Оценка конструкций паровых турбин - Введение

В соответствии с положениями марксистско-ленинской диалектики, никакой критерий качества не может рассматриваться как абсолютный. Качественная оценка меняется с изменением внешних условий, определяемых в основном уровнем развития техники. Что вчера было хорошо, сегодня уже не удовлетворяет возросшим требованиям, а что хорошо сегодня — завтра будет устаревшим. Когда-то отброшенное и замененное лучшим может вернуться вновь в более совершенных формах и оцениваться как новое, прогрессивное.
Мы в состоянии правильно судить о прошедшем, проверенном ходом последующего развития, и имеем достаточно знаний и опыта для верной характеристики настоящего. Но для оценки с точки зрения будущего мы располагаем лишь научно обоснованным знанием общего направления развития. Между тем каждая вновь создаваемая конструкция должна «смотреть в будущее» —  ведь ей придется работать много лет.
По мере развития паровых турбин и усложнения условий работы их элементов обнаруживались новые явления и новые слабые места. Они приводили к авариям и требовали больших усилий для своего изучения и преодоления. Так, например, рост температуры пара ограничил применение чугуна для ряда деталей, а также латуни для лопаток.
Повышение мощности турбин привело к необходимости увеличения длины лопаток и нагрузки на них. Начались поломки лопаток вследствие ранее незамечавшейся вибрации. До [этих аварий вибрация частей турбины не учитывалась, никто с возможностью поломок по этой причине не считался, и опасность вибрации для сравнительно жестких турбинных лопаток и многих других деталей турбины не учитывалась.
Повышение давления пара вызвало утолщение стенок корпуса, увеличение масс металла. Изменение температуры толстых стенок и фланцев происходит медленно, в процессе прогрева возникают большие внутренние напряжения, а как их следствие — перекосы, искривления, трещины. Для их предупреждения или ограничения потребовались специальные меры при конструировании и эксплуатации паровых турбин. Достижение и поддержание необходимой плотности разъемов стало сложной задачей; в связи с этим получили широкое распространение сварные соединения. Так. повышение давления пара наложило своей отпечаток на конструкции элементов турбин.
Наиболее существенные изменения в устройстве и эксплуатации турбин внесло дальнейшее повышение температуры пара — особенно сверх 420—450оС. При таких температурах свойства стали уже нельзя рассматривать как нечто неизменное, обладающее характерными постоянными свойствами твердого тела. Металл, как говорят, «течет». В расчеты вошел фактор времени, стала учитываться долговечность деталей. Физические свойства металлов, применяемых при особо высоких температурах, резко отличны от свойств углеродистых или среднелегированных сталей, применяемых для деталей с умеренной рабочей температурой. Все это вызвало идею двухстенного корпуса с поршневыми соединениями, гибкую или скользящую связь сопловых коробок с цилиндром, повышенные требования к симметричности корпуса, соблюдение ряда жестких требований в эксплуатации к соблюдению определенного температурного режима горячих частей турбины при эксплуатации.
Рост единичных мощностей и повышение параметров пара вместе со стремлением к сокращению числа корпусов турбины вызвали повышенные требования к сохранению в процессе работы формы и взаимного положения деталей. Это вызвало новые, усовершенствованные способы соединения корпусов с подшипниками и многие другие конструктивные и эксплуатационные мероприятия.
Возможность получения экономии топлива путем совместной выработки электроэнергии и тепла вызвала появление турбин с регулируемым отбором пара, что также оказало значительное влияние на конструкции турбин.
Приведенные примеры показывают, как со временем меняясь, а значит, и впредь будут меняться условия работы турбины и отдельных ее частей. Соответственно должны быть различны и конструктивные решения для удовлетворения этим условиям. Следовательно, критерий качества конструкции турбины (как и любой машины) или отдельной ее части не может быть постоянным и имеет смысл только в связи с определенными условиями и предъявляемыми требованиями.
Это первое положение, которым нужно руководствоваться при анализе и оценке качества конструкций турбин.
Второе положение заключается в том, что качество конструкции любой детали или устройства турбины должно оцениваться только с учетом взаимодействия их со смежными деталями и устройствами, влияющими на их работу, а также с учетом работы турбины в целом.
Это второе положение, характеризующее значение взаимосвязи различных элементов конструкции, может быть проиллюстрировано следующими примерами.
Выполнение уплотнений с малыми зазорами требует соблюдения целого ряда условий, без чего эти зазоры недопустимы, часто даже опасны и во всяком случае не сохраняются вовремя работы турбины. К числу таких условий относятся малая длина корпуса, опирание корпуса турбины в плоскости разъема, малые масляные зазоры в подшипниках, жесткий ротор турбины и др. При необходимости сохранения малых зазоров конструкции, удовлетворяющие этим условиям, являются положительными. В других случаях те же самые свойства конструкции могут быть отрицательными: малая длина корпуса означает обычно малую экономичность турбины или многокорпусное исполнение ее (т. е. удорожание); опирание корпуса в плоскости разъема усложняет его конструкцию; малые зазоры в подшипниках снижают их несущую способность; жесткий ротор вызывает увеличенную утечку пара через уплотнения и т. д.
Зубчатая или кулачковая соединительная муфта с короткой базой дешевле и компактнее муфты, имеющей длинную базу, и применение ее, казалось бы, предпочтительнее во всех случаях. Однако муфты с короткой базой приемлемы лишь при соединении «однотипных» (по поведению во вкладыше подшипника) валов, у которых во время работы не может быть заметной расцентровки. Та же самая конструкция муфты окажется совершенно непригодной, если расцентровка валов во время работы неизбежна и может быть значительной. Здесь уже будет целесообразнее муфта с длинной базой. Так условия работы вала в подшипниках влияют на оценку конструкции соединительной муфты.
В свете высказанных основных положений и ведется в дальнейшем весь разбор вопросов качества конструкции турбин.
Можно сказать, что «вообще хороших» конструкций нет, но есть конструкции хорошие для определенного времени, условий работы и изготовления.