Содержание материала

Статор типичной активной турбины содержит такие последовательные звенья: цилиндр — обойма — диафрагма — уплотнение. 

Если даже не учитывать последних, положение которых достаточно стабильно относительно диафрагм, то все же положение оси каждой диафрагмы будет определяться установкой ее в обойме и установкой самой обоймы в цилиндре, т. е. оси всех диафрагм практически не будут совпадать. Только в реактивных турбинах, не имеющих ни вставных обойм, ни диафрагм, ось цилиндра достаточно определенна. Поэтому положение оси статора будет зависеть от положения оси собственно цилиндра и от изменения относительно него положения обойм и диафрагм.
Положение оси цилиндра зависит только от конструкции его соединения с корпусом подшипника или фундаментной плитой. Даже гибкий фундамент судовой турбины, деформирующийся вместе с корпусом судна, не вызывает перемещения оси цилиндра относительно оси ротора.
Основных типов соединений цилиндра с корпусом подшипника два: полуфланцами и при помощи опорных лап цилиндра.

Типы соединений цилиндра с подшипником
Фиг. 18. Типы соединений цилиндра с подшипником:
а — полуфланцем; б — лапами.

При полуфланцевом соединении (фиг. 18, а) размер а у цилиндра при горячем состоянии турбины оказывается больше соответствующего размера у подшипника.  Возникающая здесь разность температур достаточно неопределенна. Для уменьшения теплоотдачи подшипнику стремятся снизить температуру полуфланца цилиндра, что к тому же ограничивает возрастание размера а. Для этой цели делают окна для вентиляции и, применяют другие конструктивные приемы. Однако разность температур до 100° С, хотя бы временную, надо учитывать. Если примем для примерного расчета а=70 мм, то ∆а=0,08 мм. Для уменьшения расцентровки по этой причине нужно всемерно уменьшать размер а и снижать возможную разность температур. Изменение размера А при нагреве корпуса подшипника влияет в одинаковой степени на положение ротора и цилиндра. В результате их взаимное положение не изменяется и поэтому здесь не рассматривается.

Фиг. 19. Влияние способа установки обоймы на ее температуру.

Наиболее распространено соединение с помощью опорных лап, показанное на фиг. 18, б. В этой конструкции размер а по условиям прочности и деформации лап обычно значительно больше, чем в предыдущем случае, и составляет 100—120 мм. При той же разности температур, как и при полуфланцевом соединении, изменение размера а составит 0,13—0,16 мм. А так как из-за большей массивности лап по сравнению с полуфланцем и меньшей теплопередачи подшипнику разность температур также может быть больше, то примем Ай=0,15-?0,20 мм.
Лучший способ устранения смещения оси цилиндра по этой причине — опирание цилиндра на уровне горизонтального разъема. Имеются и другие способы: охлаждение лап водой («Escher— Wyss»), применение компенсирующей опоры («Аллис Чалмерс», фиг. 32, IV), уменьшение размера а.
Выхлопная часть цилиндра обычно непосредственно опирается на фундаментную плиту. Подшипник в таких случаях размещается в цилиндре. Тай как такие конструкции применяются почти исключительно для выхлопных частей и работают при умеренных температурах, то расцентровкой ротора и цилиндра в этом случае можно пренебречь.
Как уже говорилось, в активных турбинах положение оси статора определяется положением не только собственно цилиндра, но и изменением положения обойм и диафрагм относительно него.
Обоймы в цилиндре закрепляются почти исключительно путем подвески их вблизи плоскости разъема и центрируются в поперечном к оси направлении шпонками или штифтами. Такое закрепление не препятствует тепловому расширению обоймы в горизонтальном и вертикальном направлении и позволяет сохранять их концентричность относительно цилиндра.

Фиг. 20. Изменение температуры пара по длине турбины в зависимости от нагрузки: а— конденсационная турбина; б — турбина с противодавлением; 1 — полный пропуск пара; 2— пропуск пара 60% от полного; 3 — холостой ход.

Другие способы установки обойм или плохи (посадка прямо в расточку корпуса), или сложны (на радиальных штифтах) и применяются редко. Способы закрепления диафрагм аналогичны применяемым для обойм.

