Медленный нагрев изменяет размеры детали, не меняя ее формы. Если нагрев идет бесконечно медленно, то напряжений при этом не возникает. При неравномерном нагреве, кроме размеров, будет изменяться и форма детали, а также возникнут термические напряжения.
Медленное изменение температуры тела не вызывает изменения его формы только при полной изотропности материала. В противном случае с изменением температуры тела форма его не останется геометрически подобной первоначальной.
Изменение формы детали даже при симметричном нагреве произойдет в следующих случаях: 1) геометрической несимметричности (разная толщина стенок, наличие фланцев и т. д.); 2) анизотропности свойств металла (различие коэффициентов теплопроводности, расширения и т. д.). Следовательно, наряду с конструктивными и технологическими факторами, на сохранение формы тела при изменении температуры влияет его изотропность.
Металлу (за немногими исключениями —стали) всегда присуща кристаллическая структура, и в аморфном состоянии он почти не бывает. Этим уже предопределяется его анизотропность, свойственная и монокристаллическому телу, а тем более телу, состоящему из большого числа кристаллов или их групп (кристаллитов) ввиду их известной ориентировки. Такое тело не может обладать одинаковыми свойствами во всех направлениях. Особенно сильное влияние в этом отношении оказывают процессы, происходящие в металле при застывании.
В жидком состоянии металл достаточно однороден, но после его разливки создаются условия для получения крайне неоднородной структуры. Залитый в изложницу или форму металл начинает застывать за счет отдачи тепла стенкам, около которых образуется корка из неориентированных кристаллов. Как только металл изложницы нагрелся, скорость теплоотдачи от застывающего металла резко замедляется. Кристаллы, образующиеся на внутренней поверхности корки, могут при этом расти и получают ориентировку в основном в направлении отвода тепла. Образующиеся дендриты растут внутрь слитка от его наружных стенок (транскристаллизация).
По мере кристаллизации происходит ликвация, меняется состав как кристаллизующегося металла, так и остающегося в жидкой фазе. При медленном охлаждении происходит зарождение кристаллов и в оставшемся жидком металле; их состав отличается от маточного раствора, они легче или тяжелее его и поэтому опускаются вниз или всплывают, усиливая тем самым ликвацию. Между дендритами запутываются шлаковые включения, газовые пузыри. Наконец, остаток металла застывает.
Вследствие охлаждения наружных слоев застывающего слитка внутри его образуется высокое давление, под влиянием которого маточный раствор может быть выжат в наружную часть слитка. Когда жидкой фазы остается мало, под влиянием усадки при застывании в верхней и центральной частях слитка образуются поры, рыхлости и усадочные раковины. Металл в этих зонах наименее качественный. Застывание сопровождается большими внутренними напряжениями.
Таким образом, остывший стальной слиток будет представлять собой весьма неоднородное тело как по своему кристаллическому строению, так и по химическому составу1 .
Слиток совершенно непригоден для изготовления из него деталей турбины. Поэтому при ковке принимаются все известные меры для исправления свойственных слитку недостатков: удаление порочных частей слитка, механическое измельчение крупных кристаллов при ковке, заварка газовых пузырей, нарушение ориентировки кристаллов. В процессе нагрева происходит выравнивание химического состава внутри кристаллов (следствие внутри кристаллической ликвации), а при термообработке достигается желаемая структура и величина зерна.
Такие дефекты, как ликвация по слитку, засоренность шлаковыми включениями, крупные газовые пузыри и т. д., не могут быть исправлены никакой последующей обработкой. Качество слитка предопределяет качество поковки. Ковка и термообработка улучшают лишь некоторые свойства металла слитка.
Неоднородность свойств металла детали может быть причиной изменения ее формы при нагреве. Примером может служить изгиб ротора даже при равномерном нагреве, если его свойства недостаточно осесимметричны. Отсутствие изгиба проверяется при тепловом испытании; роторы, изгибающиеся при этом испытании, бракуются, так как исправить такой дефект нельзя.
1 В литых деталях все описанные явления заметны в гораздо меньшей степени. Зона рыхлости и пустот должна располагаться в прибыльной части.
Помимо неоднородности свойств металла на изменение формы и размеров деталей турбины при ее пуске и работе влияют температура и действующие силы: 1) центробежные, 2) давление пара и 3) внешние.
Воздействию центробежных сил подвержены детали ротора. Поскольку большинство их сильно напряжено, изменение некоторых размеров может быть существенным. Оно зависит главным образом от числа оборотов п и от отношения
.
Однако влияние нагрузки невелико, и поэтому практически изменение размеров можно считать пропорциональным п2.
Для оценки величин возможных изменений размеров под действием центробежных сил рассмотрим несколько примеров.
Цельнокованый ротор в местах уплотнений при достижении полного числа оборотов растягивается очень незначительно, всего на 0,03—0,05 мм. Также незначительно увеличение наружного диаметра дисков цельнокованого ротора, в среднем на 0,05—0,15 мм. Напротив того, наружный диаметр ступицы насадного диска может увеличиться существенно —до 0,4—0,5 мм, что уже, безусловно, должно учитываться при назначении зазоров в уплотнениях. На еще большую величину возрастает наружный диаметр насадного диска.
Тонкостенный напряженный барабанный ротор большого диаметра сильно растягивается под действием центробежных сил. Увеличение диаметра такого ротора при полном числе оборотов может составлять 0,6—1,0 мм, что определяющим образом влияет на величину радиальных зазоров в реактивных турбинах.
Растяжение лопаток под действием центробежных сил существенно и составляет при большой их длине до 0,35 —0,45 мм, что должно учитываться при назначении радиального зазора. Таким образом, увеличение диаметра по вершинам лопаток последних ступеней может достигать 0,55—0,85 мм на сторону.
Давление пара внутри цилиндра, труб, клапанов вызывает увеличение их диаметров. Увеличение диаметра цилиндра может оказывать влияние на величину радиальных зазоров. Если напряжение в стенке σ=500 кг/см2, а диаметр цилиндра D=2000 мм, то увеличение диаметра составит около 0,5 мм. В случае влияния этого увеличения на зазоры оно должно быть учтено как увеличивающее протечки пара.
Происходит некоторое увеличение длины цилиндра вследствие давления в нем пара. Напряжения в стенках обычно невелики, и удлинение может быть заметным только при большой длине цилиндра.
Значительно может изменяться форма плоских стенок. Величина этих деформаций целиком зависит от конструкции стенок, размеров и нагрузки на них и в некоторых случаях может доходить даже до десятков миллиметров. Нескольких миллиметров может достигать прогиб диафрагм, что должно учитываться при назначении осевых зазоров в уплотнениях. Прогиб диафрагм довольно точно определяется расчетом, но действительная величина его сильно зависит от качества изготовления диафрагмы.
В любой турбине важно свести к минимуму внешние силы, как например, давление присоединенных труб, вес конденсатора, препятствие свободному расширению цилиндра. При больших диаметрах и толщинах стенок присоединенных труб передаваемые усилия могут сильно деформировать цилиндр, вызывать перекосы и заедания в шпонках, отставания опор.
