Соплами будем называть направляющий аппарат регулирующей ступени. Сопла имеются во всех турбинах; диафрагмы — только в активных. Направляющие лопатки реактивных турбин мало отличаются по конструкции от рабочих лопаток и здесь не рассматриваются. Диафрагмам, ввиду сложности их изготовления и большого влияния на экономичность турбины, уделено в дальнейшем преимущественное внимание.
Диафрагмы состоят из двух половин, их разъем не сбалчивается; диафрагма свободно опирается на расточку в цилиндре или в обойме. Разность давлений по сторонам диафрагмы вызывает появление в ней напряжений и прогибов. Прогибы достигают 1,5—2 мм и больше, что заставляет увеличивать зазоры в проточной части. Диафрагмы ч. в. д. работают при высоких температурах.
- Конструкция и изготовление диафрагмы должны обеспечить высокий к. п. д. процесса расширения пара. Это требование является основным; для его выполнения необходимы совершенные. профили сопловых лопаток, правильные размеры паровых каналов и высокая чистота их поверхности, правильная установка диафрагмы относительно рабочих лопаток и сохранение ее при работе турбины. К минимуму должны быть сведены протечки пара мимо каналов.
Из других требований следует отметить желательность умеренных прогибов и напряжений. Должно быть исключено взаимное смещение половин диафрагмы в ее плоскости. Наконец, учитывая сложность изготовления диафрагм, их конструкция должна способствовать достижению возможно высокой точности и меньшей стоимости изготовления.
Сложная форма диафрагм не позволяет изготовлять их цельными. Лопатки делаются отдельно и разными способами закрепляются в ободе и теле диафрагмы: заливкой в жидкий металл, сваркой, приклепыванием, наборкой в пазы. Каждый из них имеет свои области преимущественного применения и свои особенности в отношении возможной точности изготовления диафрагм. В связи со сложностью геометрических форм диафрагм вопросы их изготовления, достижения необходимой точности и уменьшения отклонения формы и размеров от номинальных являются основными для суждения о достоинствах той или иной конструкции. Она должна соответствовать располагаемым производственным возможностям для своего изготовления и обеспечивать при этом получение повторяющихся результатов. Неприемлемы как чрезмерное усложнение изготовления ради достижения большой точности, так и выбор технически простой, но не удовлетворяющей основному назначению конструкции диафрагмы. Нужна диафрагма с высоким к. п. д., изготовляемая точно с допустимыми технологическими затратами. Диафрагма — единственный узел турбины, в котором приходится считаться со значительными отклонениями от расчетных размеров. Только вследствие неудовлетворительного изготовления диафрагм действительная экономичность турбины может оказаться ниже на 3—5% и более.
Фиг. 61. Расчетные величины перекрыш.
Рассмотрим влияние на работу турбины некоторых характерных отклонений, допущенных при изготовлении диафрагм: перекрыш, значений проходных площадей, величины шагов и формы профилей.
Перекрыши. Необходимость в них вызывается как существом происходящих процессов, так и отклонениями при изготовлении ротора и диафрагм и изменением их взаимного положения при работе турбины. Так как не вызванная существом процесса перекрыша есть источник потерь, то отклонения при изготовлении и в эксплуатации должны сводиться к минимуму.
Для оценки возможных величин перекрыш и выяснения характера зависимости примем угол выхода пара из направляющих лопаток а1=15°; зазор а=3 мм, угол расширения струи пара в зазоре на длине а/sin а1равным 5,5°. Тогда для разных значений зазора Δ получим расчетные перекрыши, показанные на фиг. 61. Из этих кривых следует, что расчетные перекрыши достаточно малы.
Трудность выдерживания малых перекрыш при изготовлении диафрагм и практическая невозможность их непосредственного замера вынуждают значительно увеличивать их сверх расчетных, так как потери от подсоса или утечки пара будут, по-видимому, меньше, чем в случае удара струи пара в обод диска или в бандаж. Если оптимальная перекрыта равна всего 1—1,5 мм, то изменение взаимного положения ротора и диафрагмы при работе турбины может составлять большую долю от этой величины.