Фиг. 21. Схема подвески обоймы.

Изменение положения оси обоймы относительно того сечения цилиндра, в котором она закреплена, определяется разностью температур цилиндра и обоймы в этом сечении. Распределение температур по длине цилиндра при установившемся тепловом состоянии показано схематически на фиг. 19. В любом из вариантов (I, II и III) в зоне посадочного зуба температуры отличаются мало, поэтому и расцентровка обоймы относительно цилиндра не может быть большой.  Так как обойма тоньше стенки цилиндра и омывается паром с двух сторон, она будет при пуске или увеличении нагрузки нагреваться быстрее цилиндра и быстрее охлаждаться при снижении нагрузки. Исключение может быть при очень толстых, массивных обоймах (часто применяемых, например, фирмой «Вестингауз») и тонкой стенке цилиндра.

На фиг. 20 показано изменение температуры пара по ступеням для турбин конденсационной и с противодавлением 31 ата. Как видно, даже значительное изменение нагрузки —от холостого хода до полной — изменяет температуру в ступени не больше чем на 60—80°С. Эти изменения могут быть очень быстрыми. Однако температура цилиндра и обоймы начинает меняться одновременно, и большой расцентровка как правило, возникнуть не может. Для расчета наибольшей возможной расцентровки можно оценить разность температур цилиндра и обоймы в месте ее закрепления в цилиндре Δt равной 30°С.
Подвеску всегда стремятся максимально приблизить к плоскости разъема. Если принять (фиг. 21) размер а=80 мм, то при ∆t=30°С можно ожидать, что расцентровка из-за разного расширения по размерам а и a1 будет ∆а=0,03 мм.
Разность температур диафрагмы и обоймы в месте установки диафрагмы можно ожидать еще меньшую, чем разность температур обоймы и цилиндра, так как обе они нагреваются или охлаждаются с двух сторон. Диафрагма будет изменять свою температуру несколько быстрее, так как она обогревается паром еще из рабочих каналов. При подвеске диафрагмы аналогично обойме смещения их центров будут складываться. Но так как размер а у диафрагмы меньше, да и величина Δt тоже может быть меньше, ее расцентровку относительно обоймы можем принять равной 0,02 мм, а всего расцентровку диафрагмы относительно цилиндра 0,03+0,02=0,05 мм (при мало отличающихся коэффициентах теплового расширения материалов рассматриваемых деталей). Это изменение положения оси может быть направлено как вверх (при увеличении нагрузки), так и вниз (при ее снижении).
Каждая диафрагма, а вместе с ней и обойма, испытывает реактивный момент и может поворачиваться вокруг точки А на величину зазора с. Противодействуют этому силы веса и трения.  

 
Сила веса незначительна, и создаваемый ею момент много меньше реактивного. Сила трения p=F∆pf, где F — площадь диафрагмы (обоймы), Δρ — перепад давлений на нее; f—коэффициент трения в статических условиях значительно больше силы, соответствующей вращающемуся моменту. Однако при вибрации сопротивление трению может уменьшиться, и перемещение диафрагмы (обоймы), выбирающее зазор с, станет возможным. В том же направлении может действовать сила трения в нижней шпонке  (обоймы) относительно цилиндра на величину с/2 при поворачивании вокруг точки А или на величину с — при заедании в нижней шпонке. Зазор с нормально должен быть 0,05—0,1 мм, т. е. немного больше возможного относительного расширения лап.
Так как при повороте или при общем подъеме опорные лапы отстанут, то относительное расширение лап уже не будет играть роли и не должно суммироваться с зазором с. Отсюда следует, что возможное перемещение вверх исчерпывается зазором с, который должен поэтому быть возможно меньше и не превышать заметно величины вероятного относительного теплового расширения опорных лап. Перемещение вниз определяется только величиной Δα. Таким образом, при правильно выбранных зазорах с возможные перемещения центров могут иметь величины, приведенные в табл. 8.

