Из большого числа клапанов паротурбинных установок рассмотрим только стопорные и регулирующие. Эти клапаны являются неотъемлемой частью собственно турбины и зачастую встроены в нее. Их назначение — прекращение в случае необходимости подачи пара и дросселирование пара при регулировании его количества. В стопорных клапанах дросселирование осуществляется только при пуске, в регулирующих —при работе путем частичного открытия клапана.
Клапаны работают при больших давлениях и температурах, в условиях возможности некоторой коррозии, а их запорные или дроссельные поверхности и активной эрозии паром.
Иногда считают, что плотность регулирующих клапанов не обязательна, так как нормально они должны быть открыты. На холостом ходу, когда частично открыт только один клапан, некоторая неплотность остальных клапанов даже полезна: благодаря ей лучше прогреваются каналы и сопла неоткрытых клапанов. Для этой цели иногда делают даже специальные отверстия, гарантирующие некоторый проход пара при закрытом клапане. Однако неплотные регулирующие клапаны способствуют увеличению заброса числа оборотов при сбросе нагрузки.
По-видимому, регулирующие клапаны все же должны быть максимально плотны, а в случае необходимости проход через них пара при пуске должен осуществляться в определенном количестве только через специальные отверстия.
Стопорный быстрозапорный клапан часто рассматривается лишь как захлопка, быстро преграждающая путь основной массе пара, после чего производится плотное закрытие прохода другим — запирающим устройством. При этом быстродействующая захлопка должна быть плотна лишь настолько, чтобы турбина пошла на остановку. В этом случае появляются два отдельных устройства, причем ни то, ни другое не годится в качестве пускового, в результате чего нужен еще пусковой клапан.
В других случаях клапан делается совмещенным: его разгрузочное устройство используется в качестве пускового. Клапан должен быть плотным.
При этом быстро изнашивается разгрузочный (пусковой) клапан, работающий в условиях дросселирования, и легко теряется плотность главного клапана при его срабатывании в качестве быстродействующего. Однако такой подход следует считать в принципе более правильным, так как количество устройств уменьшается, потеря же плотности при дросселировании будет в любом случае.
Плотность двухседельных клапанов совершенно неудовлетворительна, хотя они хорошо решают задачу разгрузки и уменьшения усилий для открытия клапана. При самой тщательной пригонке достаточно небольшой разности температур клапана и его седла, чтобы появилась неплотность. Поэтому при высоком давлении пара такие клапаны почти не применяются; больше оправдано использование их в качестве регулирующих отбор пара, так как при этом требования к плотности меньше, а для пропуска больших объемов пара двухседельные клапаны имеют преимущества. Иногда для повышения их плотности одно из седел делается упругим.
Примером неудачной конструкции может служить двухседельный стопорный клапан ЛМЗ (около 1946 г.), рассчитанный на расход пара примерно 160 т/час, при 90 ата, 500°С (см. фиг. 5). Этот клапан совершенно негоден для пуска и неплотен даже как захлопка. Клапан имеет довольно большое сопротивление проходу пара: потери в щелях, слишком короткий диффузор, неудачная камера за диффузором. Неоправдан дренажный канал, байпасирующий клапан. Шток очень тонкий, что даёт малую утечку пара. Очень хороша гибкая опора этого клапана.
Плотность односедельных клапанов достигается применением плоских притертых или сферических уплотняющих поверхностей клапана и седла. В первом случае необходимы большие удельные давления на поверхности уплотнения. Во втором случае происходит упругое вдавливание и сила прижатия нужна меньшая. При превышении этой силы уплотняющая поверхность портится.
Необходимую для получения плотности силу прижатия клапана с плоской уплотняющей поверхностью не всегда можно получить, даже если давление пара помогает этому. Проще всего это достигается при ручном закрытии клапана с помощью винтовой передачи, что широко применялось при умеренном давлении пара. В этих условиях преобладающим типом и был плоский притертый клапан, который вместе с тем лучше воспринимает удар при срабатывании. При высоком давлении плоские уплотняющие поверхности клапанов дают меньшую плотность при сборке и легче теряют ее при эксплуатации: как вследствие недостаточной силы прижатия, так и от других причин — коробления, попадания под седло посторонних предметов, эрозии и коррозии. Кроме того, они дают большее паровое сопротивление. Поэтому в настоящее время стопорные клапаны с плоской уплотняющей поверхностью применяются редко. Регулирующие же клапаны не располагают большой силой для прижатия и в любом случае лучше работают при уплотнении по линии.
