Все детали в узле и все узлы любой машины находятся во взаимосвязи, в результате которой их совокупность и составляет цельную машину с определенными характеристиками.
Среди показателей качества важное значение имеет не только соответствие рассматриваемой детали, узла условиям работы, особым требованиям, но и взаимодействие с соседними, функционально связанными деталями и узлами.
Оценка конструкции любой детали или узла зависит от особенностей соседних узлов. Часто конструкция безусловно хорошая для одних условий, для других оказывается неудовлетворительной. Следовательно, оценка качества конструкции отдельно взятых детали или узла невозможна. На первое место здесь выступает взаимосвязь: в какой степени данное решение хорошо с учетом той или иной конструкции смежных узлов. Так, например, вполне целесообразные во многих отношениях вильчатые хвосты лопаток становятся малопригодными при малом расстоянии между дисками или для цельнокованых роторов. Весьма пригодные для барабанного ротора зубчиковые хвосты с симметричным зубом нежелательны для дисков, так как вызывают необходимость утолщения последних.
В свете указанной взаимосвязи и ведется рассмотрение и оценка конструкции элементов турбины. Существует еще более широкая связь между узлами и деталями машины, объединяющая несколько частных решений в одно общее, логически оправданное цельное решение, которое можно назвать комплексным. В нем частные решения могут приобретать новые качества. Поэтому при оценке следует каждую деталь или узел рассматривать как часть определенного комплекса. В зависимости от общих и частных поставленных перед конструкцией задач оценка того или иного элемента будет различной. К частным задачам можно отнести такие, как повышенные требования экономичности, быстрота пуска, изготовление турбины без применения крупных поковок и отливок, малый общий вес и т. д.
Ниже приводится несколько примеров взаимосвязи элементов конструкции и типичных комплексных решений.
Раньше при умеренных параметрах пара и небольших мощностях считалось, что вал должен быть защищен втулками. Диски делались насадными; температуры были невелики. В этих условиях втулки надежно защищали вал, уменьшали нагрев его переднего конца, позволяли применять сменные елочные и другие точеные уплотнения. Втулки сажали на пояски, чтобы уменьшить их теплообмен с валом. Никаких сомнений работа втулок не вызывала.
С переходом на высокие параметры пара насадные втулки оказались непригодными и неоднократно являлись источником аварий. Вместе со втулками отпали елочные уплотнения и были созданы другие конструкции уплотнений. Сохранившиеся почему-либо втулки делаются теперь из высокопрочных материалов, со сплошной посадкой на вал для усиления теплообмена и уменьшения температурной разницы между ними и валом. Оценка роли защитных втулок в корне изменилась.
При насадных дисках и других деталях ротора соединительная муфта обязательно должна быть съемной; если же таких деталей нет, то нет нужды и в съемной муфте. Она может быть в в этом случае сделана за одно целое с валом, что обходится гораздо дешевле и сокращает длину ротора.
Применение фирмой ВВС лопаток с высаженными хвостами и Зубчиковыми промежуточными телами служит хорошим примером правильного комплексного решения одного из элементов конструкции турбины. Используется оно в реактивных турбинах для небольших по высоте лопаток. При свойственном реактивным турбинам большом числе лопаток особо важно удешевление облопачивания. В данном случае изготовление облопачивания просто и дешево, так как для него используется прокат окончательного профиля, не подвергающийся дальнейшей механической обработке. Изготовление сводится к нарезке заготовок, заострению внешнего торца и высадке ножки. Нагрузка на лопатки мала: от центробежных сил — ввиду небольшой длины лопаток и расположения их обычно на небольшом диаметре, от парового изгиба — из- за большого числа ступеней и, следовательно, малого перепада на ступень. Зубчиковый хвост прост в изготовлении, дает надежное закрепление промежуточных тел, между которыми зажимается лопатка. Промежуточные тела тоже могут изготовляться из светлокатаного профиля с последующим снятием конуса. Благодаря особенностям реактивных профилей промежуточное тело «вывертывается» в пазу и может быть заведено в него в любом месте. Поэтому специальные замковые колодцы обычно не требуются.
