2. Крепление лопаток

Крепление лопаток в роторе производится различными спосо­бами. Все эти способы крепления можно разделить на два основ­ных типа.

1. Крепление погруженного типа, когда хвосты лопаток за­водятся в специальные выточки в ободе диска или барабана.

2. Крепление верхового типа, когда хвосты лопаток надева­ются верхом и закрепляются на соответствующем гребне диска, а обод диска получается облегченным.

Часто встречающиеся формы лопаточных хвостов первого и второго типов креплений изображены на рис. 4.

Рис. 4. Формы лопаточных хвостов.

1 и 2 хвосты с боковым вырезом; 3—ласточкин хвост; 4 — Т-образный хвост; 5 — молотообразный хвост, полученный путем улучшения Т-образного хвоста; 6 — цилиндрический хвост; 7, 8, 9 — зубчиковые хвосты; хвосты лопаток с верховой на­садкой: 10 — хвост типа обратный молоток; 11— верховое крепление лопаток при одном гребне на диске; 12 — то же при двух гребнях, 13 — хвост типа обратная елка.

Хвосты с одним боковым вырезом имеют направляющие лопат­ки; хвосты зубчиковые, Т-образные, а также типа ласточкин хвост имеют как направляющие, так и рабочие лопатки. Хвосты 3—5 предна­значены для небольших и средних нагрузок. Зубчи­ковые крепления — для обычных средних и повы­шенных нагрузок. Нако­нец, крепления по типу 6, 10—13 — для весьма на­груженных лопаток.

В целях борьбы с ви­брацией под влиянием воздействия струй пара кон­цы активных лопаток обычно скрепляются бан­дажной лентой, надевае­мой на шипы (рис. 3), которые затем расклепы­ваются. Бандажная лента состоит по окружности из нескольких отрезков, меж­ду которыми имеются зазоры (порядка 1—2 мм) для теплового расширения. Концы отрезков иногда припаиваются к лопаткам.

В последнее время некоторое распространение получил способ крепления бандажа к лопаткам с помощью сварки. В этом случае высота шипа «а лопатке составляет примерно 7г толщины бандажа. После надевания бандажа производится приварка к нему лопаток. Иногда, обычно в случае больших окружных скоростей, каждая лопатка изготавливается за одно целое с бандажной полкой. Смыкаясь, эти полки образуют сплошное кольцо — бандаж.

В реактивных турбинах давление пара по обе стороны лопаток неодинаково, вследствие этого часть пара протекает через радиаль­ные зазоры между рабочими лопатками и корпусом, а также на­правляющими лопатками и ротором, не совершая работы. В целях уменьшения протечки пара эти радиальные зазоры делаются весьма малыми. При этом не исключена возможность задевания лопа­ток за корпус или ротор (например, при неравномерном расшире­нии отдельных частей турбины, короблении и т. п.).

Рис. 5. Скрепление двух соседних пакетов проволочным мостиком.

Чтобы в этом случае предотвратить аварию концы реактивных лопаток заостря­ют (рис. 1, 5), вследствие чего при задевании о корпус или ротор они легко стачиваются. У таких лопаток ленточные бандажи обычно не ставятся. Их назначение выполняет связующая проволока, которую пропускают через отверстия или сделан­ные в верхних частях лопаток вырезы, и затем припаивают к ло­паткам серебряным припоем. Между отдельными отрезками про­волоки, как и у ленточного бандажа, делаются тепловые зазоры. Длина отрезков проволоки колеб­лется от 20 до 400 мм, диаметр проволоки принимается от 4 до 9 мм, в зависимости от ширины лопаток.

Иногда реактивные лопатки связываются ленточным банда­жом, но в этом случае либо высту­пающий край бандажа заостряет­ся и располагается .против хвосто­вой лопатки, образуя небольшой осевой зазор, и в бандаже де­лаются радиальные выступы (гре­бешки), выполняющие роль лаби­ринтного уплотнения.

У коротких реактивных лопаток высотой меньше 30 мм связую­щей проволоки обычно не ставят. При наличии высоких активных или реактивных лопаток в дополнение к ленточному бандажу или верхнему ряду связующей проволоки добавляется, в зависимости от высоты лопаток, еще один-два ряда связующей проволоки.

Скрепление между собой тем или иным способом группы лопа­ток образует так называемый лопаточный пакет. В пакет обычно входит 6—12 лопаток. Пакеты друг с другом не связаны и могут свободно колебаться во всех направлениях. Иногда для уменьшения размаха колебаний пакетов между соседними пакета­ми ставятся проволочные мостики.