Таблица 8
Величины возможных перемещений центров диафрагм, обойм, уплотнений


Направление перемещения

Обоймы

Диафрагмы

Уплотнения промежуточные

Всего по промежуточным уплотнениям

Обоймы концевых уплотнений

Вверх

0,08

0,05

 

0,13

0,05

Вниз

0,03

0,02

0,02

0,07

0,05

В горизонтальном направлении обойма или диафрагма удерживаются вертикальными шпонками. Если бы такая шпонка могла быть расположена прямо в центре, как указано на фиг. 21 пунктиром, возможные перемещения обоймы или диафрагмы в горизонтальном направлении определялись бы только зазорами с этой шпонки, т. е. величиной 0,08—0,1 мм. Но в центре расположить ее нельзя; при размещении же шпонок вверху и внизу появляются дополнительные причины смещения центра. Первая — вследствие некоторого практически неизбежного несовпадения оси шпонки с осевой вертикальной плоскостью, вторая — от поворота вокруг точки А.  Однако если не говорить об очень грубых отступлениях при изготовлении, обе эти причины дают незначительные дополнительные перемещения, и ими можно пренебречь. Таким образом, горизонтальные перемещения центра определяются зазором с вертикальной шпонки или штифта.
Возможны также горизонтальные перемещения всего цилиндра в пределах зазора в вертикальной шпонке соединения с передним подшипником. Эти перемещения переднего конца цилиндра можно принять равными + 0,06 мм от среднего положения.
Форма оси цилиндра при работе турбины может изменяться весьма существенно. Под исходной формой оси понимаем кривую, являющуюся осью симметрии для уплотнений и направляющих лопаток, установленную при сборке турбины. Кривизна этой линии обусловлена кривой прогиба ротора и получается как за счет прогиба цилиндра, так и в результате специального сбоя при центровке обойм и диафрагм, если кривые прогиба ротора и цилиндра не совпадают. Рассмотрим изменение формы оси только собственно цилиндра, так как оси диафрагм и обойм следуют за цилиндром при его деформации, а собственные их изменения формы осей пренебрежимо малы.
Основной причиной изменения формы цилиндра и изгиба его оси является неравномерность распределения температур по поперечным сечениям цилиндра.
При установившемся тепловом состоянии это неравенство температур может быть в основном следствием конструктивной несимметричности цилиндра, особенно паровпускной части. Например, в случае выполнения паровпускных каналов непосредственно в цилиндре стенки камер, в которые производится впуск пара, будут значительно более горячими, чем камеры, впуска пара в которые на данном режиме нет. Даже вварные паровые коробки вызывают нагрев прилегающей части стенки цилиндра. Сюда же относятся несимметрично расположенные ребра, патрубки, бонки, приливы и т. д. Значительную несимметричность вносят фланцы.
Наличие обводного канала байпасного клапана также вызывает местный нагрев прилегающей стенки.
Однако такая неравномерность температур носит преимущественно местный характер, поэтому она дает гораздо меньший изгиб цилиндра, чем если бы эта неравномерность распространялась на всю его длину.
Работа с малой парциальностью вызывает тепловую несимметричность цилиндра. Особенно это заметно при работе на холостом ходу, когда к тому же общее количество пара мало. Если первый клапан, единственный открытый на холостом ходу, расположен вверху, то температура верхней части цилиндра оказывается существенно выше, чем нижней. Вообще при малых расходах пара обычно температура нижней части ниже, чем верхней. Этому способствует большее охлаждение турбины снизу.
Все сказанное выше о появлении неодинаковости температур при установившемся тепловом состоянии турбины связано с неравномерным подводом тепла. Неравномерный отвод тепла также может быть причиной неодинаковости температур по поперечным сечениям и, следовательно, изгиба.
Местные понижения температуры стенки могут быть следствием отдачи от них тепла ребрам, фланцам, более холодным патрубкам. Оказывают влияние на температуру стенки цилиндра также потери тепла во внешнюю среду.
При хорошей изоляции температура стенки мало отличается от температуры пара и весьма равномерна по окружности.  Изгиб цилиндра по этой причине обычно невелик. Если не говорить о случаях очень плохой изоляции цилиндра или других грубых аномалиях, то прогиб может быть приблизительно принят равным наибольшей стреле прогиба цилиндра, одна сторона которого нагрета меньше другой на 2—3°С.
Далее вопрос о вероятных величинах деформаций цилиндров рассматривается применительно к трем типам цилиндров:

