не сбоку, а сверху.

Схема одной из установок для теплового испытания вала по­ казана на рис. 57. На тех участках вала, где определяют биение, шлифуют пояски шириной 60:—80 мм.

Для проведения теплового испытания вращающийся вал на­ гревают со скоростью не более 40—50° С/ч до заданной температуры и выдерживают при этой температуре в течение установленного программой испытания времени. В период нагрева и выдержки каждые 30 мин записывают показания индикаторов в двух взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях. Выдержку при заданной температуре прекращают только после того, как показа­ ния индикаторов стабилизируются. Охлаждение ведут со ско-

194

пени снижает остаточные напряжения в металле вала или ро­ тора.

В 1941 г. были опубликованы результаты экспериментальных работ Уивера, который установил, что валы и роторы, тепловые испытания которых дали удовлетворительные результаты, будучи вторично подвергнуты нагреву в аналогичных условиях после чистовой механической обработки, прогибаются. Прогиб, достиг­ нув своего максимума при определенной температуре и выдержке, с дальнейшей выдержкой начинает снижаться и достигает допу­ стимых значений. Уивер рассматривает такой нагрев как опера­ цию, устраняющую склонность валов и роторов турбин к прогибу при нагреве, проявляющуюся после механической обработки.

Такую тепловую стабилизацию валов и роторов турбин после чистовой обработки следует, по данным Уивера, проводить для разных сталей при различных температурах, зависящих от хими­ ческого состава сталей и обычно находящихся в пределах 380— 520° С. Режим нагрева повторяют при стабилизации дважды, причем вторичный нагрев служит для контроля полноты стабили­ зации.

Л. А. Гликман и А. И. Чижик подвергли критическому ана­ лизу представления Уивера, который считает, что процесс тепло­ вой стабилизации снимает наклеп поверхностного слоя металла, образовавшийся в результате механической обработки, и тем самым создает возможность равномерного проникновения тепла при нагреве. Аргументируя вывод о несостоятельности пред­ положений Уивера, Л. А. Гликман и А. И. Чижик выдвинули иной взгляд на физическую сущность явления, указывая, что при нагреве изделий в таких условиях, когда известная доля тепла воспринимается изделием за счет излучения, равномерность рас­ пределения температур по окружности зависит от равномерности окраски (степени черноты) поверхности нагреваемого вала по окружности.

Поскольку степень черноты зависит от состояния поверхности, а оно не всегда равномерно изменяется по окружности в процессе нагрева, это может привести к известной неоднородности степени черноты по окружности изделия, а следовательно, и к его искрив­ лению. По мере повышения температуры и времени выдержки происходящее выравнивание состояния поверхности (получение одинакового цвета) должно привести к выравниванию степени черноты, а следовательно, и к устранению искривления.

Была проведена экспериментальная проверка высказанных Л. А. Гликманом и А. И. Чижиком представлений о физической природе искривления роторов и его устранении в процессе стаби­ лизации. Опыты с роторами при разной степени черноты поверх­ ности, проведенные Ф. М. Михайловым, подтвердили правиль­ ность этих представлений отечественных ученых. Особенно на­ глядным был следующий опыт: поверхность одного из роторов, подвергнутого после окончательной механической обработки тепло­

вой стабилизации двумя последовательными нагревами по методу, предложенному Уивером, была очищена от окислов по всей длине только с одной стороны примерно до половины окружности. Таким образом была достигнута значительная неоднородность степени черноты на разных половинах поверхности ротора. При нагреве такого односторонне зачищенного ротора, несмотря на предвари­ тельно проведенную стабилизацию, было получено большое искривление— биение составляло 1,19 мм.

Теоретические соображения и их опытная проверка подска­ зывают вывод о том, что тепловую стабилизацию, которая после работ Уивера нашла применение на некоторых зарубежных турбостроительных заводах, проводить не следует. Тепловые же испытания валов и роторов являются эффективным методом кон­ троля качества и способствуют повышению надежности работы роторов турбин.

Роторы турбин большой мощности подвергают испытаниям на разгон в специальных установках. Для уменьшения необходимой мощности привода испытываемый ротор вращают в вакууме. В связи со значительными размерами и массой испытываемых роторов, необходимостью обеспечения безопасности испытаний,

в собранном виде представляют собой весьма сложные соору­ жения.

Большое значение для дальнейшего повышения надежности и длительности службы роторов и дисков имеют исследования конструктивной прочности металла этих ответственных деталей турбин. Значительные по своим масштабам и плодотворные исследования в этом направлении в течение многих лет ведутся в ЦНИИТМАШе.

