книги из ГПНТБ / Плаксионов Н.П. Судовые турбинные установки учебник

Часть вторая

К О Н С Т Р У К Ц И И С У Д О В Ы Х П А Р О Т У Р Б И Н Н Ы Х У С Т А Н О В О К

Глава Iii

О С Н О В Н Ы Е У З Л Ы ТУРБИН

§ 13. ТУРБОЗУБЧАТЫЙ АГРЕГАТ

Главный турбоагрегат, имеющий зубчатую передачу, называется главным турбозубчатым агрегатом (ГТЗА). Главный тур­ боагрегат, имеющий электрическую передачу, называется главным

турбоэлектрическим агрегатом (ГТЭА).

Турбоэлектрические агрегаты выполняют однокорпусными; боль­ шинство современных турбозубчатых агрегатов — двухкорпусными; агрегаты же большой мощности, главным образом для крупных бы­

т о р , — турбиной низкого давления (ТНД).

В трехкорпусном агрегате, кроме ТВД и ТНД, имеется еще проме­ жуточная турбина, называемая турбиной среднего давления (ТСД); пар поступает в нее из ТВД , а уходит в ТНД.

В четырех корпусном агрегате между ТВД и ТНД по ходу пара уста­ навливают два промежуточных корпуса — ТСД-І и ТСД-П, или турби­ ну малого давления (ТМД), или две параллельно работающие ТНД.

Для обеспечения движения судна задним ходом в двух последних по ходу пара корпусах (чаще всего — в ТНД)1 устанавливают особую (ТЗХ), состоящую из нескольких ступеней.

Для перепуска пара из одного корпуса в другой, а также из ТНД в конденсатор устанавливают специальные трубы большого диамет­ ра — ресиверы. Для управления на турбины устанавливают различную арматуру.

1 Турбоагрегаты французских лайнеров «Фландр» и «Антил» (1953 г;) сос­ тоят каждый из ТВД, ТСД, двух параллельно работающих Т Н Д и Т З Х в от­ дельных корпусах.

40

Зубчатую передачу (редуктор) помещают между турбинами и валопроводом; служит она для снижения частоты вращения при передаче крутящего момента от турбин на гребной винт. Конденсатор обычно располагают под ТНД, он предназначен для конденсации пара и со­ здания разряжения (вакуума).

На рис. 24 изображен двухкорпусный ГТЗА с двойной зубчатой передачей нефтеналивного судна (в раскрытом виде: сняты крышки турбин и редукторов).

Рис. 24. Двухкорпусная турбина с двойной зубчатой пере­ дачей

ГТЗА имеет турбину 4 высокого давления переднего хода, турбину 1 низкого давления переднего хода и турбину 2 заднего, хода. Турбины высокого и низкого давлений сообщаются между собой ресивером 3. Свежий пар, последовательно проходя через турбины, расширяет­ ся в них, а отработавший пар поступает в конденсатор (он на рисунке не показан), который расположен непосредственно под турбиной низ­ кого давления.

ТВД переднего хода представляет собой комбинированную актив­ ную турбину: ее проточная часть состоит из одного колеса с двумя сту-

41

пенями скоростей (двухвенечного диска) и восьми ступеней давления. ТНД переднего хода представляет собой многоступенчатую активную турбину с шестью ступенями давления. Проточная часть ТЗХ разме­ щена в корпусе турбины низкого давления переднего хода.

Развиваемая турбиной мощность передается гребному валу через двухступенчатый зубчатый редуктор (на рисунке первая ступень этой передачи обозначена цифрой 5, а вторая — цифрой 6). Упор гребного винта воспринимает главный упорный подшипник (он на рисунке не показан), расположенный между гребным валом с большим зубчатым колесом передачи.

§ 14. КОРПУС И СОПЛОВЫЕ КОРОБКИ

Общие сведения. Корпус служит для размещения не­ подвижных деталей турбины: сопел, направляющих лопаток, диафрагм, уплотнений и т. д. Кроме того, в корпусе размещается большое коли­ чество патрубков фланцев и штуцеров для подвода и отвода пара, мас­ ла и удаления конденсата. Поэтому корпус имеет сложную конфигу­ рацию.

Число корпусов соответствует числу турбин в турбоагрегате. По­ этому в многокорпусных агрегатах различают корпусы высокого, среднего и низкого давлений.

