ЧАСТЬ II
КОНСТРУКЦИИ ТУРБИН И ИХ УЗЛОВ
ГЛАВА 1
ВЫБОР ОБЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ АГРЕГАТА
Значение того или иного принципа или частного решения, на котором основана конструкция турбины, зависит от условий ее работы и предъявляемых к ней требований.
Особенно важно требование высокой экономичности. При большом годовом числе часов использования турбины даже незначительное уменьшение расхода пара означает существенную экономию топлива и по расчету оправдывает дополнительные средства, затраченные на повышение экономичности. Так, например, при расходе пара турбиной 200 т!час снижение его в 1% даст, при средней цене топлива, экономию около 15000 руб. в год, что может окупить даже значительное удорожание турбины, вызванное поднятием ее экономичности.
Практически не всегда удается получить такую большую экономию. В реальных условиях эксплуатации топливо легче теряется, чем экономится; от чисто эксплуатационных причин может быть потеряно топлива намного больше, чем сэкономлено за счет усложнения конструкции турбины. Потеря в 1% может быть вызвана, например, неплотностью продувочной арматуры. Большими могут быть и другие эксплуатационные потери: из-за неплотностей вакуумной системы, вследствие загрязнения конденсатора или повышения температуры охлаждающей воды, перерасход топлива может достигать 3—5% и больше. При возможности таких потерь в эксплуатации выигрыш в экономичности, равный 0,2—0,3% и достигаемый ценой усложнения турбины, обычно не имеет существенного значения и не реализуется. Вместе с тем мероприятия по снижению расхода пара, не усложняющие конструкцию и не ухудшающие ее эксплуатационных качеств, должны проводиться даже при небольшом ожидаемом экономическом эффекте.
Против погони за повышением экономичности любой ценой говорит также некоторое снижение надежности турбины при ее усложнении. Бесспорно, что каждая добавочная ступень, регулирующий клапан, подшипник, муфта и так далее, лишний отбор пара на регенерацию с установкой соответствующего подогревателя, любое уменьшение зазоров снижает надежность. Вероятность износа, заеданий и других нарушений в работе узлов в какой-то степени пропорциональна количеству этих узлов. Чем их больше, тем больше вероятность аварии. А одна аварийная остановка может вызвать больше убытков, чем полученная экономия за несколько лет.
Посмотрим, как отражаются на конструкции турбины те или иные ее характеристики и предъявляемые к ней требования.
На общей конструкции турбины сильно отражаются ее мощность и начальные параметры пара. С увеличением мощности растет расход пара в конденсаторе. Рациональный, с малыми потерями, пропуск этого пара сопряжен с большими трудностями. Можно сказать, что предельная мощность турбины обусловливается возможностями ее выхлопа. При этом объемный расход пара через последнюю ступень зависит не только от мощности турбины, но в сильной степени и от температуры охлаждающей воды. При изменении ее с 20 до 10°С он увеличивается примерно в полтора раза.
Пропускная способность определяется выходной площадью последней ступени и скоростью пара. Увеличение скорости пара означает потерю, даже с учетом восстановления части этой скорости в давление в выхлопном патрубке. Поэтому принимаются меры по уменьшению весового количества пара и по увеличению выходной площади последней ступени.
Расход пара через последнюю ступень можно уменьшить путем повышения экономичности турбины, большего развития регенерации, использования пара из отборов для других нужд, применением ступеней Баумана, причем эти меры возможны и рентабельны чаще всего именно при увеличении мощности. Так, например, показанная на фиг. 115 турбина имеет восьмиступенчатый подогрев питательной воды, в турбинах СВК-150-1 и ПВК-200-1 (фиг. 105 и 106) двойной выхлоп и применена ступень Баумана.