Создана серия установок типа ВРД, на которых испытывают диски и элементы роторов диаметром до 2 м и массой до 2 т при частоте вращения до 75 000 об/мин. Испытания проводят при тем­ пературах 20—750° С. Установки ВРД позволяют вести испыта­ ния при постоянных или изменяющихся температурах. На разных участках испытываемой детали или модели температура может быть различной и изменяться в радиальном и осевом направле­ ниях. Это позволяет имитировать условия, близкие к имеющим место в эксплуатации дисков и роторов.

В ЦНИИТМАШе до начала 1970 г. было исследовано на таких установках более 200 дисков из перлитных и аустенитных сталей, сплавов на никелевой основе и других материалов. Исследова­ ниями выявлены интересные закономерности, на основе которых сделаны выводы, имеющие большое значение для практики кон­ струирования и производства турбинных дисков и роторов. На­ пример, испытания дисков из стали 38ХНЗМФА с пределом теку­ чести 100 кгс/мм2 показали, что они в 2,5—3,5 раза более чувстви­ тельны к концентраторам напряжений, а конструктивная проч-

196

постъ их составляет только 27—38% прочности дисков из той же стали с пределом текучести 75 кгс/мм2.

Аналогичные результаты получены и при испытаниях дисков из сталей других марок. Исследования показали, что необходимым условием предотвращения склонности к хрупким разрушениям является ограничение предела текучести, который. не должен превышать 87% предела прочности. В процессе испытаний уста­ новлено также влияние ориентации неметаллических включений на прочность диска: включения, раскованные в плоскости диска, практически не снижают его прочности; включения же типа пло­ ских несплошностей, расположенные в радиально-осевом сече­ нии диска, резко снижают его прочность.

АУСТЕНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ ДИСКОВ, ВАЛОВ И РОТОРОВ

Валы, диски и цельнокованые роторы отечественных паровых турбин изготовляют из сталей перлитного класса. Осуществлены проработки и исследования возможности применения для этого назначения упрочненных дополнительным легированием нержа­ веющих сталей на базе 12% хрома, например стали 1Х12ВНМФ и стали 1Х12В2МФ следующего состава (в %):

Эти стали относятся к мартенсито-ферритному классу. Имеется опыт изготовления из стали 1Х12ВНМФ электрошлаковым пере­ плавом ротора барабанного типа для газовой турбины и дисков. Такие диски обладают однородными свойствами во всех направ­ лениях. Предел текучести этих дисков составляет 60—63 .кгс/мм2, а ударная вязкость 6— 12 кгс-м/см2. Для этой стали характерен и высокий запас пластичности. Диски из этой стали получили применение в газовых турбинах.

Однако уровень жаропрочности и других свойств перечислен­ ных перлитных и мартенсито-ферритных сталей недостаточен для дисков и роторов, работающих при температурах 600° С и выше. Для них используют стали аустенитного класса. В эксплуатации находятся диски из стали 1Х14Н18В2БР1, применяют стали ЗХ19Н9МВБТ, ХН35ВТ, ХН35ВТК и др. В табл. 25 и 45 при­ ведены соответственно химический состав и механические свой­ ства, которым должны удовлетворять, по техническим условиям, диски из этих сталей для газовых турбин.

А. В. Станюкович, М. Г. Таубина и Г. П. Дыкова исследовали сталь ЗХ19Н9МВБТ, используемую для дисков и роторов газовых турбин. Исследования механических свойств, длительной проч­ ности и ползучести, стабильности свойств в процессе старения были проведены на металле поковок, изготовленных по различ-

197

45. Механические свойства поковок из аустенитных сталей для дисков

ной технологии получения слитка и ведения ковки. Позднее Л. Я- Либерман обстоятельно проанализировал работоспособность указанных аустенитных сталей как металла для газовых турбин, а также вместе с М. И. Пейсихис исследовал серию опытных поко­ вок из стали ХН35ВТК. Все эти стали обладают высокими показа­ телями жаропрочности. Наиболее высоки они у стали ХН35ВТК. Высоким запасом пластичности характеризуется сталь ЗХ19Н9МВБТ. Нечувствительна к надрезу благодаря достаточ­ ному запасу пластичности сталь ХН35ВТК- У стали ХН35ВТ, не содержащей кобальта, запас пластичности меньше. Все рас­ смотренные стали чувствительны к ускоренным пускам и резким остановкам ввиду пониженного сопротивления термическим на­ пряжениям. В этом отношении аустенитные стали как материал дисков и роторов значительно уступают перлитным и упрочненным хромистым нержавеющим стаЛям.

Для дисков газовых турбин с ограниченным ресурсом исполь­ зуют высоколегированные аустенитные стали и сплавы на никеле­ вой основе.

