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

постъ их составляет только 27—38% прочности дисков из той же стали с пределом текучести 75 кгс/мм2.

Аналогичные результаты получены и при испытаниях дисков из сталей других марок. Исследования показали, что необходимым условием предотвращения склонности к хрупким разрушениям является ограничение предела текучести, который. не должен превышать 87% предела прочности. В процессе испытаний уста­ новлено также влияние ориентации неметаллических включений на прочность диска: включения, раскованные в плоскости диска, практически не снижают его прочности; включения же типа пло­ ских несплошностей, расположенные в радиально-осевом сече­ нии диска, резко снижают его прочность.

АУСТЕНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ ДИСКОВ, ВАЛОВ И РОТОРОВ

Валы, диски и цельнокованые роторы отечественных паровых турбин изготовляют из сталей перлитного класса. Осуществлены проработки и исследования возможности применения для этого назначения упрочненных дополнительным легированием нержа­ веющих сталей на базе 12% хрома, например стали 1Х12ВНМФ и стали 1Х12В2МФ следующего состава (в %):

Эти стали относятся к мартенсито-ферритному классу. Имеется опыт изготовления из стали 1Х12ВНМФ электрошлаковым пере­ плавом ротора барабанного типа для газовой турбины и дисков. Такие диски обладают однородными свойствами во всех направ­ лениях. Предел текучести этих дисков составляет 60—63 .кгс/мм2, а ударная вязкость 6— 12 кгс-м/см2. Для этой стали характерен и высокий запас пластичности. Диски из этой стали получили применение в газовых турбинах.

Однако уровень жаропрочности и других свойств перечислен­ ных перлитных и мартенсито-ферритных сталей недостаточен для дисков и роторов, работающих при температурах 600° С и выше. Для них используют стали аустенитного класса. В эксплуатации находятся диски из стали 1Х14Н18В2БР1, применяют стали ЗХ19Н9МВБТ, ХН35ВТ, ХН35ВТК и др. В табл. 25 и 45 при­ ведены соответственно химический состав и механические свой­ ства, которым должны удовлетворять, по техническим условиям, диски из этих сталей для газовых турбин.

А. В. Станюкович, М. Г. Таубина и Г. П. Дыкова исследовали сталь ЗХ19Н9МВБТ, используемую для дисков и роторов газовых турбин. Исследования механических свойств, длительной проч­ ности и ползучести, стабильности свойств в процессе старения были проведены на металле поковок, изготовленных по различ-

197

45. Механические свойства поковок из аустенитных сталей для дисков

ной технологии получения слитка и ведения ковки. Позднее Л. Я- Либерман обстоятельно проанализировал работоспособность указанных аустенитных сталей как металла для газовых турбин, а также вместе с М. И. Пейсихис исследовал серию опытных поко­ вок из стали ХН35ВТК. Все эти стали обладают высокими показа­ телями жаропрочности. Наиболее высоки они у стали ХН35ВТК. Высоким запасом пластичности характеризуется сталь ЗХ19Н9МВБТ. Нечувствительна к надрезу благодаря достаточ­ ному запасу пластичности сталь ХН35ВТК- У стали ХН35ВТ, не содержащей кобальта, запас пластичности меньше. Все рас­ смотренные стали чувствительны к ускоренным пускам и резким остановкам ввиду пониженного сопротивления термическим на­ пряжениям. В этом отношении аустенитные стали как материал дисков и роторов значительно уступают перлитным и упрочненным хромистым нержавеющим стаЛям.

Для дисков газовых турбин с ограниченным ресурсом исполь­ зуют высоколегированные аустенитные стали и сплавы на никеле­ вой основе.

СТАЛИ СВАРНЫХ РОТОРОВ и дисков

В некоторых энергетических паровых и газовых турбинах применяют роторы, свариваемые из отдельных поковок. На рис. 58 представлен ротор низкого давления паровой турбины К-160-130. Ротор сварен из семи поковок хромомолибденовой стали 34ХМ. Масса всего ротора — около 36 т, масса наибольшей из составля­ ющих его поковок 9 т. Диски, из которых сварен ротор, выполнены сплошными, без центральных отверстий, так как нет необходи­ мости посадки их на вал. Отсутствие отверстий позволило увели­ чить несущую способность и уменьшить осевые размеры дисков. Ротор газовой турбины ГТ-12-650 мощностью 12 000 кВт (рис. 59) сварен из шести поковок, изготовленных из аустенитной стали 1Х16Н13М2Б (ЭИ405). В годы, когда создавалась эта турбина, получение для цельнокованого ротора из аустенитной стали ка­ чественной поковки массой свыше 9 т, длиной около 4,5 м и диа­ метром более 900 мм представляло задачу, которую в существо­ вавших тогда производственных условиях решить было крайне

198

трудно. Применение роторов сварной конструкции позволило обеспечить производство газовой турбины ГТ-12-650.