Для плоских уплотняющих поверхностей применяются вставные кольца, которые могут быть сделаны из наиболее подходящего материала. Лучший способ их закрепления (а при высоких параметрах пара, в сущности, единственный) — приварка. Соединения зачеканкой могут расстраиваться вследствие возникновения при нагреве или охлаждении разности температур между корпусом и кольцом. Клапаны и их седла с уплотнением по линии делаются целиком из пригодных для этой цели материалов, иногда с наплавкой твердыми сплавами в зоне контакта.
Для уменьшения эрозионного износа при дросселировании применяют более стойкие материалы или переносят дросселирование в зону специального конуса. В первом случае износ уменьшается, во втором —переходит на другие поверхности, на которых износ допустим. В начальной момент открытия дросселирование все равно происходит в запорных поверхностях.
Эрозия при дросселировании возрастает с повышением параметров пара и особенно опасна при сверхкритических давлениях.
Сложным является вопрос уплотнения штоков при выходе из корпуса клапана. Уплотнение применяется по принципу лабиринтового, т. е. предполагает утечки. Эти утечки в сумме по всем клапанам турбины могут составлять существенную величину. Для снижения их можно уменьшать зазор и диаметр штока, увеличивать длину втулки, применять запирающие устройства при полном открытии клапана. Мягкая набивка может применяться при параметрах пара не выше 30 ата, 400°C и только для стопорных клапанов.
Уменьшение зазора представляет собой опасный путь. Даже при точном изготовлении штока и втулки они будут иметь некоторую кривизну. Эта кривизна может увеличиваться при возникновении разности температур по сторонам втулки или в результате ее изгиба деформирующимся при нагреве корпусом клапана. Разность температур по сторонам штока в 10°C при его диаметре 36 мм и длине втулки 600 мм дает стрелу прогиба около 0,15 мм. Допускаемый зазор на диаметр составляет в среднем около 1 % от диаметра и легко может быть выбран, после чего шток перемещается в упругоизогнутом состоянии с трением о втулку. К тому же твердость поверхностей втулки и штока при высокой температуре снижается. Все сказанное легко приводит к заеданию штока, нарушению работы регулирования, а в тяжелых случаях — к аварии турбины вследствие ее разноса.
Поэтому часто стремятся принимать возможно больший зазор. Независимо от этого следует особое внимание обращать на симметричность формы крышки клапана и добиваться равномерного ее прогрева, чтобы избежать изгиба втулки. Иногда с целью уменьшения зазора применяется специальная набивка из графитоугольных колец. В частности, такое уплотнение применено у регулирующих клапанов турбины АЕГ (фиг. 101).
Длина втулки после известного предела мало влияет на утечку пара; вместе с тем увеличение ее в квадрате увеличивает чувствительность к изгибу, опасность заедания. Растет и сложность изготовления.
Трудности, связанные с длинными втулками, отчасти устраняются, если делать их наборными (фиг. 95). Втулки в этом случае короткие и имеют возможность самоустанавливаться относительно штока. Опыт использования таких втулок еще недостаточен.
Фиг. 93. Групповой привод регулирующих клапанов.
Диаметр штока не может быть существенно уменьшен, даже если шток работает только на растяжение. Он должен быть достаточно прочен, в частности, выдерживать изгиб действующими на клапан усилиями от потока пара. При малом диаметре затрудняется точное изготовление как самого штока так и втулки и шток может быть легко изогнут.
Наиболее эффективным способом уменьшения утечек через штоки следует считать применение запирающих устройств при полном открытии клапана. Для стопорных клапанов такое устройство не представляет трудностей: при полном открытии клапана специальный выступ на штоке закрывает зазор между штоком и втулкой. Так же, хотя при рычажном приводе от кулачкового вала и более сложно, может быть сделано запирание штоков полностью открытых регулирующих клапанов. Штоки частично открытых регулирующих клапанов при этом остаются не уплотненными.