Отступления от проверенных опытом перекрыт особенно недопустимы при коротких лопатках, когда сумма перекрыт составляет большую часть размера высоты лопатки. Поэтому конструкция диафрагм первых ступеней должна быть особенно тщательно продумана с точки зрения реальной возможности получения необходимой высокой точности. Каковы же возможности получения перекрыт с необходимой точностью?
Фиг. 62. Типы диафрагм: а— сварная; б — с залитыми лопатками; в— наборная типа MV; г — наборная типа Первого Брненского завода (Чехословакия).
Величины допусков на наружный и внутренний диаметры по каналам диафрагмы должны, с одной стороны, гарантировать удовлетворительные величины перекрыт, а с другой — не вызывать чрезмерных трудностей при изготовлении. Допуски на изготовление сварных диафрагм (фиг. 62, а), т. е. главным образом диафрагм ч. в. д., имеющих короткие лопатки, принимаются заводами-изготовителями по-разному. Преимущественно эти отклонения выбираются симметричными и в среднем составляют для применяемых в СССР конструкций: по наружному диаметру 1,5—2 мм для стационарных и 2—3 мм для судовых турбин, по внутреннему диаметру 1—1,5 мм для стационарных и 1,5—2,5 мм для судовых турбин.1
Перекрыши при этом будут колебаться по наружному диаметру в пределах 0,75—1 мм и по внутреннему 0,5—0,75 мм (для стационарных турбин). Эти отклонения сами по себе уже велики по сравнению с величиной необходимых перекрыт, а складываясь с прочими отклонениями, они приводят к совершенно неудовлетворительным результатам. Сварные диафрагмы при указанных выше отклонениях не обладают необходимой точностью. Нужно учитывать также, что из-за деформаций при сварке диафрагма становится некруглой, а перекрыши непостоянными по окружности.
Отклонения получаются как из-за заготовок, так и при сварке. По условиям прочности сварные швы диафрагм должны быть достаточно большого поперечного сечения, при котором усадка наплавляемого металла будет большой. Точная ее величина определяется опытом. Повторяемость результатов будет лишь при строгом применении тех же материалов, размеров швов и режимов сварки. Достоинством диафрагмы, показанной на фиг. 61,а, является ее простота; недостатками, кроме малой точности при изготовлении, можно считать невозможность профилирования канала на высоте и довольно длинный и сложный путь изготовления.
1 Допуски на соответствующие размеры по ротору обычно в несколько раз меньше.
Диафрагмы с длинными лопатками устанавливаются в зоне малых давлений, и ущерб от применения увеличенных перекрыт здесь может быть незначительным. Для них выполнение с теми же допусками дает достаточную точность, хотя и плохую повторяемость результатов ввиду большого поля отклонений.
Достоинством диафрагм с залитыми в чугун лопатками является их простота и дешевизна; недостатками, кроме малой точности, можно считать недостаточную чистоту поверхности каналов, невозможность исправления дефектов. Требования к производству на получение правильных размеров, хорошего схватывания чугуна с лопатками и предупреждение обгорания их кромок довольно высоки.
Целесообразность применения диафрагм с залитыми в сталь лопатками весьма сомнительна, поскольку эти диафрагмы предназначались бы как раз для ступеней с короткими лопатками. Помимо трудностей, связанных с заливкой лопаток в сталь, отрицательным является и то, что необходимая точность для этих ступеней не может быть достигнута.
Наибольшую точность дают наборные диафрагмы; в них каналы получаются путем механической обработки. В размерные цепи входят размеры обработанных деталей, выполняемые без затруднений с точностью до 0,05—0,15 мм. Так, например, в диафрагме, показанной на фиг. 64, легко выдерживается наружный диаметр канала в пределах допусков +0,25-0,35 мм и внутренний диаметр в пределах допусков + 0,15-0,20 мм.