СТАЛИ СВАРНЫХ РОТОРОВ и дисков

В некоторых энергетических паровых и газовых турбинах применяют роторы, свариваемые из отдельных поковок. На рис. 58 представлен ротор низкого давления паровой турбины К-160-130. Ротор сварен из семи поковок хромомолибденовой стали 34ХМ. Масса всего ротора — около 36 т, масса наибольшей из составля­ ющих его поковок 9 т. Диски, из которых сварен ротор, выполнены сплошными, без центральных отверстий, так как нет необходи­ мости посадки их на вал. Отсутствие отверстий позволило увели­ чить несущую способность и уменьшить осевые размеры дисков. Ротор газовой турбины ГТ-12-650 мощностью 12 000 кВт (рис. 59) сварен из шести поковок, изготовленных из аустенитной стали 1Х16Н13М2Б (ЭИ405). В годы, когда создавалась эта турбина, получение для цельнокованого ротора из аустенитной стали ка­ чественной поковки массой свыше 9 т, длиной около 4,5 м и диа­ метром более 900 мм представляло задачу, которую в существо­ вавших тогда производственных условиях решить было крайне

198

трудно. Применение роторов сварной конструкции позволило обеспечить производство газовой турбины ГТ-12-650.

Таким образом, использование сварных роторов позволяет решать сложные конструкторские и производственные задачи. Дальнейшее повышение единичной мощности паровых турбин, создание турбин для атомных электростанций, развитие газотурбостроения открывают перспективы все более широкого приме­ нения сварных роторов.

Рис. 58. Сварной ротор низкого давления паровой турбины мощностью 150 000 кВт

Отечественный и зарубежный опыт проектирования, произ­ водства и эксплуатации сварных роторов свидетельствует о том, что создание их требует тщательной и глубокой проработки кон­ струкции свариваемых частей, конфигурации и размеров швов, технологии сборки, сварки и термической обработки роторов.

Необходимой основой конструирования и производства сварных роторов являются соответствующие исследовательские работы, которые необходимо осуществлять применительно к каждому но­ вому типу ротора.

На один из турбинных заводов в свое время поступил для ремонта в связи с обнаруженным в процессе эксплуатации про­ гибом сварной ротор низкого давления паровой турбины мощ­ ностью 50 тыс. кВт зарубежного производства. Исследование по­ казало, что прогиб ротора был связан с развивающимся разруше­ нием его сварных швов. Приглашенные на завод представители

199

иностранной фирмы—изготовителя турбины приняли предъяв­ ленную рекламацию, и с их участием был осуществлен ремонт ротора. Анализ данного повреждения и имевших место на элек­ тростанциях аналогичных повреждений роторов того же типа привел, в частности, к выводу о необходимости значительного усиления сварных швов, увеличения глубины разделки под сварку более чем вдвое, и снижения до возможного минимума влияния концентраторов напряжений в корневом сечении шва.

В. Н. Земзин и Л. Д. Френкель отмечают, что при выборе глубины шва в сварных роторах желательно, чтобы корень шва был расположен на меньшем радиусе, чем дно проточки кольцевых пазов для лопаток. При такой конструкции в случае поперечных колебаний ротора сварной шов не будет испытывать знакоперемен­ ных изгибающих напряжений, которые могут иметь место, если дно пазов для лопаток расположить на меньшем радиусе, чем корень сварного шва.

Большое значение для надежной службы сварного ротора имеет тщательное соблюдение соосности сопрягаемых деталей и отсут­ ствие искривлений оси ротора после сварки. Применяют специаль­ ные приспособления для сборки частей ротора под сварку, стяж­ ные болты затягивают с контролируемым равным усилием. Роторы из сталей перлитного класса с относительно высоким содержа­ нием углерода подогревают перед сваркой обычно до температуры 300—450° С. Состав электродов, их обмазки, температуру и режим подогрева выбирают в зависимости от состава свариваемых поко­ вок, их размеров, технологического процесса сварки и пр. Для подогрева может быть эффективно использован метод индукцион­ ного нагрева.

В ходе сварки, большую часть которой выполняют на специаль­ ных приспособлениях при горизонтальном положении ротора в центрах, позволяющих провертывать ротор так, чтобы свари­ ваемый участок шва находился в нижнем положении, осуще­ ствляют контроль геометрических размеров ротора и послойную проверку качества швов. По окончании сварки ротор подвергают термической обработке для снятия остаточных напряжений и, при необходимости, для выравнивания структуры и устранения закаленных зон металла в сварном соединении.

В отечественной практике термическую обработку после сварки проводили в печах с вращением ротора, установленного в гори­ зонтальном положении. Известен опыт термообработки роторов в вертикальном положении при помощи индукционных нагрева­ телей. С расширением применения сварных роторов могут быть осуществлены полная или частичная автоматизация их сварки, создано специальное термическое оборудование и т. д.

В некоторых конструкциях газовых турбин находят примене­ ние сварные диски из стали разнородных марок, так называемые композитные диски. В практике газотурбостроения используют композитные диски с аустенитным ободом и центральной частью

200