Недостатки зубчиковых хвостов, связанные с появлением распорных усилий, при барабанном роторе не сказываются. При больших нагрузках от центробежных сил лопатки с высаженным хвостом непригодны, однако в описываемом случае эти нагрузки не превышают умеренных. Преимущества же такого хвостового соединения сохраняются в полной мере. В то же время применение высаженных хвостов за пределами указанной области едва ли целесообразно
Приведем еще один пример. Длительные споры ведутся о преимуществах колодок упорного подшипника с баббитовой заливкой или без нее. Рассмотрим только одну сторону этого вопроса, связанную с работой защиты от осевого сдвига. Как гидравлическая, так и электроиндукционная системы защиты для предупреждения ложных отклонений требуют довольно значительного перемещения упорного гребня, т. е. срабатывания или сплавления упорных колодок. При наличии баббитового слоя сплавление происходит очень быстро, и турбина уже этим защищается от некоторых вредных последствий сплавления: упорный гребень не портится, масло не засоряется. Затем быстро происходит отключение. Если же баббитовой заливки нет, то срабатываться будет сама колодка, что происходит медленнее и сопровождается гораздо большим нагревом, повреждением рабочей поверхности упорного диска, загрязнением масла бронзовой пылью. Всем этим аварийное состояние затягивается, и отключение происходит уже при гораздо худшем состоянии машины. Поэтому применение колодок без баббитовой заливки при защитных устройствах указанного типа менее желательно.
Так устанавливается связь между конструкцией колодок упорного подшипника и типом защиты от осевого сдвига
Хорошим примером комплексного подхода могут служить некоторые конструктивные решения судовых турбин фирмы «Дешимаг». Стремясь снизить утечки в уплотнениях, фирма пошла на очень малые зазоры в них. В частности, зазоры в уплотнении диафрагм предусмотрены равными всего 0,15 мм, что составляет от 1/1000 до 1/2000 ее диаметра. Такие необычно малые зазоры, казалось бы, недопустимы, так как точеные уплотнительные кольца жестко закреплены в диафрагмах посадкой типа ласточкина хвоста (фиг. 64) и задевание такими уплотнениями незащищенного втулками вала очень опасно для него. Однако в конструкции принят ряд мер, которые, по-видимому, обеспечивают работу с указанными малыми зазорами или лишь с небольшой их разработкой. Совокупность этих мероприятий представляет значительный интерес.
Для многоцилиндровой турбины, конструкция т. н. д. которой приведена на фиг. 33 (три или четыре цилиндра турбины переднего хода), характерны короткие роторы, малая длина и большая жесткость цилиндров. Хорошо расположенные патрубки не способствуют увеличению их деформаций, чем достигается сохранение их формы и стабильность взаимного положения каждого цилиндра и ротора. Эта стабильность усиливается продуманной центровкой и подвеской в цилиндрах диафрагм с жестко закрепленными в них уплотнениями. В этой конструкции применены редко встречающиеся в паровых турбинах подшипники с малыми зазорами (см. фиг. 47), дающие почти неизменное положение оси вала в подшипнике как при сборке, так и при работе турбины. Наконец, для устранения влияния вала шестерни редуктора на ротор турбины оба вала соединены подвижной муфтой с длинной базой.
Фиг. 33. Т. н. д. судовой турбины фирмы «Дешимаг».
Известны, например, комплексы конструктивных приемов для обеспечения быстрого пуска турбин, направленных главным образом на быстрый и равномерный прогрев:, устранение горизонтального разъема цилиндра, симметричный подвод пара, создание возможно более тонких или обогреваемых с двух сторон стенок, обеспечение одинакового расширения в осевом направлении цилиндра и ротора и др. Хотя в других случаях неудобства от отсутствия горизонтального разъема бывают слишком велики, симметричный подвод пара усложняет конструкцию и т. д.