Развитие выходной площади возможно путем увеличения числа выхлопов и высоты лопаток, а также снижения числа оборотов. Первый путь применяется независимо от других во всех современных крупных турбинах, как наиболее простое и эффективное средство. Существенное увеличение высоты лопаток возможно в настоящее время только за счет снижения запаса прочности или применения более прочных материалов (в частности, титановых сплавов), так как конструктивные возможности облегчения лопаток почти исчерпаны. Снижение числа оборотов ротора является хорошим средством увеличения выходной площади, но возможно лишь в двухвальных агрегатах или не связанных с работой на определенном числе оборотов. Рост высоты лопаток при этом не связан с увеличением напряжений. Высота лопатки последней ступени турбины, показанной на фиг. 114, составляет 1168 мм, что позволяет ограничиться только двумя выхлопами при мощности 300 мгвт.
Практически применяются комбинированные решения, предусматривающие и сокращение расхода пара и увеличение выходной площади.
Другие элементы турбин при наибольших применяемых сейчас мощностях не достигают предельных значений: при одновальном исполнении и большой мощности турбины эти детали сильно напряжены. Поэтому муфты пригодны только жесткие, валы имеют большие диаметры, велики скорости вала в подшипниках.
Резкий отпечаток на конструкцию турбины накладывают начальные параметры пара. При высоком давлении и температуре пара стопорный и регулирующий клапаны, клапанные и сопловые коробки и сами сопла, первые ступени ротора, уплотнения части высокого давления, горячие части цилиндра и его фланцевые соединения работают в тяжелых условиях. Можно сказать, что верхнее допустимое значение начальных параметров пара определяется паровпускной частью.
Повышение параметров пара делает почти неизбежной многоцилиндровую конструкцию турбин, чрезвычайно усложняет ц.в.д., вызывает двухстенные и другие специфические конструкции цилиндра (фиг. 107 и 111), а также бесфланцевых клапанов (фиг. 95), остро ставит вопрос о материалах и о термических напряжениях в деталях.
Тип турбины также влияет на ее конструкцию. Для турбин с с отборами пара характерны выводы труб большого диаметра, что в крупных турбинах представляет огромные трудности, особенно при низком давлении в камерах отбора. Иногда приходится делать выводы вниз и вверх или применять прямоугольные патрубки большого сечения. Для размещения патрубков приходится иногда увеличивать число цилиндров. Крупные турбины высокого давления с двумя регулируемыми отборами пара, особенно для ступенчатого подогрева сетевой воды, принадлежат к числу наиболее сложных типов.
Конденсационные турбины значительно проще. Они работают в меньшем диапазоне изменения расходов пара, что облегчает парораспределение. Однако на них чаще всего применяется промежуточный перегрев, усложняющий турбину, и все мероприятия по повышению к. п. д. Конденсационными же являются турбины наиболее крупных мощностей.
Турбины с противодавлением конструктивно наиболее просты.
Особенности работы судовых турбин обуславливают сильное отличие их от стационарных. Больше всего это относится к турбинам, вращающим гребной винт через редуктор; для них характерна многоцилиндровая конструкция и возможность каждой части работать при своем, наивыгоднейшем для нее числе оборотов. Габариты судовых турбин ограничены размерами помещений и возможностями разборки. Фундамент немассивный, значительно менее жесткий, чем у стационарных турбин, и существенно деформируется вместе с корпусом корабля; турбина не должна бояться этих деформаций. Качка и толчки не должны расстраивать работу турбины, почему, в частности, предпочтительнее многокорпусные турбины с небольшими цилиндрами, подвижные муфты, гибкие опоры вместо скользящих, подшипники со стабильным положением в них вала. Обязателен быстрый пуск и легкость изменения режима работы при маневрах. Для реверсирования необходимы ступени заднего хода. Холостое вращение ступеней переднего хода при работе на заднем ходу вызывает их нагрев, для борьбы с которым принимаются специальные меры. Для поднятия экономичности при малой нагрузке турбины имеют ступени малых ходов, байпасируемые при переходе на полный ход. Прогрев при пуске может производиться только на валоповоротном устройстве; с такого состояния турбина пускается уже сразу на ходовой режим. Турбины работают с переменным числом оборотов, при сравнительно неглубоком вакууме.
Приведенные особенности судовых турбин отражаются на их конструктивном выполнении и определяют свои особые требования к нему.
Влияет на общую конструкцию турбины способ поддержания экономичности в широком диапазоне изменения расходов пара.