Такой мостик изображен на рис. 5. Он представляет собой короткий кусок проволоки 1, припаянный к двум-трем лопаткам одного пакета и свободно про­ходящий (с зазором а) сквозь отверстия двух-трех концевых лопа­ток соседнего пакета. Отверстия 2 просверлены для облегчения по­становки «мостика».

На рис. 4 изображено крепление активной цельнотянутой ло­патки 1 с Т-образным хвостом 2 в диске 3. Между хвостами лопа­ток набирают вставки 4. Вершины <лопаток связывают между собой бандажом 5, который своими отверстиями надевается на шипы 6, после чего шипы расклепываются.

На рис. 6 представлено крепление лопаток с верховыми хво­стами на заклепках, по способу Ленинградского металлического завода (ЛМЗ).

Для возможности ввода лопаточных хвостов погруженного типа в пазы ротора (или корпуса) в последних делается уширение (ко­лодец) . Лопатки и вставки поочередно заводят в это уширение и прогоняют по окружности до надлежаще­го места (рис. 7). После набора всех лопаток и вста­вок уширение заделывается замками. При больших диаметрах ротора число зам­ков увеличивается до двух и даже до трех.

Рис. 6. Крепление лопаток с хвостами верхового типа на заклепках.

На рис. 8,a .показан за­мок для лопаток с Т-образ­ным хвостом. Уширение в пазе заделано за счет удаления выступов, удерживающих хвосты лопаток; эти выступы на рисунке показаны пунктиром. Замковую вставку забивают в уширение между прилегающими лопатками, через имеющееся в щеке диска отверстие сверлят отверстие в зам­ковой вставке, в которое забивают закрепку. Концы заклепки рас­клепывают.

а) б)

Рис. 7. Наборка рабочих лопаток: а) установка активных лопаток; б) установка реактивных лопаток.

Замок, -показанный на рис. 8, б, состоит из вставки 1, которая заделывает вырез в щеке диска. Вставка крепится к диску винта­ми 2.

На рис. 8,в изображен замок двухступенчатого диска. В сред­ней части обода диска между обоими пазами сделан вырез, через который вводятся последовательно лопатки обоих рядов. Замко­вые лопатки 1 крепятся двумя планками 2, разжимаемыми кли­ном 4. Клин крепится к ободу вин­том 3.

Для лопаток с зубчиковым хвостам часто применяют замок конструкции Броун-Бовери (рис. 8,г). Вырез в ободе напоминает паз для Т-образного хвоста. Зам­ковая вставка состоит из двух ча­стей. После набора лопаток в замковый паз вводят обе части вставки и вгоняют клин 3. Чтобы удержать клин на месте, выступы обеих частей вставки зачеканиваются.

Материал, применяемый для изготовления лопаток, должен от­личаться высокими механически­ми качествами; обладать доста­точной стойкостью при высокой температуре, соответствующей эксплуатационным режимам тур­бины; быть способным противо­стоять коррозии (химическому разъеданию) и эрозии (механиче­скому воздействию капелек воды при работе лопаток в области влажного пара); хорошо подвергаться механической обработке и быть, по возможности, дешевым. В отечественном турбостроении в качестве материала для лопаток, работающих при температуре до 375° С применяются хромистые нержавеющие стали с содержанием 12,5—14,5% хрома. Эти стали достаточно прочны и вязки сохраняют высокие механические качества при температуре до 400° С, хорошо выдерживают разъедающее действие влажного пара, легко подда­ются ковке и штамповке., хорошо обрабатываются механически как в отожженном, так и в закаленном и отпущенном состояниях. Хро­мистые стали в отожженном состоянии могут подвергаться холод­ной прокатке, штамповке, протяжке и другим видам холодной об­работки. Вставки изготавливаются из углеродистых сталей, так как они не несут больших нагрузок.

Рис. 8. Лопаточные замки.

Для лопаток, работающих .при температуре до 450° С, применя­ются хромоникелевые стали с содержанием никеля от 3,7 до 12%. Эти стали весьма стойки против коррозии. Для изготовления лопа­ток, работающих при температуре 480—500°, применяются специ­альные стали с содержанием никеля до 14%. Высокое содержание никеля также увеличивает коррозийную стойкость этих сталей.

Лопатки первых ступеней ТВД, работающие при температуре пара 500—550°, изготавливаются из специальных сталей со значи­тельными присадками молибдена, хрома и никеля.

ПОДШИПНИКИ ТУРБИН

Каждая турбина снабжается двумя опорными подшипни­ками и одним упорным подшипником.

Опорные подшипники воспринимают вес ротора и обеспечивают сохранение всех радиальных зазоров в облопатывании, т. е. цент­ровку ротора.