Особенно влияет на конструкцию элементов турбины температура свежего пара, рост которой приводит к качественно иным решениям. Повышение начальной температуры пара всегда оказывает влияние на конструкцию: изменяются свойства материалов, растут величины расширений, как правило, увеличиваются температурные напряжения. Однако сначала происходит лишь накопление количественных изменений этих величин, пока температура не превысит определенного предела, разного для разных материалов. После перехода этого предела температуры, связанного с рекристаллизацией металла, наступает уже качественное изменение процессов, происходящих в металле под влиянием действующих напряжений. Этот скачок вызывается изменением характера разрушения. До указанного температурного порога деформация происходит по зернам металла, как более слабым элементам структуры, т. е. носит транскристаллитный характер. При температурах выше этого порога разрушение носит интеркристаллитный характер, зерна не деформируются и упрочнение не происходит или снимается происходящей одновременно рекристаллизацией. Материал в этих условиях обладает уже не упругими, а пластическими свойствами, чем и объясняется явление ползучести. Таким образом, ползучесть проявляется только при достижении некоторой зоны температур, ниже которой она совершенно не наблюдается.
Более высокий температурный порог рекристаллизации имеют стали, сохраняющие аустенитную структуру при охлаждении до комнатной температуры. Поэтому ползучесть в сталях аустенитного класса проявляется при более высоких температурах и скорость ее при той же температуре меньше, чем у сталей иных структур. Стали аустенитного класса более подходят для работы с большими напряжениями при высоких температурах. Однако сохранение устойчивой аустенитной структуры при комнатной температуре возможно только при сильном легировании стали, главным образом никелем и хромом. Такие стали значительно дороже среднелегированных или легированных более дешевыми компонентами. Кроме того, при аустенитной структуре металла значительно изменяются его физические свойства, что может вызвать ухудшение работы некоторых деталей. Особенно сильно влияют на конструкцию элементов турбины резкое уменьшение теплопроводности и возрастание коэффициента линейного расширения.
При температурах ниже обуславливающих ползучесть металла свойства материалов и размеры деталей постоянны во времени, напряжения находятся в пределах упругих деформаций, свойства материалов сопрягаемых деталей отличаются мало. Суждение о свойствах применяемых материалов производится по их характеристикам при комнатной температуре, основанным на упругих свойствах этих материалов. Расчет ведется по временному сопротивлению, пределу текучести или пределу пропорциональности.
Когда появляется ползучесть, соответствующие элементы конструкции начинают работать в совершенно иных условиях, что не может не отразиться на предъявляемых к ним требованиях, а значит и на их оценке. В этих случаях свойства материалов и размеры деталей со временем меняются, расчет ведется по пределу длительной прочности и пределу ползучести, т. е. на допустимую пластическую деформацию за определенное время. Разные физические свойства аустенитных и перлитных сталей приводят к иному выполнению сопряжений деталей из этих материалов по сравнению с сопряжением из однотипных: лопатки в диске вместо плотной посадки устанавливаются с зазорами, выбираемыми лишь при нагреве; посаженный с натягом на перлитный вал аустенитный диск освобождается при нагреве до рабочей температуры. И то и другое в конструкциях, работающих при умеренных температурах,, считалось бы неприемлемым. Применение для высоких температур деталей из неаустенитных материалов, но с искусственным охлаждением приводит к существенным температурным напряжениям в них, что в конструкции, рассчитанной на умеренные температуры, считалось бы крупным дефектом. В расчет приходится принимать такие факторы, как окалинообразование, нестабильность структуры и механических свойств и другие, отсутствующие при умеренных температурах.
Указанные особенности аустенитных сталей и высокие температуры пара в современных конструкциях турбин приводят к целому комплексу мероприятий, направленных на устранение вредного влияния больших расширений, изменения размеров, натягов и зазоров, высоких температурных напряжений.