При двухвенечной ступени скорости в качестве регулирующей снижается давление пара перед второй ступенью, что позволяет облегчить цилиндр, уменьшить утечки пара через переднее уплотнение, получить большую высоту лопаток второй ступени, сократить общее количество ступеней и длину турбину; при этом будет меньшее снижение экономичности на отклоненных режимах. С конструктивной точки зрения двухвенечная регулирующая ступень дает огромные преимущества для турбины в целом.
Увеличение числа клапанов, снижая потери на промежуточных режимах, чрезвычайно усложняет турбину. Оно выполняется проще при установке клапанов непосредственно на турбине, особенно при невысоких параметрах пара. Так, например, довоенная турбина ХТГЗ мощностью 50 мгвт при 1500 об/мин. имела 9 клапанов. При размещении их вне турбины вряд ли будет целесообразна установка больше шести клапанов из-за необходимости увеличения числа труб.
Байпасирование с целью поддержания экономичности в широком диапазоне изменения расхода пара ухудшает конструкцию турбины. Наружный байпас ставит цилиндр под полное давление и температуру пара, что заставляет утолщать стенки, фланцы и болты, развивать переднее уплотнение. Возникают потери в байпасированных ступенях и их нагрев до температуры, иногда более высокой, чем температура свежего пара. Увеличивается несимметричность цилиндра. Все эти недостатки растут с повышением параметров пара; поэтому наружный байпас в турбинах высокого давления не применяется. Внутренний байпас, существенно поднимая экономичность турбины на отклоненных режимах, обладает меньшими недостатками. Однако и при нем усложняется парораспределение, ухудшается форма цилиндра, повышается среднее давление в нем и т. д.
Приведенные приемы поддержания экономичности используются в первую очередь для турбин с большим диапазоном изменения расхода пара, турбин с отборами пара и судовых. В конденсационных турбинах, несущих базовую нагрузку, эти мероприятия обычно не оправдываются.
На выбор конструкции турбины влияет также производственный опыт того или иного завода. Каждый завод придерживается своего направления в конструировании и без особой необходимости не отступает от проверенных в изготовлении и эксплуатации конструкций, хотя они и не являются, может быть, наилучшими.
В значительной степени навыками заводов объясняется использование активного или реактивного принципа работы турбины, так как нельзя признать безусловно лучшим тот или другой принцип. Уже одно многообразие сравнительных показателей исключает однозначный ответ о их преимуществах.
Стоимость активных и реактивных турбин не должна заметно отличаться. Ступеней в реактивной турбине больше, но они, как правило, стоят дешевле. Эти турбины получаются несколько длиннее. Преимущество реактивных турбин — отсутствие в них диафрагм и промежуточных уплотнений.
При одинарном цилиндре цельнокованый ротор активной турбины нагревается слишком быстро. Реактивные турбины в этом отношении находятся в лучшем положении и обычно дают меньшие относительные осевые перемещения ротора и статора.
К. п. д. реактивных турбин сильно зависит от величины радиальных зазоров. Для выдерживания малых зазоров необходимы меры по сохранению взаимного положения ротора и статора, в частности нужно делать короткие, симметричные, мало деформирующиеся цилиндры. Эго затрудняет выполнение экономичных реактивных турбин одноцилиндровыми. Активные турбины могут работать с большими зазорами, что способствует повышению надежности.
Судовые турбины выполняются чаще реактивными, что, по-видимому, имеет больше исторические, чем технические обоснования.
Важен выбор числа цилиндров. Одноцилиндровое исполнение турбин средней и большой мощности сильно затрудняет развитие проточной части. Эго приводит к дополнительным потерям, к недоиспользованию резервов поднятия экономичности. Одноцилиндровые конденсационные турбины отличаются более длительным и трудным пуском; им свойственно большее изменение взаимного положения ротора и статора, а следовательно, работа с большими зазорами.
Выполнение многоцилиндровой турбины может быть вызвано разными соображениями:
- невозможностью размещения необходимой проточной части в одном цилиндре;
- недостаточностью одного ц. н. д. для пропуска пара;
- задачей создания для каждой из частей турбины наивыгоднейшего числа оборотов ротора;
- необходимостью деления мощности в случае применения редуктора, так как большую мощность передавать одной шестерней затруднительно и невыгодно;
- стремлением уменьшить разность температур при входе в цилиндр и при выходе из него;
- требованиями снизить расход высоколегированной стали и уменьшить размеры ротора.