Упорные подшипники воспринимают осевое давление пара на ротор, а также устанавливают положение последнего в осевом на­правлении.

1. Опорный подшипник

Всякий опорный подшипник главных турбин состоит из следу­ющих основных частей: корпуса или стула, крышки, двух встав­ных вкладышей (верхнего и нижнего), маслоотбойного устройства, болтов для крепления крышки к корпусу, масляных трубок, конт­рольных приборов, кожуха и т. п.

Корпус опорного подшипника (стул турбины) выполняется как самостоятельная конструкция или отливается из чугуна или угле­родистой стали заодно с корпусом турбины. Крышка подшипника обычно отливается из углеродистой стали. Вкладыши подшипника изготавливаются из стали или бронзы.

Для уменьшения потерь на трение внутренняя поверхность их заливается антифрикционным сплавом — баббитом марки Б-83, со­держащим около 83% олова. Ввиду особой важности и ответствен­ности службы .подшипников турбин заливку вкладышей другими сортами баббита производить нельзя.

Для подшипников турбин применяется циркуляционная смазка с давлением масла 0,5 ~ 0,7 кг/см². Температура масла, выходя­щего из подшипников, йе должна превышать 60-г 70° С; темпера­тура входящего в подшипник масла — 40-г 50° С.

Опорные подшипники по способу установки их вкладышей в корпусах (стульях) подшипников бывают жесткими и самоустанавливающимися. Вкладыши жестких подшипников имеют цилиндрическую наружную поверхность (подобно цилиндри­ческим вкладышам, рамовых подшипников) и устанавливаются в цилиндрические расточки корпусов и крышек подшипников. Прогиб вала при жестких подшипниках приводит к давлению шейки на концевые участки вкладышей (см. рис. 1,а) и к быстрому их износу. Поэтому такие подшипники применяются при коротких рото­рах с относительно большим диаметром вала.

Вкладыши самоустанавливающихся подшипников имеют сфе­рическую опорную поверхность и устанавливаются в сферической расточке корпуса подшипника. Благодаря этому при небольших изменениях положения оси вала они имеют возможность повер­нуться в ту или иную сторону и ось их при этом всегда совпадает с осью вала (см. рис. 1,б). Такие подшипники дол­жны применяться при длин­ных роторах с относительно не­большим диаметром.

а)

_{Рис 1}. Схема положения изогнутого вала ротора ,

а) несамоустанавливающиеся б) самоустанавливающиеся

Вкладыши нерегулируемых подшипников непосредственно своей наружной поверхностью опираются на поверхности расточек корпусов подшипников.

На рис. 3 приведен чертеж вкладышей жесткого нерегули­руемого подшипника турбины т/э «Балтика». Два бронзовых вкладыша 1 и 2 имеют баббитовую заливку 3. Для луч­шего удержания баббита во вкладышах простроганы и выточены продольные и поперечные канавки в форме ласточкина хвоста. Нижний вкладыш помещается в расточке стула, а верхний — в крышке. В плоскости разъема вкладыши стопорятся от провора­чивания утопленными впотай винтами.

Смазочное масло входит во вкладыш по каналу 4, сделанному в горизонтальном разъеме вкладыша, поступает к шейке вала, растекается в обоих направлениях по шейке и затем стекает с обоих концов вкладыша в сливную полость. Около каналов 4 на бабби­товой заливке сделаны скосы для того, чтобы масло легко посту­пало на вал и не прерывалась масляная пленка.

Рис. 3 . Вкладыши жесткого нерегулируемого подшипника.

У судовых турбин довоенной постройки обычно предусматрива­лось устройство, ограничивающее проседание ротора в случае вы­плавки баббита с целью предотвращения аварии облопатывания. В данной конструкции это устройство состоит из так называемых аварийных буртиков 5, устроенных во вкладышах. Аварийные буртики образованы тем, что каждый конец вкладыша на расстоя­нии около 10% длины его баббитом не залит и диаметр расточки на этих участках сделан на 0,80 мм больше, чем диаметр расточки баббита. В случае выплавки баббита ротор ляжет шейкой на брон­зовые буртики и этим будет предотвращено повреждение лопаток.

а) б)

Рис. 4. Вкладыши самоустанавливающегося регулируемого подшипника с опорными колодками:

а) нижняя половина вкладыша; б) вкладыши в сборе.

