За рубежом турбостроение развивалось в послевоенные годы весьма энергично и шло в направлении роста как температур пара, так и мощностей турбин. До известной степени развитие этих двух параметров шло самостоятельно. Большее внимание повышению температуры пара, даже для турбин небольших мощностей, характерно для западноевропейских фирм. Американские фирмы, пожалуй, скорее стремились к увеличению мощности агрегатов, хотя это увеличение связано и с ростом начальных параметров пара. Большие мощности американских энергосистем создавали благоприятные условия для применения агрегатов все более крупных мощностей, чего не было в западной Европе. Однако примерно с 1957 г. ряд фирм Франции Италии и некоторых других стран начали строительство очень крупных турбин (200—250 тыс. кВт), в значительной степени по патентам американских фирм.
Представляет интерес турбина, разработанная фирмой «Эшер Висс» (Швейцария) еще в 19,2 г., мощностью всего 3000 кВт на давление пара 100 ата и температуру 600°С (фиг. 110). Давление за турбиной 11 ата, число оборотов 10000 в минуту. Расход пара всего 25 т/час.
Последствия, вызываемые высокой температурой, были устранены в этой турбине осуществлением ряда конструктивных мероприятий. Ротор, облопачивание и цилиндр сделаны из сталей аустенитного класса, в частности, не дающих окалины. Для уменьшения относительных расширений диафрагмы и обоймы уплотнений сделаны также из сталей аустенитного класса. Выдержана полная симметрия цилиндра относительно горизонтальной плоскости. Устроен паровой обогрев фланцев горизонтального разъема, которые получаются очень толстыми. Применено охлаждение штоков клапанов паром с температурой 450° С для повышения твердости штоков и втулок при работе и предотвращения их заедания, а также охлаждение переднего конца вала в уплотнениях.
Судя по опубликованным данным, эти мероприятия оправдали себя и турбина оказалась достаточно надежной в эксплуатации.
Цилиндр имеет горизонтальный разъем для более надежного, по мнению фирмы, контроля взаимного положения ротора и статора при сборке. Однако наличие указанного разъема у этой простой малоступенчатой турбины следует считать нелогичным, поскольку была поставлена правильная задача получения наибольшей симметрии корпуса.
Отсутствие охлаждения дисков ротора можно предположительно объяснить большой сложностью его осуществления, а также малыми размерами ротора, который может быть поэтому весь сделан из более дорогой, но более теплоустойчивой стали. Безобоймовая конструкция цилиндра может быть объяснена желанием упростить турбину, так как в других отношениях обойма была бы полезна и не увеличила бы заметно размеров цилиндра.
Очень большой интерес представляет серия предвключениых турбин средней мощности фирмы «Сименс» (ФРГ), разработка конструкции которых относится примерно к 1953 г.
Фирма «Сименс» составила классификацию и дала типовые решения конструкции предвключенных турбин или ц. в. д. многоцилиндровых турбин в зависимости от температуры пара. В частности, эти решения предусматривают:
- Стали аустенитного класса используются только при температуре пара 600°С и выше, причем применение их максимально ограничено.
- Охлаждение паром не применяется.
- Клапаны устанавливаются на турбине при начальной температуре пара не выше 540°C; в этом случае камеры клапанов и подходящие к соплам каналы отлиты непосредственно в цилиндре; однако приняты меры для их равномерного прогрева.
- При начальной температуре пара свыше 540°С применяются сопловые коробки и вынесенные клапаны. Сопловые коробки вставные, закрепляются на резьбе; сварка производится только для уплотнения.
- Все конструкции имеют двойной цилиндр, причем наружный — неразъемный, симметричный. Внутренний цилиндр обжимается паром, его разъем разгружен и не имеет фланца, что делает этот цилиндр почти осесимметричным.
- В цилиндрах почти не применяются болтовые соединения. Торцовая крышка крепится резьбовым кольцом, так же как и внутренние обоймы и сопловые коробки.
- С целью сокращения длины ротора концевые уплотнения применены радиальные.
- Валы изготовляются из стали мартенситной структуры, даже для температуры пара 650°С. Однако при начальной температуре пара больше 57_>° С наиболее горячая часть вала защищена аустенитной втулкой, устанавливаемой относительно вала с зазором, на радиальных пальцах.
Эти решения отражены и в рассматриваемой далее турбине (фиг. 111). Она рассчитана на сверхкритические параметры пара от 300 до 325 ата и от 600 до 625°С, противодавление 118 ата. Мощность турбины составляет 16,5 тыс. кет·, расход пара при этом равен около 260 m/час.
В конструкции уделено внимание снижению потерь в уплотнениях и зазорах, которые (потери) могут быть особенно велики при сверхкритическом давлении пара: радиальные уплотнения имеют большое количество гребней; диаметр вала сравнительно мал. Реактивное облопачивание имеет бандажи с уплотняющими гребешками. Компактные радиальные уплотнения имеют много преимуществ.
В турбине тщательно решены вопросы симметрии; вся конструкция весьма продумана и логична. По опубликованным данным, результаты эксплуатации вполне благоприятны и доказывают целесообразность такой конструкции при столь высоких давлениях и температурах.
Вместе с тем надо отметить, что осевая сборка турбины связана со многими неудобствами. Вызывает сомнение насадная втулка ротора, напряжения в которой высоки и ограничивают диаметр ротора небольшой величиной; положение этой втулки относительно вала вряд ли стабильно.
Отсутствие охлаждения паром имеет целью, по-видимому, упростить конструкцию и избежать термических напряжений. Однако по существу исключение его, как принцип данной конструкции, вряд ли положительно, так как искусственное охлаждение является весьма прогрессивным современным приемом1 . Для данной турбины приходится применять более высококачественные, дорогие жаропрочные материалы.