При выборе числа цилиндров следует учитывать, что, как правило, одноцилиндровая турбина стоит дешевле, многоцилиндровая — экономичнее в эксплуатации. Предпочтение того или иного варианта зависит от общей или частной конъюнктуры, действующей в момент выбора и ожидаемой.
Вес турбины и расход металла на ее изготовление мало зависят от числа цилиндров; общий вес многоцилиндровой турбины обычно лишь на 10—20% больше, чем одноцилиндровой.
Надо заметить, что важен не только общий расход металла, но и структура расхода. В этом отношении многоцилиндровые турбины, имея больший вес, находятся, однако, не в худшем положении. В то время как материал всего цельнокованого ротора одноцилиндровой турбины дорогой, так как выбирается по температуре его наиболее нагретой части, в многоцилиндровой турбине из дорогостоящего металла может быть сделан только ротор ц.в.д. То же относится и к цилиндрам. Далее, увеличенный вес многоцилиндровых турбин в значительной мере вызван весом корпусов подшипников и их фундаментных плит, т. е. сравнительно недорогих чугунных отливок. В то же время вес роторов и цилиндров часто вполне сопоставим или даже оказывается у многоцилиндровых турбин меньше.
Трудоемкость изготовления выше у многоцилиндровых турбин, вследствие большего количества деталей.
В многоцилиндровой турбине больше возможности правильно построить проточную часть, особенно если могут быть применены различные числа оборотов для частей высокого и низкого давления. Вместе с тем в такой турбине возникают дополнительные потери — в подшипниках, уплотнениях, ресиверах, что снижает общий выигрыш в экономичности.
Один из крупных минусов многоцилиндрового исполнения — большой объем ресиверов. Аккумулированный в них пар способствует разгону турбины при сбросе нагрузки.
Как видно, доводы в пользу как одноцилиндрового, так и многоцилиндрового исполнения не дают однозначного решения. Все же можно считать правильной общую тенденцию к сокращению числа цилиндров; чрезмерное их число создает большие неудобства в эксплуатации, снижает ее надежность.
Преимущество того или иного решения зависит также от поставленных частных задач. Так, например:
- быстрый пуск легче осуществляется при делении турбины на несколько корпусов;
- наивысшая экономичность достигается в многокорпусных турбинах, особенно при разных числах оборотов ц. в. д. и ц. н. д.;
- наибольшая мощность может быть получена в многоцилиндровой турбине с разным числом оборотов ц. в. д. и ц. н. д.;
- наименьшая длина, а также в большинстве случаев наименьшие вес и цена будут при одноцилиндровом исполнении;
- наибольшая длительность кампании между ремонтами легче достигается в многоцилиндровых турбинах;
- размеры и вес крупных заготовок меньше в многоцилиндровых турбинах;
- турбину легче приспособить к условиям разных заказов при большом количестве цилиндров и т. д.
Последний пункт для внутреннего рынка СССР не является существенным: все важные параметры турбин регламентируются ГОСТ. Другое положение у заводов, работающих на мировой рынок. Там приходится считаться с исторически сложившимся существованием разнообразных параметров пара, мощностей генераторов и котлов, а также с особыми пожеланиями заказчиков. Наряду с распространенными конструкциями, выпускаемыми средними, иногда даже большими сериями, значительное количество турбин изготовляется всего по 2—3 штуки для одного только заказа. Затраты на поиски наилучшего решения для каждой индивидуальной турбины слишком удорожали бы ее. Поэтому выгоднее приспосабливать под полученное задание уже разработанные конструкции турбин, вводя в них необходимые изменения и добавления. Такой путь характерен для многих иностранных фирм. Примером может служить фирма ВВС, поставляющая турбины почти во все страны мира. Типичное для этой фирмы многоцилиндровое исполнение турбин, возможно, объясняется именно разнообразием получаемых заказов. Даже сравнительно небольшие турбины редко делаются этой фирмой одноцилиндровыми. В крупных же турбинах число цилиндров составляет три или четыре. Изменяя только ц. в. д., можно приспособить такой агрегат к другим начальным параметрам пара, а заменяя только ц. н. д.— к другой температуре охлаждающей воды.