  1. Короткий цилиндр малого диаметра (один, из цилиндров трехкорпусной стационарной или судовой турбины средней мощности, без обойм).
  2. Цилиндр средней длины и среднего диаметра (небольшая одноцилиндровая турбина, один из цилиндров двухкорпусной стационарной или судовой турбины).
  3. Цилиндр сравнительно большого диаметра и длины (одноцилиндровая турбина средней мощности или один из цилиндров крупной многокорпусной турбины).

При разности температур в отдельных сечениях цилиндра 3°С (в среднем по всей его длине) получим следующие значения стрелы прогиба указанных трех типов цилиндров:

При работе на холостом ходу или при малой нагрузке разности температур будут больше принятых 3 оC, поэтому в табл. 9 приняты несколько большие величины деформации цилиндра от разности температур при установившемся его состоянии.
Заметим, что некоторые турбины даже в установившемся тепловом состоянии имеют большие разности температур в соответствующих верхних и нижних точках цилиндра. Так, например, в первой турбине типа СВК-150 на Черепетской ГРЭС эта разность при работе турбины достигала 23—25°С, а при изменении нагрузки была еще больше, несмотря на применение усовершенствованной тепловой изоляции цилиндра. Однако такая разность температур не может считаться нормальной и вызвана особенностями конструкции.

При изменении теплового состояния турбины изгиб оси цилиндра вызывается неодинаковой скоростью изменения температуры в отдельных точках поперечных сечений цилиндра. Это приводит к появлению неравномерности температур в пределах рассматриваемого сечения и вызывает тепловой изгиб цилиндра.
Среди возможных причин следует снова указать на конструктивную несимметричность цилиндра. Большое значение имеет несимметричность, не предусмотренная конструкцией, например, неодинаковая толщина или качество изоляции, вызывающие разную интенсивность отвода тепла, а значит, разную температуру стенки. Важную роль играет разнотолщинность стенок, при наличии которой противоположные части стенок будут нагреваться или охлаждаться с разной скоростью.
При пуске холодной турбины верхняя часть цилиндра нагревается значительно быстрее. С начала нагрева пар в первую очередь заполняет верхнюю часть цилиндра, поэтому она нагревается быстрее, чем нижняя. Затем нагрев нижней половины замедляется стекающим вниз конденсатом. Эга причина действует до момента, пока температуры стенок не станут выше температуры насыщения при имеющемся в данный момент давлении, т. е. почти все время прогрева.
При выборе наибольшей допускаемой разности температур вверху и внизу цилиндра высокого давления турбины 1 при пуске обычно принимается компромиссное решение. Эга величина должна ограничивать деформации в допустимых пределах, одновременно не слишком усложняя и удлиняя пуск.
В инструкциях заводов ЛМЗ и ТМЗ разрешаются разности температур «верх —низ» ∆t=25-35°С. Естественно, что меньшие значения относятся к длинным цилиндрам. Соблюдение этих норм зачастую обуславливает крайне медленный пуск. В конструкциях, приспособленных к быстрому пуску, легко выдержать и меньшую разность Δt. В любом случае допущенная величина Δt означает уменьшение зазоров в уплотнениях, а при слишком малых зазорах — их разработку.
Порядок величин, получающихся при пуске прогибов, можно представить по фиг. 16. Величины прогибов применительно к ранее рассмотренным трем типам цилиндров приведены в табл. 9.
Эти величины значительно больше, чем при установившемся режиме.
Таким образом, сохранение малых зазоров в средней части цилиндра и предотвращение задеваний лимитируется пуском. Особенно велики прогибы у длинных цилиндров малого диаметра; короткие цилиндры большого диаметра меньше боятся разности температур вверху и внизу во время пуска.
Таблица 9
Величина прогиба цилиндров h мм, при пуске в зависимости от разности температур Δt

1 Здесь контроль за деформацией цилиндра особенно важен; небольшие турбины среднего давления чаще всего не контролируются.