Вкладыши регулируемых подшипников устанавливаются на сухарях (колодках), привернутых к корпусу вкладыша винтами (рис. 4). Наружная поверхность сухарей протачивается концентрично с расточкой, и пригоняется по расточке корпуса подшип­ника. Между сухарями и вкладышами устанавливаются стальные прокладки, подбором которых достигают необходимого положения ротора в корпусе турбины. Этим значительно облегчается подгонка вкладышей после перезаливки, сборка и центровка турбины.

Турбины Кировского завода имеют регулируемые самоустанав­ливающиеся подшипники другого типа.

Подшипник (рис. 5,а) снабжен двумя стальными вклады­шами 1 и 2, на наружной цилиндрической поверхности которых имеются четыре выреза. В эти вырезы установлены стальные сухари 3, крепящиеся к вкладышам винтами 4 и штифтами 5. Между сухарями и вкладышами установлены латунные прокладки 6. Сфе­рические поверхности сухарей опираются на обойму. Обойма состоит из двух половин, которые крепятся к цилиндрической рас­точке стула и крышке винтами 8.

Верхний и нижний вкладыши соединяются между собой четырьмя шпильками с гайками 9. Точная установка (центровка) верхнего вкладыша относительно нижнего обеспечивается зам­ком 10 и двумя направляющими штифтами 11. От проворачивания вкладыши удерживаются штифтом 12, вставленным в нижний вкла­дыш и помещающемся в .вырезе нижней обоймы с зазором, что допускает поворот вкладыша в обойме.

Подвод масла осуществляется через каналы 13 и 14. Далее масло растекается в обоих направлениях по шейке вала и стекает в картер стула, а оттуда поступает в сточную цистерну.

Чтобы не было утечки масла из подшипника в месте выхода масла из корпуса, со стороны уплотнительной коробки предусмот­рено маслозапорное устройство, состоящее из латунного щитка 15 (из двух половин), крепящегося к нижнему и верхнему вкладышу, и двух бронзовых маслоудерживающих полуколец 16, заведенных в крышку и стул.

В приливе крышки имеются отверстия 17, 18 и 19 для установки соответственно термометра, маслоконтрольного прибора и микро­метра; с помощью последнего измеряется проседание вала, а сле­довательно, и износ баббита.

Главное достоинство самоустанавливающихся регулируемых подшипников этого типа состоит в том, что вкладыш имеет ци­линдрическую поверхность, а сфера вытачивается в обойме, а не в стуле.

2. Упорный подшипник

В современных судовых турбинах применяются исключительно одногребенчатые упорные подшипники, гребень которых или отко­ван вместе с ротором, или съемный.

Упорный подшипник турбин Кировского завода изображен «а рис. 5,б. Подшипник имеет уравнительное устройство для равно­мерного распределения нагрузки от упорного гребня на упорные подушки.

Упорные подшипники. Эти подшипники предназначены для восприятия осевого усилия, действующего на ротор, и фикса­ции ротора в определенном осевом положении так, чтобы обеспечивались требуемые осе­вые зазоры в проточной части турбины. В паровых турбинах используют сегментные упор­ные подшипники (рис. 6). Внутри вкладыша, состоящего из двух половин 1 и 4, распо­ложено кольцо 2, на котором установлены упорные колодки 3. На валу турбины имеется упорный диск 5 (гребень), прилегающий своей торцевой поверхностью к поверхностям залитых баббитом упорных колодок. Масло подается к упорным колодкам так, что гребень 5 вращается в масляной ванне и прижимается осевым усилием к поверхности колодок. Между вращающимся гребнем и упорными колодками появля­ются клиновидные зазоры и образуется устойчивый масляный клин, давление в котором зависит от частоты вращения вала, размера зазора и осевого усилия. Упорные колодки могут пово­рачиваться вокруг ребра качания, изменяя конфигурацию кли­новидного зазора в зависимости от осевого усилия.

Рис. 5. Опорно-упорный подшипник Кировского завода.

Рис 6 Сегментный упорный подшип­ник

1.4 — верхняя и нижняя половины вкла­дыша, 2 — кольцо, 3, 5 —упорные колодки и гребень

Подшипник, показанный на рис. 6, можно использовать, ес­ли осевое усилие всегда направлено в одну сторону (в данном случае слева направо). Кроме того, при большом зазоре слева от гребня осевое положение ротора является неопределенным и малейшая сдвижка ротора влево по любым случайным причинам приводит к повреждению уплотнений и задеваниям. Поэтому в упорных подшипниках кроме основных (рабочих) колодок с про­тивоположной стороны гребня устанавливают дополнительные. В турбинах с постоянным направлением осевого усилия до­полнительные колодки часто называют установочными, так как с их помощью устанавливают осевой разбег ротора между ко­лодками. В крупных многоцилиндровых турбинах такого разли­чия работы колодок не существует, так как при изменении ре­жима работы направление осевого усилия может изменяться.