Многоцилиндровые турбины длиннее и на 10—20% дороже одноцилиндровых. Однако увеличение длины турбины может вызвать при строительстве электростанции значительно большее удорожание.
При поперечном расположении турбогенераторов в машинном зале удлинение турбины требует увеличения ширины зала. Для ее сокращения важно также рациональное расположение стопорного клапана, подогревателей и других устройств. При продольном расположении в машинном зале длина турбины имеет меньшее значение.
Ширина турбоустановки определяется главным образом размерами конденсатора с учетом места для чистки и выемки его трубок, и представляет мало возможностей для сокращения. Сокращение можно было бы осуществить, например, при продольном расположении конденсатора. Однако такая компоновка по ряду причин не заслуживает предпочтения.
Очень много места занимают в машинном зале подогреватели и бойлеры. Площадь, занимаемая турбоустановкой, может быть существенно уменьшена применением встроенных в конденсатор подогревателей ц. н. д., размещением нескольких подогревателей в одном корпусе и расположением бойлеров под турбиной.
Высота установки определяется размерами и конструкцией выхлопного патрубка, высотой конденсатора и величиной подпора на всасывании конденсатного насоса. Снизить высоту турбоустановки можно специальным конструированием выхлопной части и конденсатора и применением вертикальных конденсатных насосов для работы с малым подпором. Таким путем уменьшают, например, высоту судовых установок. Также может быть хорошим решением расположение конденсаторов не под турбиной, а по бокам.
Стопорные и регулирующие клапаны могут быть размещены на турбине или отдельно от нее.
Раньше регулирующие клапаны устанавливались только на турбине. Такое решение было естественным, поскольку требуемая по тем условиям прочность общей клапанной коробки достигалась без труда, а симметрия цилиндра не играла особой роли. В дальнейшем такие простые решения уже не были достаточны: появились вставные сопловые коробки АЕГ, симметричные конструкции цилиндров ДЖИИ (с клапанами сверху и снизу), отдельные приварные коробки. Вместе с тем возникло стремление снять клапанные коробки с цилиндра и установить их отдельно в виде специального блока, так как при размещении их на цилиндре турбина получается сложнее и дороже, чем при отдельной установке. Кроме того, при высоких параметрах пара клапаны настолько сложны и работают в таких трудных условиях, что лучше исключить взаимное влияние цилиндра и клапанов и применять их раздельную установку.
Отдельная установка регулирующих клапанов часто применяется благодаря своим многим преимуществам, меньшей стоимости, большей простоте и симметричности цилиндра, лучшим условиям прогрева, простоте в этом случае обшивки турбины, удобству разборки и др.
Стопорный клапан может устанавливаться непосредственно на турбине только при небольшой ее мощности и при умеренном давлении пара. В остальных случаях он ставится отдельно. Основные трудности при этом возникают с компенсацией паропроводов.
Соединительные муфты роторов передают большие мощности и работают в тяжелых условиях. Каждый вал при соединении с помощью подвижной муфты должен иметь два опорных и один упорный подшипник. При соединении жесткой муфтой число подшипников может быть уменьшено.
При подвижном соединении валов меньше изменяются осевые зазоры во время работы, снижаются требования к центровке валов между собой и к ее сохранению во время работы, достигаются точно известные нагрузки на каждый из опорных подшипников. Однако упорные подшипники при этом могут получать дополнительные нагрузки.
Жесткое соединение валов уменьшает количество подшипников, упрощает муфты и уменьшает их длину, но требует весьма точной центровки при сборке, приводит к некоторой неопределенности в распределении нагрузок на опорные подшипники. Особенно неблагоприятны условия работы, если непосредственно и тесно между подшипниками расположена жесткая муфта. Малой вибрации и хорошей работы подшипников такого узла можно добиться только при очень точной центровке, сохраняющейся и во время работы. При увеличении расстояния между подшипниками недостатки уменьшаются. В случае полного исключения одного из подшипников гибкость вала получается уже большой по сравнению с возможными перемещениями подшипников, распределение нагрузок между ними становится достаточно определенным и мало меняется во время работы.
