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

В некоторых случаях прогиб вала в холодном состоянии после проведения теплового испытания превышает прогиб, зафиксиро­ ванный до испытания. Это имеет место тогда, когда в процессе испытания в результате нагрева происходит перераспределение или частичное снятие остаточных напряжений. Такой прогиб может быть устранен проточкой шеек ротора.

Результаты теплового испытания считают удовлетворитель­ ными, если:

прогиб ротора при нагреве отсутствует; вначале -при нагреве прогиб появляется, но при дальнейшем

повышении температуры или при максимальной температуре испытания снижается;

допустимый прогиб остается неизменным во время выдержки при максимальной температуре и при охлаждении. Обычно счи­ тают, что прогиб ротора или вала при максимальной температуре испытания не должен превышать 0,05 мм, а в холодном состоянии после завершения испытания — 0,025 мм.

Значительные размеры испытываемых валов и роторов, необ­ ходимость осуществления точных измерений биения вала при высоких температурах и длительность теплового испытания соз­ дают существенные трудности при его выполнении. Испытания проводят на токарном станке, приспособленном для вращения испытываемого вала с небольшой частотой вращения (1—4 об/мин). Высота центров станка должна быть достаточной для того, чтобы можно было свободно установить вал и нагревательное устройство. Необходимо учитывать возможность коробления станка в про­ цессе испытания. Чтобы избежать коробления, рекомендуется устанавливать нагревательное устройство не непосредственно на станину, а на опоры высотой 150—300 мм для создания воздушной прослойки, и, кроме того, уложить на всей поверхности станины листовой асбест.

Вал в процессе испытаний обычно нагревают при помощи электрических печей. Чаще всего применяют переносные печи разъемной конструкции, имеющие в сечении квадратную форму. Под печи, изготовляемый отдельно, устанавливают на станине станка, на котором проводят тепловое испытание. На под ставят П-образный корпус печи. При большой длине испытываемых валов и роторов П-образный. корпус можно выполнять сборным с разъ­ емом по вертикальной плоскости. Обычно в таких случаях разъем­ ным делают и под. Все части печи соединяют болтами. Две тор­ цовые стенки печи выполняют разъемными в вертикальной пло­ скости для возможности сборки этих стенок при. установленном валу. В каждой части торцовой стенки имеется отверстие в форме

а иногда (дополнительно) и на поверхностях пода и свода печи. Печь должна быть достаточно жесткой, а все составные части ее —

192

транспортабельными. Печь снабжают достаточной теплоизоля­ цией. Длина печи должна позволять устанавливать вал таким об­ разом, чтобы его часть, располагающаяся в корпусе турбины, находилась во внутреннем пространстве печи. Желательно, чтобы вал в процессе испытания лежал на двух люнетах. Иногда вал устанавливают на одном люнете и зажимают в кулаках план­ шайбы.

Температуру внутреннего пространства печи измеряют обычно в трех точках по длине печи. Для термопар в своде печи преду­ сматривают отверстия. Термопару устанавливают на расстоянии —5 мм от поверхности вала. Иногда измеряют температуру и внутри ротора при помощи термопары, введенной в его осевое от­ верстие. Биение вала определяют при помощи индикаторов, уста­ навливаемых для измерений в трех точках по длине вала. Индика­ торы устанавливают также на обеих шейках вала. На некоторых заводах ограничиваются измерением прогиба только по середине длины вала или ротора.

Так как шейки вала в процессе испытания открыты и доступны, индицирование их не представляет трудностей. Иначе обстоит дело с проверкой биения вала на участках, находящихся внутри печи. Индикаторы, используемые для этой цели, монтируют вне рабо­ чего пространства печи на ее корпусе. Для передачи биения вра­ щающегося в печи вала на индикаторы применяют специально изготовленные щупы. Такой щуп представляет собой корпус, в котором может перемещаться в направляющих без заедания или заметного трения шлифованный пруток или графитовый стер­ жень, длину которого выбирают так, чтобы он одним концом ка­ сался вала, а другим— ножки индикатора. Оба конца прутка шлифуют по полусфере. В корпусе щупа устанавливают пружину, которая постоянно прижимает конец прутка к поверхности испы­ тываемого вала. Пружину не следует делать жесткой, чтобы из­ бежать образования на поверхности вала кольцевых канавок от давления щупа. Пружина должна обеспечить лишь надежный контакт между щупом и валом. Корпус щупа чаще всего закреп­ ляют на боковой стенке печи и часть его длины вводят через спе­ циальную прорезь в боковой стенке в рабочее пространство печи. Иногда щуп вводят в печь не сбоку, а сверху.

Схема одной из установок для теплового испытания вала по­ казана на рис. 57. На тех участках вала, где определяют биение, шлифуют пояски шириной 60:—80 мм.

Для проведения теплового испытания вращающийся вал на­ гревают со скоростью не более 40—50° С/ч до заданной температуры и выдерживают при этой температуре в течение установленного программой испытания времени. В период нагрева и выдержки каждые 30 мин записывают показания индикаторов в двух взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях. Выдержку при заданной температуре прекращают только после того, как показа­ ния индикаторов стабилизируются. Охлаждение ведут со ско-

194

пени снижает остаточные напряжения в металле вала или ро­ тора.