Меры для уменьшения искривления оси цилиндра при пуске довольно ограничены: увеличение диаметра и сокращение длины цилиндра, достижение максимальной его симметрии, применение двойного цилиндра, изготовление без конструктивных и технологических отступлений, впуск пара сначала в нижнюю половину цилиндра, улучшение качества изоляции. Значительно снижает температурную разность валоповоротное устройство с большой скоростью вращения—60—100 об/мин.: энергично перемешивая пар, оно обеспечивает более ровный прогрев цилиндра.
Так как конструктивная несимметричность цилиндра относительно вертикальной плоскости незначительна, деформация цилиндра в горизонтальном направлении обычно гораздо меньше, чем в вертикальном (примерно вдвое). Разность температур справа и слева обычно принимается равной 10—20°С.
Кроме неравномерного нагрева, могут быть и другие причины изменения формы оси цилиндра. Среди них можно указать на разную толщину отливок верхней и нижней половин цилиндра, вызывающую неодинаковые напряжения в стенках от внутреннего давления. Для оценки возможной величины изгиба по этой причине рассмотрим пример. Примем отношение толщин стенок а=1,5, напряжение в толстой стенке σ=250 кг/см2 (в продольном направлении), модуль упругости материала E=1,8·106 кг/см2, длину цилиндра 4,5 м, диаметр его 1700 мм. При этих условиях расчетная стрела прогиба составит около 0,10 мм. Этот пример дает, по-видимому, несколько преувеличенный результат, но он показывает, что при напряженном цилиндре большой длины и малого диаметра значительная разность в толщине может вызвать прогиб такой величины, что его уже надо обязательно учитывать.
Изменяться форма цилиндра может и вследствие усилий, передаваемых на него трубами. Усилия эти неопределенны, но можно приблизительно оценить вызываемые ими деформации. Если прогиб от собственного веса статора G равен h, то такой же прогиб будет и от сосредоточенной силы, приблизительно равной —G/2. При весе статора 30 т это составляет 15 т. 

Таблица 10
Ориентировочные величины возможных смещений для трех характерных типов цилиндров, мм

Если такая значительная сила создается присоединенными трубами, то это значит, что совершенно неправильно установлены компенсаторы или грубо нарушены все правила монтажа трубопроводов. Допустимую величину прогиба цилиндра от присоединенных труб можно принять равной (0,2—0,3)h в любую сторону.
Зазоры проверяются при открытом цилиндре, когда его жесткость определяется только нижней половиной. При сболчивании его прогиб существенно уменьшается, что, однако, нельзя считать изменением формы во время работы и должно учитываться при сборке турбины и установке зазоров.
Как видно, возможные смещения отдельных точек цилиндра могут быть резко различными при пуске турбины и во время ее работы. Некоторые из них носят случайный, незакономерный характер, например изгиб от давления присоединенных труб. Если деформация вызывает задевания, то это приводит к износу уплотнений и к увеличению зазора. Поэтому для назначения реально возможного минимального зазора надо учесть возможные деформации, свойственные данной конструкции и неизбежные при средних нормальных условиях эксплуатации, а не аварийных.
В табл. 10 даны величины средних вероятных смещений по трем характерным типам цилиндров для периодов пуска и работы с нагрузкой. В таблице ориентировочно учтены: подъем лап цилиндра; прогибы цилиндра от нагрева и от давления труб; убывание от середины к концам цилиндра амплитуды вибрации, особенности конструкции и размеров цилиндра.
Приведенные данные являются приблизительными, но они показывают характер возможных деформаций рассматриваемых цилиндров при пуске и нормальной работе. Заметна разница в смещениях отдельных точек около уплотнений и в середине. Видны возможности уменьшения деформации цилиндра и необходимость разного подхода при выборе радиальных зазоров в зависимости от конструкции и размеров цилиндра.
На основании табл. 10 построена диаграмма возможных положений центров статора (фиг. 22). Так как практически совпадение максимальных значений всех смещений маловероятно, на этом же графике ориентировочно показаны реально ожидаемые смещения, подлежащие учету при назначении зазоров.