Отказ от второго подшипника недопустим, если это чрезмерно удлиняет вал или если по каким-либо соображениям нужна подвижная муфта между роторами.
При выборе компоновки турбины следует стремиться к уменьшению осевого давления. Компенсация этого давления возможна с помощью думиса, применение которого в реактивных однопоточных турбинах неизбежно. Но сам думис является источником значительных потерь и неприятен, как сильно напряженная деталь, работающая с большими окружными скоростями и при высокой температуре. Поэтому желательно его не применять, что удается сделать при противотоке или двухпоточной конструкции, а также при повышении несущей способности упорного подшипника. Противоток легче всего осуществляется в двухцилиндровой конструкции и удачно сочетается с применением трех опорных и одного упорного подшипника на два вала.
Применение все более высоких температур пара ставит свои задачи,, обусловленные резким изменением свойств металла в уже используемой области температур. Одним из путей решения этой задачи является искусственное охлаждение. При этом температура деталей оказывается ниже температуры рабочего пара. Эго достигается путем охлаждения специально подводимым паром сниженной температуры. Принцип охлаждения является весьма прогрессивным и широко распространен в газовых турбинах, где используются температуры гораздо более высокие, чем в паровых установках. Применение его значительно расширяет возможности использования высоких температур пара, но усложняет турбину и применимо не ко всем деталям.
Искусственное охлаждение применяется в случаях, когда прочностные свойства материала недостаточны для имеющихся в деталях напряжений (фиг. 107), или детали работают с трением в условиях высокой температуры (фиг. 110), или необходимо ограничиться применением перлитной стали.
Искусственное охлаждение обусловливает разности температур и, следовательно, напряжения в охлаждаемых деталях. В этом отношении оно противоречит принципу освобождения деталей от термических напряжений.
Ограничение потерь тепла турбиной во внешнюю среду, а отчасти симметричное ее тепловое состояние при работе определяются изоляцией. Обе эти задачи изоляции важны, и обе часто недоучитываются. Увеличенные потери снижают экономичность турбоустановки, вызывают чрезмерный нагрев помещения и расходы на его снижение, затрудняют обслуживание. Тепловая несимметричность цилиндра может быть вызвана разной степенью охлаждения отдельных его частей. Все это особенно сказывается при высоких параметрах пара, когда проблема хорошей изоляции становится очень сложной.
Трудность заключается в сложности форм изолируемых поверхностей, в необходимости большой толщины слоя изоляции (при современных изоляционных материалах). Изоляция должна быть разборной; накладываемая в сыром виде мастичная изоляция совершенно неудовлетворительна. При ее применении приходится пускать неизолированную турбину: процесс обмазки и послойной сушки весьма длителен, сопровождается сильным и неравномерным охлаждением цилиндра, задержкой его нагрева. Значительно лучше получается изоляция путем наложения отдельных сухих пластин, скорлуп или матрацев.
Выполнение любой изоляции сильно затруднено сложностью форм изолируемой поверхности, особенно в случае установки регулирующих клапанов на турбине. Установка клапанов вне турбины значительно упрощает конструкцию изоляции. Однако все же следует сделать вывод, что рациональное выполнение изоляции требует проектирования ее одновременно с цилиндром. Вопрос рациональной изоляции пока не решен удачно.
Важным технико-экономическим показателем турбины следует считать степень ее унификации. Применение нормализованных и унифицированных узлов и деталей позволяет сократить время проектирования и затраты на подготовку и освоение производств, в случае выпуска большого числа типоразмеров турбин по индивидуальным заказам.
При всем различии параметров пара, мощностей, многообразии условий работы, предъявляемых требований и т. д. тепловая экономичность турбины должна быть в пределах выбранного типа или конструкции возможно более высокой, стоимость изготовления и расход металла возможно меньшими, стоимость эксплуатации возможно более низкой.
