Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

силами, действующими на лопатку при ее вращении. Центробеж­ ные силы создают в лопатке растягивающие напряжения тем большие, чем больше площадь сечения и длина лопатки, диаметр обода диска (или ротора), на котором закреплены лопатки, и частота вращения ротора турбины. При наличии ленточного или проволочного бандажей учитывается влияние и центробежных сил, создающихся за счет участков бандажей, приходящихся на одну лопатку.

Центробежные силы могут вызывать в лопатках кроме растя­ гивающих также и изгибающие напряжения в тех случаях, когда линия, соединяющая центры тяжести различных сечений рабо­ чей части лопатки, не является радиальной линией диска, на котором лопатка установлена. На рабочую лопатку действуют изгибающие силы, обусловленные давлением и реакцией струи движущегося пара. Эти силы изгибают лопатку относительно места закрепления, и их величина зависит от мощности ступени, ее среднего диаметра, частоты вращения ротора, числа лопаток в ступени и степени парциальности, если пар поступает не по всей окружности.

На первых ступенях турбины, где используются короткие лопатки при сравнительно небольших значениях среднего диа­ метра ступени, напряжения металла лопаток от центробежных сил и изгиба, вызываемого движущимся паром, обычно невелики. На длинных и массивных лопатках последних ступеней рабочие напряжения материала достигают больших величин.

Исключительно важное значение при эксплуатации турбин имеет вибрация рабочих лопаток и их пакетов. Эта вибрация весьма сложна и определяется многочисленными, трудно учиты­ ваемыми факторами, связанными с конструкцией лопаток и диаф­ рагм, качеством их изготовления и сборки, условиями эксплу­ атации и т. д.

Общей причиной вибрации лопаток являются возмущающие силы, периодически действующие на лопатки при вращении ротора турбины. Можно указать много источников возникнове­ ния таких периодических сил. Выходные кромки направляющих лопаток имеют некоторые конечные размеры, что вызывает нару­ шение плавности потока пара. При этом создается периодическая возмущающая сила, частота действия которой на движущуюся лопатку за 1 с равна или кратна nz, где п — частота вращения ротора, а z — число направляющих лопаток по окружности.

Нарушение плавности потока пара связано с неравномер­ ностью проходных сечений каналов диафрагм; частота возникаю­ щих вследствие этой неравномерности возмущающих сил равна или кратна частоте вращения ротора турбины. Местные непра­ вильности диафрагмы, например, в стыках двух ее половин вызы­ вают возмущающие силы с частотой 2п в 1 с. При парциальном

122

подводе пара неизбежно имеет место прерывистость потока пара, вызывающая значительные переменные усилия, и т. д.

Таким образом, в турбине всегда имеют место нарушения плав­ ности потока пара и возмущающие силы, периодически действую­ щие на лопатки. Частота одной группы возмущающих сил равна или кратна п, другой группы — равна или кратна пг. Собствен­ ная частота свободных колебаний лопатки, закрепленной на ободе диска или в пазах ротора, зависит от момента инерции ее сечения, длины и массы лопатки, модуля упругости материала, из кото­ рого она изготовлена, жесткости ее крепления и формы кривой прогиба.

Каждой форме кривой прогиба лопатки соответствует опре­ деленное значение частоты свободных колебаний; лопатке при­ суще бесконечное число значений этих частот. Собственные коле­ бания лопатки можно наблюдать и фиксировать, возбуждая ее вибрацию возмущающей силой, частоту действия которой можно регулировать и постепенно увеличивать от нуля до больших зна­ чений. По достижении некоторой определенной частоты амплитуда колебаний лопатки, до этого незначительная, резко возрастает, а при дальнейшем повышении частоты быстро снижается. Достиг­ нув новой определенной частоты, амплитуда снова возрастает, затем опять снижается почти до нуля, чтобы вновь быстро уве­ личиться при достижении третьей определенной частоты, и т. д.

Эти периодические повышения амплитуды колебаний насту­ пают при резонансе частот возмущающей силы с частотами свобод­ ных колебаний лопатки. Чем шире интервал частот возмущаю­ щих сил, которые вызывают при проведении такого опыта коле­ бания лопатки, тем больше будет зафиксировано резонансных точек.

Собственные колебания с наиболее низкой наблюдаемой ча­ стотой называют колебаниями первого тона, со следующей по величине частотой — колебаниями второго тона, затем третьего тона и т. д. В табл. 9 для трех первых тонов колебаний лопаток, зажатых в хвосте при свободных и опирающихся вершинах, приведены формы кривой прогиба, эпюры моментов и относитель­ ные значения напряжений в корневом сечении лопатки. Как видим, напряжения в корневом сечении вибрирующей лопатки резко снижаются при повышении тона колебаний. Поэтому наи­ более опасными, с точки зрения величины напряжений, у корня лопатки являются колебания первого тона.