Несмотря на единство принципа действия, конструкции упор­ных подшипников турбин, выпускаемых разными заводами, имеют особенности.

Рис. 7. Упорный подшипник конструкции ХТГЗ:

/, 14, 19— средняя, нижняя и верхняя опоры, 2 — корпус, 3, 5, 9 — кольца, 4 — обойма, Ь — шпонка, 7 — маслоотбойный щнток, S — крышка опоры, 10 — полукольцо, // — штифт, 12 — сопло подачи аварийной смазки, 13 — упорный диск; 15, 18, 20 — упоры, 16 — налад­ка, /7 — опора колодки, 21 — втулка

Для примера на рис. 7 показан упорный подшипник, применяемый в новых турбинах ХТГЗ.

Подшипник выполняется симметричным с уравнительной ры­чажной системой, обеспечивающей равномерное распределение нагрузок между упорными подушками. Высокая несущая способ­ность подшипника обеспечивается применением двухслойных ох­лаждаемых колодок, которые состоят из тонких стальных на­кладок 16, залитых баббитом, и жестких стальных опор 17, в ко­торых установлены упоры 15. Накладка фиксируется на опоре штифтами и крепится к ней двумя зацепами и винтами. На по­верхности опоры, обращенной к накладке, имеются каналы, по которым циркулирует протекающее в полости подшипника масло.

Колодки через запрессованные в них упоры 15 опираются на верхние опоры 19, в которые устанавливаются упоры 20 со сфе­рической поверхностью. Верхние опоры плоскими поверхностя­ми опираются на цилиндрические поверхности нижних опор 14, которые крепятся в обоймах 4. Между упором и обоймой уста­новлены втулки 21. Верхние и нижние опоры фиксируются штифтами 11.

Собранная с опорами и колодками каждая половина обойм устанавливается в корпусе 2 подшипника. В осевом направлении обойма подшипника фиксируется кольцами 9.

Упорные подшипники других конструкций часто выполняют­ся комбинированными: с общим вкладышем для упорной и опор­ной частей.

Газотурбинные установки

1. УСТРОЙСТВО И Принцип ДЕЙСТВИя ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

История развития газовой турбины тесно связана с историей развития паровой турбины.

Несмотря на бурный рост паротурбостроения в конце прошлого и первой четверти нынешнего столетия развитие газовых турбин вследствие технической неподготовленности сильно тормозилось и их создание практически стало возможным только в 30-х годах двадцатого столетия.

Причины, тормозившие развитие газотурбинных установок, в основном были следующие:

1) отсутствие жароупорных материалов, которые позволяли бы иметь высокую температуру газа перед турбиной;

2) несовершенство проточных частей газовых турбин.

По этим причинам к. п. д. газотурбинных установок получались низкими (10—15%), и они не могли конкурировать с другими ти­пами двигателей.

В последние годы благодаря усовершенствованию схем газотур­бинных установок, улучшению газодинамики проточных частей и успехам металлургии в производстве жароупорных сталей удалось получить к. п. д. газотурбинных установок порядка 25—32%.

Большие преимущества, газотурбинных установок по сравнению с другими типами судовых двигателей, а также возможность ис­пользования в них атомной энергии, побудили проектные организа­ции как у нас, так и за границей приступить к широкому проекти­рованию судовых газотурбинных установок. На некоторых судах эти установки уже осуществлены. Эксплуатация газотурбинных установок дала хорошие результаты. Все это позволяет предпола­гать, что в недалеком будущем газотурбинные установки займут должное место в качестве главных двигателей на судах морского флота.

К преимуществам газотурбинных установок по сравнению с ди­зельными относятся:

1) возможность получения больших мощностей на валу;

2) меньшие габариты и веса при одинаковых мощностях;

3) возможность сжигания в камерах сгорания дешевых (тяже­лых) сортов топлива;

4) меньшие расходы на смазку и ремонт;

5) простота устройства и обслуживания.

По сравнению с паротурбинными газотурбинные установки имеют следующие преимущества:

1) отсутствие паровых котлов и сложного котельного оборудо­вания (насосы, вентиляторы, системы обслуживающие котлы);

2) лучшие пусковые качества;

3) отсутствие конденсаторов и связанных с ним систем;

4) несколько меньшие габариты и вес при одинаковых мощ­ностях;

5) меньшие удельные расходы топлива;

6) низкие давления рабочего вещества в цикле, а следователь­но большая безопасность при случайном повреждении трубопро­вода.