С целью снижения утечек через штоки регулирующих клапанов были созданы конструкции группового привода, например, показанная на фиг. 93. Клапаны относятся к турбине ВР-6-2 ТМЗ (фиг. 27) и работают при давлении 90 ата и температуре 500°C. Небольшой для такого давления расход пара турбиной при шести регулирующих клапанах остро ставит вопрос о снижении утечек через штоки. В данной конструкции при шести клапанах утечка происходит только через два штока. Кроме того, здесь значительно упрощается парораспределение. Следует отметить очень неблагоприятную форму корпуса, вследствие чего для обеспечения прочности необходимы чрезвычайно толстые стенки и тяжелая крышка.
Для правильной, работы клапанов очень важно отсутствие заеданий штоков во втулках. Это заедание может быть вызвано, не только изгибом штока, но и его перекосом. Поскольку определяемая целями уплотнения: длина втулки всегда велика по сравнению с диаметром штока, направление его движения вполне обеспечено. Однако перекосы вызываются силами, направленными не по оси штока. Такие силы появляются в результате воздействия на клапан струи пара, а также от нецентрального или наклонного приложения силы, перемещающей шток. Во всех этих случаях возникает момент, прижимающий шток к кромке втулки.
При наклонном приложении силы Р0 (фиг. 94) появляется сила трения Qf (где f — коэффициент трения), препятствующая свободному перемещению штока. При обозначениях по фиг. 94 можно написать:
Размер b определяется ходом клапана и конструкцией узла и не может быть значительно уменьшен. При увеличении размера а растут трудности изготовления и опасности заедания от изгиба штока. Практически
следовательно, отношение
может увеличивать силу Q в среднем на 15—20%.
* Аналогичная конструкция применяется давно как отечественными (НЗЛ), так и зарубежными заводами.
Фиг. 94. Перекос штока во втулке: а- сила приложена под углом, b —сила приложена эксцентрично.
Основное влияние на величину силы Q имеет угол а. Необходимо также всемерно уменьшать силу Р0.
Может быть также эксцентричное приложение силы, что вызовет момент Р0 с (фиг. 94). Если предположить, что этот момент может быть допущен такой же, как и от приложения силы под углом, и принять допустимый угол а=5° и 6=120 мм, то P0c=P0bsin а, откуда с=10,5 мм. Практически может выдерживаться меньшая эксцентричность.
Из сказанного можно сделать выводы:
- Рациональная конструкция клапана, исключающая условия появления перекосов, должна иметь наименьший угол а (не больше 3—5°), центральное приложение силы (с < 5 мм), наименьшую величину b, малое отношение
. - Для уменьшения опасности заеданий шток и букса должны иметь твердые, чисто обработанные поверхности, желательно без канавок.
Особенно важно это для неразгруженных клапанов, требующих для своего перемещения большей силы Р0, а также при высокой температуре пара, когда необходимая твердость поверхностей при работе не может быть сохранена. При очень высокой температуре применяется даже специальный подвод пара более низкой температуры для охлаждения штока.
Важно иметь постоянное направление усилия на шток; особенно большое значение это имеет для регулирующих клапанов. Направление усилия на растяжение позволяет уменьшить диаметр штока. Однако большинство конструкций клапанов не удовлетворяет этим условиям. Большая выталкивающая шток сила (при открытом клапане) требует усиления пружин, что в конечном счете означает увеличение мощности приводного сервомотора.
При особенно высоком давлении и температуре становится сложной задача конструирования крышки корпуса клапана. Требование плотности этого соединения приводит в данном случае к очень толстым фланцам и большим диаметрам соединительных болтов. Вес клапана непомерно растет, при прогреве толстой крышки появляются высокие термические напряжения. Для новых условий работы старая форма крышки клапана в виде фланцевого соединения оказалась малопригодной. Все это вызвало к жизни конструкции беcфланцевых соединений.
