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

МЕТАЛЛЫ ВАЛОВ И ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ РОТОРОВ

Металл вала турбины испытывает в эксплуатации напряжения от собственного веса и веса всех деталей, которые насажены на вал, а также от крутящего момента, соответствующего переда­ ваемой валом мощности. Металл работает в условиях длительного воздействия высоких температур, различных по длине вала. Наиболее высокая температура имеет место у первых ступеней; на шейках подшипников и на концах вала температура невысока — около 50—80° С. Температурные условия изменяются и по тол­ щине вала. Наряду с постоянными по величине и знаку напря­ жениями на металл вала действуют и переменные напряжения. Они обусловлены, например, тем, что обычно центры тяжести деталей ротора не лежат на геометрической оси вала. Отсюда — возможность вибрации вала в процессе эксплуатации турбины.

На валы и роторы действуют: периодические нагрузки, обу­ словленные несимметрией магнитного поля генератора; перегрузки, возникающие в случае короткого замыкания, и пр. Эти периоди­ ческие нагрузки и их влияние на надежность службы валов и ро­ торов изучены недостаточно. Как постоянные, так и переменные напряжения различны на разных участках вала.

В большинстве случаев валы турбин проектируют и изготов­ ляют ступенчатыми — с различными диаметрами на разных уча­ стках (некоторые турбины выполняют с гладкими бесступенча­ тыми валами). В местах перехода от одного диаметра к другому имеет место концентрация напряжений. На валах имеются шпо­ ночные канавки, вокруг которых также неизбежна концентрация напряжений.

Получение высококачественной и вполне надежной в эксплуа­ тации поковки вала турбины представляет существенные труд­ ности в связи со значительными габаритными размерами и массами валов. Достаточно высокие и однородные прочность и пластич­ ность металла могут быть достигнуты при тщательном выполнении всех этапов технологического процесса производства. Металл вала должен быть свободен от загрязнений шлаками и неметал­ лическими включениями, от флокенов, трещин, плен и других дефектов. Необходимо чтобы внутренние напряжения в поковке были минимальными, так как иначе возникает опасность вибрации и прогиба вала в эксплуатации.

Серьезные трудности представляет производство цельноко­ ваных роторов. Размеры и масса их обычно больше, чем валов. Геометрические формы цельнокованых роторов более сложны. Роторы турбин должны работать безаварийно, так как их раз­ рушение может привести к тяжелым последствиям. Максималь­ ные напряжения в процессе эксплуатации имеют место в централь­ ной зоне ротора на поверхности внутреннего отверстия, которым

182

ковок чаще встречаются металлургические дефекты, а механи­ ческие свойства ниже, чем в периферийных зонах.

Эффективность термической обработки центральной части по­ ковки ротора или вала также ниЗке, чем обработки других зон. По данным, приведенным П. Д. Хинским, в цельнокованом роторе с наружным диаметром 800 мм и диаметром отверстия 80 мм при закалке интенсивность охлаждения через центральное отверстие примерно в 10 раз меньше, чем через наружную поверхность бочки.

С увеличением единичной мощности и повышением параметров турбин производство поковок цельнокованых роторов и валов усложняется, так как размеры и масса этих поковок увеличи­ ваются, а нагрузки на роторы возрастают. Например, цельно­ кованый ротор из стали Р2М цилиндра среднего давления одновальной турбины мощностью 800 тыс. кВт с начальными пара­ метрами пара 240 ат, 560° С имеет полную длину 7500 мм, расстоя­ ние между осями подшипников 6590 мм; масса ротора без лопаток 30,2 т, а с рабочими лопатками 34,5 т. Этот ротор по его массе и массе слитка, из которого он был откован, превосходит все изготовлявшиеся ранее цельнокованые роторы из стали Р2М. Разработка и осуществление технологического процесса произ­ водства ротора цилиндра среднего давления потребовали значи­ тельных усилий специалистов завода, где был создан первый такой ротор, и большого объема предшествовавших исследований.