• В каждом корпусе имеются впускная и выпускная полости. Закры­ тая впускная полость, из которой пар поступает к соплам, называется сопловой камерой. Полость, в кото­ рой вращается активный диск, назы­

вается камерой диска.

Корпус главной судовой турбины для удобства выемки и установки ро­ тора всегда имеет горизонтальный разъем, разделяющий его на две по­ ловины: нижнюю (собственно корпус) и верхнюю (крышку). Каждую поло­ вину изготовляют из двух или не­ скольких частей, скрепляемых не­ разъемными вертикальными фланце­ выми соединениями. Это делают для облегчения отливки и обработки кор­ пуса, а также для возможности изго­ товления отдельных его частей из различного материала.

Место скрещивания горизонталь­ ного и вертикального фланцевых соединений называют крестовым стыком (рис. 25). Для предупрежде­

ния протечки пара через крестовый стык в центре его высверливают нарезное отверстие глубиной около 20 мм, в которое после закрепле­ ния крышки турбины плотно на мастике ввертывают болт.

Корпус вспомогательной турбины обычно имеет один разъем — горизонтальный или вертикальный.

42

Крышка и нижняя половина корпуса снабжены толстыми горизон­ тальными фланцами, которые крепят болтами или шпильками, распо­ ложенными близко к стенкам корпуса (чтобы избежать или уменьшить изгибающие усилия во фланцах). Болты по всему корпусу делают одинакового размера, но частоту их установки (шаг) меняют в зависи­ мости от давления пара в данном месте корпуса: в области высокого давления болты ставят как можно чаще. При таком расположении болтов места для нормальных гаек недостаточно, поэтому последние обычно изготавливают в виде колпаков (см. рис. 25), шестигранные головки которых сильно уменьшены. Это дает возможность затягивать гайки, стоящие вплотную друг к другу.

Горизонтальные фланцы пришабривают или обрабатывают точной и чистой фрезеровкой. Между фланцами прокладки не ставят, чтобы не изменить величину радиальных зазоров при вскрытии турбины. Для достижения лучшей паронепроницаемое™ их смазывают тонким слоем специальной мастики, рекомендованной заводом-изготовителем турбины.

При отсутствии такой рекомендации можно использовать, в зави­ симости от параметров пара, на которых работает турбина, мастики следующего состава (в % по весу): свинцовый сурик — 40, графит—40,

Первуюлмастику употребляют для пара с температурой до 150° С, вторую — до 300°С, третью — до 500° С, при давлении во всех случаях до 100 ата.

Составные части мастики до смешивания просеивают через мелкое сито. Смесь разводят олифой и размешивают до состояния густых сливок; слой мастики не должен быть больше 0,75 мм.

Обжатие болтов и шпилек горизонтального разъема следует про­ водить равномерно с обеих сторон корпуса; при этом затяжку гаек надо начинать со стороны наиболее неплотного прилегания фланцев. Правильное направление и последовательность обжатия болтов с обе­ их сторон устранят возможность деформации крышки.

Для обеспечения правильности положения крышки относительно корпуса фланцы разъемного соединения имеют от двух до восьми установочных болтов, которые вытачивают по развернутым во флан­ цах отверстиям. Каждое отверстие и пригнанный к нему болт марки­ руют.

Для отрыва крышки от корпуса в крышке устанавливают от четырех до восьми отжимных болтов.

На нижней половине корпуса имеются по концам стулья, где распо­ ложены опорные и упорные подшипники. Стулья отливают или вместе с корпусом, или отдельно. Отдельные отлитые стулья крепят к корпусу на фланцах; это соединение может быть жестким или подвиж­ ным.

Подвижное соединение применяют при высокой температуре пара; оно дает возможность корпусу свободно расширяться в радиальном на­ правлении. Существует несколько типов конструкций подвижного соединения.

43

Для крепления турбины к судовому фундаменту в нижней половине корпуса предусмотрены прочные лапы, которые чаще всего отливают вместе со стульями. Таким образом, стулья обычно используют для установки и закрепления турбины на фундаменте.

Для обеспечения теплового расширения корпуса турбины часто один стул (со стороны кормы) закрепляют лапами подвижно, а другой (со стороны носа) неподвижно. Подвижная опора имеет пришабренную скользящую плоскость, которую периодически смазывают графито­ вой смазкой. Подвижный стул обычно снабжают указателем для конт­ роля за расширением корпуса турбины при прогревании.