Одна из таких конструкций ХТГЗ для регулирующего клапана диаметром 135 мм показана на фиг. 95 (около 1950 г.). Конструкция предусматривает самоуплотнение за счет силы прижатия паром (около 100 т). Предварительная затяжка осуществляется резьбовым соединением.
Фиг. 95. Регулирующий клапан диаметром 135 мм ХТГЗ.
По конструкции клапана можно отметить следующее. Объем корпуса клапана очень мал, подвод пара сделан с двух сторон;
седло в виде короткого диффузора зачеканено специальными вставками; трубы привариваются к корпусу клапана; легко могут возникать усилия, вызывающие кручение клапана. Уплотнительные втулки наборные, общая длина уплотнений — около 550 мм. Корпус уплотнительных втулок не имеет зафиксированного положения и требует точной установки при сборке.
Фиг. 96. Стопорный клапан ВВС.
В принципе аналогично, но в другом конструктивном оформлении выполнен стопорный клапан конструкции ВВС (1952 г.) на давление свыше 100 ата и температуру 545°С (фиг. 96). Уплотнению подлежит здесь не крышка клапана (ее, как таковой, нет), а отверстие в торце корпуса, служащее для заводки внутренних частей клапана. Этот торец освободился вследствие своеобразного расположения патрубков. В этой конструкции применено «обратное» расположение самого клапана, благодаря чему клапан прижимается давлением пара к седлу, а шток работает на сжатие. Когда клапан открыт, зазор между штоком и втулкой запирается выступом штока; поэтому длина втулки очень мала и составляет всего 8 d. Тонкие стенки корпуса, отсутствие скопления масс металла, малый вес клапана обусловливают возможность быстрого его прогрева.
Фиг. 97. Стопорный клапан ТМЗ.
Фиг. 98. Стопорный клапан КТЗ. Фиг. 99. Комбинированный клапан ВВС.
В некоторых случаях самоуплотняющееся кольцо отсутствует и резьбовая крышка сама является уплотнением. Так как при этом полная плотность не достигается, то имеется еще вторая крышка, причем из пространства между ними пар отводится в ту точку турбины, где давление всего несколько атмосфер. Поэтому вторую крышку легко уплотнить.
По сравнению с двумя приведенными конструкциями бесфланцевых клапанов чрезвычайно громоздким выглядит клапан ТМЗ (фиг. 97), спроектированный в 1958 г. и рассчитанный на параметры пара 130 ата, 565°C и его расход около 200 т/час. Объем корпуса и его диаметр невелики, что положительно в данной конструкции. Однако стенки толстые, очень толсты фланцы, при изготовлении требуется много сварных работ, что вызвано трудностями отливки. Вес клапана —свыше 4,5 т.
Несмотря на запирание зазора вокруг штока, длина уплотнения очень велика (около 650 мм), причем
Непомерно велика выступающая из втулки часть штока с самим клапаном — свыше 500 мм, что может привести к большим колебаниям тяжелого клапана на такой консоли. Велика и общая длина штока—- около 1400 мм; выдержать прямолинейность здесь, конечно, затруднительно.
Стопорный клапан КТЗ современной конструкции (1959 г.) на пропуск пара около 60 m/час при 90 ата, 500°С представлен на фиг. 98. Здесь, как и в клапане ВВС (фиг. 96), применено «обратное» расположение самого клапана и шток работает на сжатие. Однако здесь слишком велика выступающая из втулки часть штока с клапаном — свыше 300 мм. К тому же длина уплотняющей втулки всего около 250 мм (L 12 d). Для предотвращения утечки предусмотрено запирание. Благодаря очень длинному диффузору и продуманным формам корпуса можно ожидать, что потери в этом клапане будут небольшими.
Почти все описанные клапаны аэродинамически отработаны, и потери в них сведены к минимуму. Резервом дальнейшего снижения потерь является создание комбинированных клапанов. Примером служит комбинированный клапан ВВС — регулирующий и отсечной (фиг. 99). Компактность этого клапана и минимум потерь в нем достигаются удачным совмещением функций двух клапанов в одном.