Впрактике эксплуатации турбин известны серьезные аварии

врезультате повреждений роторов. Большое внимание привлекли

всередине 50-х годов повреждения нескольких крупных роторов

вСША: на электростанции Танерс-Крик (мощность турбоагре­ гата 125 тыс. кВт при 1800 об/мин) — после 2 лет эксплуатации; на электростанции Риджленд (мощность турбоагрегата 165 тыс. кВт

при 1800 об/мин) разрушение произошло при 1955 об/мин после 4 месяцев эксплуатации; на электростанции Кремби (мощность турбоагрегата 216 тыс. кВт при 3600 об/мин) разрушение последо­ вало при 3780 об/мин после 3 месяцев эксплуатации и др.

Исследования причин этих аварий проводились в течение ряда лет и дали весьма интересные результаты. Вышедшие из строя роторы были изготовлены из невакуумированной никельмолибденованадиевой и хромоникельмолибденованадиевой стали, тер­ мически обработанной для получения предела текучести 50— 60 кгс/мм2. По механическим свойствам образцов, взятых с на­ ружных зон поковок, роторы удовлетворяли требованиям тех­ нических условий. Однако, как показали исследования, в цен­ тральной части бочки ротора показатели пластичности и вязкости были значительно ниже.

Например, относительное удлинение, полученное на танген­ циальных образцах, взятых от ротора турбоагрегата мощностью 147 тыс. кВт на станции Аризона, составило 15— 16,5%, относи­ тельное сжатие 39,4—49,1%. Такие же образцы, вырезанные из центральной части бочки, имели показатели во много раз меньшие—

183

соответственно 3— 12,5% и 1,9— 18%. Значительно сниженной оказалась и ударная вязкость. Отмечено, что разрушение роторов было связано с наличием флокенов и сыгравших роль концентра­ торов напряжений скоплений неметаллических включений в глу­ бинных слоях бочек роторов.

' Обеспечению надежной и долговечной службы роторов необ­ ходимо уделять особое внимание как на предприятиях, изготов­ ляющих поковки для них, так и на турбостроительных заводах. Валы и роторы паровых турбин изготовляют из углеродистых сталей марок 35 и 40, хромистых, никелевых, хромоникелевых, хромомолибденовых, хромоникельмолибденовых и других марок стали. В табл. 37 приведены данные о применяемых марках стали, массах цельнокованых роторов и их поковок для паровых турбин большой мощности отечественного производства.

Как видим, цельнокованые роторы наиболее мощных турбин изготовляли в основном из трех марок стали: 25Х1М1Ф (Р2); Р2М; 20ХЗМВФ (ЭИ415). После того, как сталь Р2М была иссле­ дована в достаточных масштабах в лабораторных и производствен­ ных условиях, она заменила сталь Р2. Техническими условиями на поковки валов и роторов стационарных паровых турбин реко­ мендуется изготовлять их из сталей восьми марок, химический состав которых приведен в табл. 38. Этими же техническими усло­ виями предусмотрено изготовление поковок валов и роторов пяти различных категорий прочности (табл. 39).

‘ Сталь для валов и роторов плавят в кислых мартеновских или основных электрических печах. При отливке слитков при­ меняют вакуумирование. Значительного повышения качества стали можно достигнуть, применяя электрошлаковый и вакуумно-ду­ говой переплавы, интенсивную ковку с использованием мощных и быстродействующих прессов, механизацию основных и вспомо­ гательных операций. Нагревательные печи должны обеспечивать безокислительный и равномерный нагрев заготовок. Технологи­ ческий процесс ковки следует разрабатывать и осуществлять та­ ким образом, чтобы были обеспечены плотность, однородность и чистота металла. Ось поковки вала или ротора должна примерно совпадать с осью слитка.

Ранее в разделе, посвященном металлам для поковок дисков паровых турбин, были даны сведения о критических точках и режимах термической обработки сталей, которые применяются также и для производства валов и цельнокованых роторов. Отме­ тим, что поковки валов и роторов из стали этих марок подвергают закалке с отпусков или нормализации с отпуском в зависимости от необходимой категории прочности. Физические свойства сталей Р2М, Р2 и 20ХЗМВФ, широко используемых для поковок роторов,

приведены в табл. 40.

Критические точки сталей Р2, Р2М и 20ХЗМВФ и рекомендуе­ мые режимы термической обработки валов и цельнокованых ро­ торов, изготовляемых из этих сталей, приведены в табл. 41.

184

185

186