Подвижный стул на фундаменте крепят различно.-У турбины турбо­ электрохода «Балтика» (рис. 26), стул 1 турбины установлен на фун­ даментной плите 4. Посередине опорной поверхности стула в вертикаль­ ной плоскости, проходящей через ось вала турбины, сделана продоль­ ная канавка, в которую вставлена направляющая шпонка 5. Лапы

Рис. 26. Крепление подвижного стула

стула охватывают (с зазором) направляющие планки 3, закрепленные на фундаментной плите болтами 2.

Поверхности, по которым передвигается скользящая опора, могут загрязняться и препятствовать свободному расширению корпуса, вы­ зывая его заклинивание и деформацию. Поэтому при эксплуатации турбины необходим уход за скользящей опорой, смазка скользящей поверхности и контроль за тепловым расширением корпуса.

У современных главных турбин (например, Кировского завода) обычно применяют гибкую опору (рис. 27), в которой жестко крепится подвижный стул. Перемещения стула обеспечиваются упругой дефор­ мацией вертикальной полки опоры. При гибкой опоре отпадает слож­ ное соединение и уход за ним.

Корпус турбины во время работы испытывает сложные напряжения от: давления находящегося в нем пара; температурных расширений; вибраций через опоры; изгиба направляющих лопаток и диафрагм, закрепленных в корпусе; собственного веса и веса ротора. Исходя из этого, материал и конструкция корпуса должны обладать достаточ­ ной прочностью.

Для изготовления корпуса при температуре входящего пара ниже 230° С применяют чугун марки СЧ-12-28; при температуре до 420° С — углеродистую сталь с присадкой молибдена; при температуре 500° С — хромомолибденовые и хромоникелеванадиевые стали.

44

Чугунное литье при температуре выше 240" С нельзя применять вследствие «роста» чугуна1 .

Стальной корпус может быть также выполнен из листов, профиль­ ных полос, мелких отливок или поковок, соединенных сваркой (сварнолитой). Применение сварнолитых корпусов позволяет значительно снизить литейный брак, уменьшить объем механической обработки, а также получить значительный выигрыш в весе, что очень существенно для судовых ТЗА.

Внастоящее время корпусы ТНД транспортных судов обычно делают сварнолнтыми.

Вкачестве материала для отдельно отлитых стульев часто приме­ няют чугун.

Все горячие части корпуса покрывают изоляцией в виде асбесто­ вой массы, совелитовых плит или алюминиевой фольги. Изоляция

Рис. 27. Гибкая опора корпуса турбины

корпуса служит не только для уменьшения потери тепла в окружаю­ щую среду, но и для уменьшения деформаций. Толстая изоляция спо­ собна аккумулировать большое количество тепла, поэтому она сдер­ живает прогрев и охлаждение корпуса.

Конструкция корпусов. На рис. 28 приведены чертежи корпуса ТВД ТЗА Кировского завода.

Отлитый из хромоникелевой стали корпус состоит из нижней 16 и верхней 6 половин. Каждая половина корпуса, в свою очередь, изго­ товлена из двух частей, скрепленных между собой вертикальными фланцевыми соединениями 4, которые при вскрытии турбины не разбирают. Шпильки горизонтального и вертикального разъемов имеют колпачковые гайки 22. Во фланце нижней половины корпуса высвер­ лены нарезные отверстия 23 для шпилек.

1 Если отливку из серого чугуна подвергать продолжительному переменному нагреву при температуре 230° С и выше, то выделяется свободный графит и укрупняется кристаллическая решетка чугуна; вследствие этого объем чугуна увеличивается и его механические качества ухудшаются. Такое явление назы­ вается «ростом» чугуна.

45

На внутренней поверхности корпуса проточены кольцевые выточки

Корпус опорными стульями расположен на раме. Носовой стул 13 установлен на гибких опорах 12 и связан с корпусом посредством трех шпонок, обеспечивающих соосность расточек корпуса и стула при тем­

В стульях имеются полуцилиндрические гнезда 2 и 9 для нижних вкладышей опорных подшипников и гнездо 11 для упорного подшип­ ника.

Опорные. и упорные подшипники имеют крышки 1 и 10, в которых проточены гнезда для верхних вкладышей подшипников.