Для кривых прогиба второго, третьего и последующих тонов колебаний характерно наличие неподвижных точек, называемых узловыми. Кривая прогиба второго тона колебаний имеет одну неподвижную узловую точку, третьего тона — две узловые точки и т. д. При дальнейшем увеличении частоты свободных колебаний, количество узловых точек возрастает. В табл. 9 приведены также относительные значения частот для различных форм колебаний лопаток постоянного сечения разных профилей.

123

Все сказанное относится к тангенциальной вибрации лопаток в плоскости диска, имеющей основное значение в процессе их работы. Однако наряду с тангенциальными колебаниями имеют место и аксиальные, и крутильные колебания; они усложняют общую картину вибрации лопатки. Пакеты лопаток, связанные ленточными и проволочными бандажами, характеризуются раз­ нообразными формами кривой прогиба вибрирующих лопаток, различными тонами и частотами колебаний. Если частота возму­ щающих сил, обусловленных неравномерностями потока пара, окажется в опасном резонансе с частотой свободных колебаний лопаток, то амплитуда колебаний последних возрастет до недо­ пустимых значений, металл лопаток окажется перенапряженным, и это может привести через некоторое время, зависящее от степени перенапряжения, к разрушению лопаток. Рабочие лопатки тур­ бин проектируют с таким расчетом, чтобы опасные резонансные колебания не могли иметь места в процессе работы турбины.

Направляющие лопатки, находящиеся в процессе работы турбины в неподвижном состоянии, испытывают напряжения от действия потока пара; эти напряжения значительно ниже, чем испытываемые рабочими лопатками.

Условиями службы рабочих и направляющих лопаток в основ­ ном определяются требования, предъявляемые к металлам, из которых изготовляют лопатки. Металл лопаток должен обладать высокими прочностью, пластичностью, сопротивлением ползуче­ сти, выносливостью, коррозионной стойкостью и сопротивлением эрозионному разрушению.

Форма лопаток весьма сложна, поэтому обрабатывать их необходимо с высокой степенью точности и чистоты поверхности. Металл лопаток должен легко обрабатываться резанием, обла­ дать способностью хорошо расклепываться, так как ленточные бандажи прикрепляют к лопаткам расклепыванием шипов. Неко­ торые конструкции хвостов лопаток получают протяжкой или холодной высадкой, поэтому необходимо, чтобы металл был способен к значительной деформации в холодном состоянии.

Большое значение для надежной службы металла лопаток имеет тщательное соблюдение установленных режимов эксплуата­ ции турбинных агрегатов. Известны случаи повреждения рабочих лопаток вследствие понижения частоты в сети переменного тока, попадания воды в проточную часть из-за переполнения подогре­ вателей и других нарушений правил технической эксплуатации.

СТАЛИ И С П Л А В Ы , П Р И М Е Н Я Е М Ы Е Д Л Я ЛОПА ТО К

В СССР и за рубежом для изготовления лопаток применяют значительное количество сталей и сплавов различных марок. Для паровых турбин различных параметров и мощности, находя­ щихся в серийном производстве, лопатки изготовляют в основ­ ном из хромистых нержавеющих сталей мартенситного и

125

мартенсито-ферритного класса. В турбинах отдельных типов, изго­ товляемых в качестве опытных образцов или небольших партий, с начальной температурой пара до 600° С и выше, в качестве ме­ талла лопаток применяют аустенитные стали. Эти стали широко используют и для лопаток газовых турбин.

В последние годы в лабораторных условиях и в процессе эксплуатации изучают проблемы использования, в качестве металла значительно нагруженных лопаток последних ступеней, титановых сплавов, которые при весьма высокой прочности обла­ дают относительно низкой плотностью (примерно вдвое меньшей, чем плотность стали). Как известно, величина центробежных сил, действующих на рабочие лопатки турбин, находится в прямой зависимости от массы лопатки и, следовательно, от плотности металла, из которого она изготовлена.

Хромистые нержавеющие стали. Для изготовления рабочих и направляющих лопаток, работающих в условиях умеренных температур (до 450—500° С), в течение нескольких десятилетий широко применяют надежную в эксплуатации высококачествен­ ную хромистую нержавеющую сталь марок 1X13 (ЭЖ1) и 2X13 (ЭЖ2). Сталь 1X13 относится к мартенсито-ферритному, а сталь 2X13— к мартенситному классу.

Химический состав (в %) этих сталей следующий:

Стали 1X 13 и 2Х13 за длительный период их применения в тур­ бостроении разносторонне изучены; их физические свойства при­ ведены в табл. 10.

10. Физические свойства сталей 1X13 и 2X13

126