В 1941 г. были опубликованы результаты экспериментальных работ Уивера, который установил, что валы и роторы, тепловые испытания которых дали удовлетворительные результаты, будучи вторично подвергнуты нагреву в аналогичных условиях после чистовой механической обработки, прогибаются. Прогиб, достиг­ нув своего максимума при определенной температуре и выдержке, с дальнейшей выдержкой начинает снижаться и достигает допу­ стимых значений. Уивер рассматривает такой нагрев как опера­ цию, устраняющую склонность валов и роторов турбин к прогибу при нагреве, проявляющуюся после механической обработки.

Такую тепловую стабилизацию валов и роторов турбин после чистовой обработки следует, по данным Уивера, проводить для разных сталей при различных температурах, зависящих от хими­ ческого состава сталей и обычно находящихся в пределах 380— 520° С. Режим нагрева повторяют при стабилизации дважды, причем вторичный нагрев служит для контроля полноты стабили­ зации.

Л. А. Гликман и А. И. Чижик подвергли критическому ана­ лизу представления Уивера, который считает, что процесс тепло­ вой стабилизации снимает наклеп поверхностного слоя металла, образовавшийся в результате механической обработки, и тем самым создает возможность равномерного проникновения тепла при нагреве. Аргументируя вывод о несостоятельности пред­ положений Уивера, Л. А. Гликман и А. И. Чижик выдвинули иной взгляд на физическую сущность явления, указывая, что при нагреве изделий в таких условиях, когда известная доля тепла воспринимается изделием за счет излучения, равномерность рас­ пределения температур по окружности зависит от равномерности окраски (степени черноты) поверхности нагреваемого вала по окружности.

Поскольку степень черноты зависит от состояния поверхности, а оно не всегда равномерно изменяется по окружности в процессе нагрева, это может привести к известной неоднородности степени черноты по окружности изделия, а следовательно, и к его искрив­ лению. По мере повышения температуры и времени выдержки происходящее выравнивание состояния поверхности (получение одинакового цвета) должно привести к выравниванию степени черноты, а следовательно, и к устранению искривления.

Была проведена экспериментальная проверка высказанных Л. А. Гликманом и А. И. Чижиком представлений о физической природе искривления роторов и его устранении в процессе стаби­ лизации. Опыты с роторами при разной степени черноты поверх­ ности, проведенные Ф. М. Михайловым, подтвердили правиль­ ность этих представлений отечественных ученых. Особенно на­ глядным был следующий опыт: поверхность одного из роторов, подвергнутого после окончательной механической обработки тепло­

вой стабилизации двумя последовательными нагревами по методу, предложенному Уивером, была очищена от окислов по всей длине только с одной стороны примерно до половины окружности. Таким образом была достигнута значительная неоднородность степени черноты на разных половинах поверхности ротора. При нагреве такого односторонне зачищенного ротора, несмотря на предвари­ тельно проведенную стабилизацию, было получено большое искривление— биение составляло 1,19 мм.

Теоретические соображения и их опытная проверка подска­ зывают вывод о том, что тепловую стабилизацию, которая после работ Уивера нашла применение на некоторых зарубежных турбостроительных заводах, проводить не следует. Тепловые же испытания валов и роторов являются эффективным методом кон­ троля качества и способствуют повышению надежности работы роторов турбин.

Роторы турбин большой мощности подвергают испытаниям на разгон в специальных установках. Для уменьшения необходимой мощности привода испытываемый ротор вращают в вакууме. В связи со значительными размерами и массой испытываемых роторов, необходимостью обеспечения безопасности испытаний,

в собранном виде представляют собой весьма сложные соору­ жения.

Большое значение для дальнейшего повышения надежности и длительности службы роторов и дисков имеют исследования конструктивной прочности металла этих ответственных деталей турбин. Значительные по своим масштабам и плодотворные исследования в этом направлении в течение многих лет ведутся в ЦНИИТМАШе.

Создана серия установок типа ВРД, на которых испытывают диски и элементы роторов диаметром до 2 м и массой до 2 т при частоте вращения до 75 000 об/мин. Испытания проводят при тем­ пературах 20—750° С. Установки ВРД позволяют вести испыта­ ния при постоянных или изменяющихся температурах. На разных участках испытываемой детали или модели температура может быть различной и изменяться в радиальном и осевом направле­ ниях. Это позволяет имитировать условия, близкие к имеющим место в эксплуатации дисков и роторов.

В ЦНИИТМАШе до начала 1970 г. было исследовано на таких установках более 200 дисков из перлитных и аустенитных сталей, сплавов на никелевой основе и других материалов. Исследова­ ниями выявлены интересные закономерности, на основе которых сделаны выводы, имеющие большое значение для практики кон­ струирования и производства турбинных дисков и роторов. На­ пример, испытания дисков из стали 38ХНЗМФА с пределом теку­ чести 100 кгс/мм2 показали, что они в 2,5—3,5 раза более чувстви­ тельны к концентраторам напряжений, а конструктивная проч-

196