В верхнюю и нижнюю половины корпуса вварены сопловые короб­ ки 8 и 15, отлитые из легированной стали. Такое расположение коро­ бок обеспечивает более равномерный нагрев корпуса.

Рис. 28. Корпус ТВД судов

а — общий вид; б — продольный

.46

У корпуса имеются патрубки: 18 — для отвода пара в ТНД; 19 — для отвода пара из ТВД в конденсатор (в случае, если ТНД вышла из строя); 17 — для отбора пара на регенерацию; 14 и 20 — для отсоса пара в уравнительный коллектор от кормового и носового уплотне­ ний. Кроме того, у корпуса есть большое количество фланцев и шту­ церов.

В современных ТВД с высокими параметрами пара для снижения температурных деформаций иногда применяют так называемые двухкорпусные конструкции. Идея конструкции заключается в том, что диафрагмы (у активных турбин) или направляющие лопатки (у реак>

типа «Ленинский комсомол»:

р а зр е з; s — нижняя половина

тивных турбин) закрепляют не в наружном корпусе турбины, а в от­ дельных обоймах, которые вставляют в наружный корпус.

Корпуса с двойными стенками улучшают условия прогрева турби­ ны (внутренние обоймы омываются паром и со стороны проточной ча­ сти и с внешней стороны), что способствует более быстрому пуску в ход турбоагрегата. Внутренние обоймы, кроме того, упрощают конструк­ цию наружного корпуса, который можно изготовить сварным или сварнолитым.

Конструкция сопловых коробок. Сопла первых ступеней переднего и заднего хода современных турбин обычно устанавливают и закрепляют

Рис. 29. Сопловая коробка ТВД судов типа «Ленинский ком­ сомол», «Прага» (отдельно отлита и приварена):

(болтами или шпильками) во вставных сопловых коробках, которые отливают при нормальных параметрах пара из обыкновенной углеро­ дистой стали, а при высоких параметрах — из хромоникелевой или молибденовой стали. Толщина стенок коробок обычно равна 20—25 мм.

Конструкции сопловых коробок весьма разнообразны. Крепление коробок в корпусе можно осуществлять различно. У турбин Киров­ ского завода, судов типа «Ленинский комсомол», «София» сопловые коробки вварены в верхнюю и нижнюю части корпуса (см. рис. 28, б).

Верхняя сопловая коробка (рис. 29) имеет три группы сопел со своими сопловыми клапанами. Пропускная способность сопел состав­ ляет 10, 20 и 30% расхода пара при нормальной мощности. Нижняя сопловая коробка имеет одну группу сопел с пропускной способностью 50% расхода пара.

§ 15. СОПЛ А ПЕРВЫХ СТУПЕНЕЙ

Общие сведения. Сопла служат для преобразования потенциальной энергии пара в кинетическую и для направления паро­ вого потока на рабочие лопатки.

48

Сопла, применяемые в паровых турбинах, бывают расширяющи­ мися и суживающимися. В суживающихся соплах площадь попереч­

Суживающиеся сопла применяют в ступенях переднего хода при дозвуковых и околозвуковых скоростях пара, а расширяющиеся — у ТЗХ и у турбин вспомогательных механизмов, ступени которых осу­ ществляют сверхкритические теплоперепады.

В турбинах вспомогательных механизмов малой мощности иногда устанавливают отдельно изготовленные сопла, но обычно сопла объе­ диняют в так называемые сопловые сегменты или сопловые дуги. Чис­

сопловые сегменты расположены на части окружности, и пар по­

Сопла первых ступеней мощных главных турбин устанавливают на большей части окружности, но включаться в работу они могут не одно­ временно, а в зависимости от мощности, требующейся для заданного хода судна.

Сопловые сегменты обычно крепят во вставных српловых коробках различными способами.

Конструкции сопел. По конструкции и способам технической обра­ ботки сопловые сегменты подразделяют на литые, сборные, наборные из цельнофрезерованных сопел и сварные (с соплами из профильного

вые лопатки изготавливают отдельно штамповкой из чистых стальных пластинок. Отштампованные лопатки заформовывают на определенном расстоянии друг от друга в стержни так, чтобы кромки лопаток высту­ пали из стержней на 8—12 жиг. В форму устанавливают набор стержней

49