В ближайшие годы после войны была построена турбина фирмы «Вестингауз» (США) мощностью 100 тыс. кВт (фиг. 112). Турбина работает при параметрах пара 102 ата, 538°С, с промежуточным перегревом также до 538 °C, т. е. при сравнительно невысоких температурах. Число оборотов 3600 в минуту, что затрудняет получение достаточной выходной площади й обусловливает большие скорости, доходящие на вершинах лопаток последней ступени до 422 м/сек.
Особенностями конструкции являются цельнокованые роторы, большой диаметр ц. в. д. и простые его формы, очень жесткие обоймы ц. в. д., литой ц. н. д. (что, однако, нехарактерно для конструкций этой формы). Клапаны установлены вне турбины; вводы свежего пара и после промежуточного перегрева весьма эластичны. Жесткая муфта между подшипниками ц. в. д. и ц. н. д. является неприятным местом конструкции.
Примером сверхмощной турбины можно считать турбину фирмы «Аллис Чалмерс» (США) мощностью 300 мгвт, на 1800— 3600 об/мин., относящуюся примерно к 1955 г. (фиг. 113 и 114), Параметры пара для этой турбины 160 ата, 565 538°С.
Турбина двухвальная, трехцилиндровая, ц. в. д. двустенный со вставными сопловыми коробками. Клапаны расположены вне турбины. Турбины высокого и среднего давления имеют в сумме три подшипника и соединены жесткой муфтой. Роторы цельнокованые, массивные, что замедляет их прогрев. Цилиндры в. д. и с. д. весьма симметричные и очень простых форм. Две турбины н. д. имеют общий выхлоп и работают с числом оборотов 1800 в минуту, что дает возможность при мощности 300 тыс. кВт ограничиться только двумя выхлопами. Длина последней лопатки 1168 мм. Ввиду больших диаметров роторы т. н. д. наборные.
Турбина показывает преимущества двухвальных агрегатов больших мощностей. Исключительно большая мощность турбины отразилась на ее конструкции: наличие четырех подводов пара довольно большого диаметра, сравнительно высокие лопатки т. в. д., наличие двухпоточной т. с. д и двухпоточной тихоходной т. н. д.
1 Особый эффект охлаждение дает в газовых турбинах. В паровых установках под действием высокой температуры находится также пароперегреватель, паропровод, клапаны, и охлаждение ротора решает здесь лишь небольшую часть задачи.
Мощность при температуре охлаждающей воды 15° С составляет 280 мгвт, а при ее температуре 21 °C может быть доведена до 450 мгвт. Однако в этом случае должны быть усилены валы и муфты. Фирма считает достигнутую в настоящее время мощность предельной для одновальных турбин на 3000 об/мин.
Высокие параметры пара обусловили симметричный, выполненный очень эластичным подвод пара, двойной цилиндр т. в. д. и т, с. д., сопловые коробки в т. в. д. В т. н. д. оказались необходимыми три выхлопа с лопатками предельной длины.
Вся конструкция типична для турбин ВВС: реактивное облопачивание, сварные дисковый роторы, многоцилиндровое исполнение, жесткие муфты, минимальное число подшипников. Четыре ротора в данном случае опираются всего на пять подшипников, а в осевом направлении фиксируются только одним. Поэтому скорость прогрева роторов и соответствующих цилиндров должна быть одинаковой. Весьма симметричны формы т. в. д. и т. с. д.; клапаны установлены вне турбины.
Фирма длительное время рекламировала преимущество одностенных цилиндров, но при росте параметров пара должна была затем отказаться от своих прежних позиций, так как хорошая плотность горизонтального разъема и удовлетворительная скорость прогрева иначе не достигаются. Необычная для турбин ВВС одновенечная регулирующая ступень поставлена в этой турбине ради повышения ее экономичности *, более высокие при этом давление и температура в камере регулирующей ступени допустимы благодаря двустенной конструкции цилиндра.
По сравнению с часто применявшейся фирмой ВВС и характерной для нее конструкцией одностенного цилиндра с наборной лопаток непосредственно в его стенки, в данной конструкции сделано все возможное для утонения стенок цилиндра, достижения плотности разъема и ускорения прогрева: двойной цилиндр, во внутреннем цилиндре еще обоймы, сопловая коробка с поршневым соединением с цилиндром, обогреваемый фланец и шпильки. Поэтому турбина приспособлена к довольно быстрому пуску.
Наружные цилиндры т. в. д. и т. с. д. большого диаметра, короткие и жесткие; их формы вполне симметричны. Подвеска обойм и внутренних цилиндров выполнена тщательно.
Очень хорошее впечатление производит т. с. д. Внутренний цилиндр т. с. д. состоит из двух частей, так как разность температур между наружным и внутренним цилиндрами здесь больше, чем в ц. в. д., и термические напряжения могут быть очень велики. Т. н. д., предназначенная для очень большого пропуска пара, получилась слишком громоздкой, с неравномерным входом пара в конденсатор.
* Весьма сомнительно, что применение в данном случае одновенечной регулирующей ступени было бы оправдано.
Вследствие больших размеров цилиндра н. д. фирма вынуждена применить сварную конструкцию и отказаться в данном случае от предпочитаемых ей литых цилиндров н. д.
Применяемая фирмой ВВС конструкция сварных роторов привела в данном случае к тому, что роторы одной турбины сварены из 26 кусков. Хотя и трудно связать надежность ротора с количеством на нем мест сварки, все же названная цифра свариваемых частей представляется в данном случае чрезмерной.