Таким образом, использование сварных роторов позволяет решать сложные конструкторские и производственные задачи. Дальнейшее повышение единичной мощности паровых турбин, создание турбин для атомных электростанций, развитие газотурбостроения открывают перспективы все более широкого приме­ нения сварных роторов.

Рис. 58. Сварной ротор низкого давления паровой турбины мощностью 150 000 кВт

Отечественный и зарубежный опыт проектирования, произ­ водства и эксплуатации сварных роторов свидетельствует о том, что создание их требует тщательной и глубокой проработки кон­ струкции свариваемых частей, конфигурации и размеров швов, технологии сборки, сварки и термической обработки роторов.

Необходимой основой конструирования и производства сварных роторов являются соответствующие исследовательские работы, которые необходимо осуществлять применительно к каждому но­ вому типу ротора.

На один из турбинных заводов в свое время поступил для ремонта в связи с обнаруженным в процессе эксплуатации про­ гибом сварной ротор низкого давления паровой турбины мощ­ ностью 50 тыс. кВт зарубежного производства. Исследование по­ казало, что прогиб ротора был связан с развивающимся разруше­ нием его сварных швов. Приглашенные на завод представители

199

иностранной фирмы—изготовителя турбины приняли предъяв­ ленную рекламацию, и с их участием был осуществлен ремонт ротора. Анализ данного повреждения и имевших место на элек­ тростанциях аналогичных повреждений роторов того же типа привел, в частности, к выводу о необходимости значительного усиления сварных швов, увеличения глубины разделки под сварку более чем вдвое, и снижения до возможного минимума влияния концентраторов напряжений в корневом сечении шва.

В. Н. Земзин и Л. Д. Френкель отмечают, что при выборе глубины шва в сварных роторах желательно, чтобы корень шва был расположен на меньшем радиусе, чем дно проточки кольцевых пазов для лопаток. При такой конструкции в случае поперечных колебаний ротора сварной шов не будет испытывать знакоперемен­ ных изгибающих напряжений, которые могут иметь место, если дно пазов для лопаток расположить на меньшем радиусе, чем корень сварного шва.

Большое значение для надежной службы сварного ротора имеет тщательное соблюдение соосности сопрягаемых деталей и отсут­ ствие искривлений оси ротора после сварки. Применяют специаль­ ные приспособления для сборки частей ротора под сварку, стяж­ ные болты затягивают с контролируемым равным усилием. Роторы из сталей перлитного класса с относительно высоким содержа­ нием углерода подогревают перед сваркой обычно до температуры 300—450° С. Состав электродов, их обмазки, температуру и режим подогрева выбирают в зависимости от состава свариваемых поко­ вок, их размеров, технологического процесса сварки и пр. Для подогрева может быть эффективно использован метод индукцион­ ного нагрева.

В ходе сварки, большую часть которой выполняют на специаль­ ных приспособлениях при горизонтальном положении ротора в центрах, позволяющих провертывать ротор так, чтобы свари­ ваемый участок шва находился в нижнем положении, осуще­ ствляют контроль геометрических размеров ротора и послойную проверку качества швов. По окончании сварки ротор подвергают термической обработке для снятия остаточных напряжений и, при необходимости, для выравнивания структуры и устранения закаленных зон металла в сварном соединении.

В отечественной практике термическую обработку после сварки проводили в печах с вращением ротора, установленного в гори­ зонтальном положении. Известен опыт термообработки роторов в вертикальном положении при помощи индукционных нагрева­ телей. С расширением применения сварных роторов могут быть осуществлены полная или частичная автоматизация их сварки, создано специальное термическое оборудование и т. д.

В некоторых конструкциях газовых турбин находят примене­ ние сварные диски из стали разнородных марок, так называемые композитные диски. В практике газотурбостроения используют композитные диски с аустенитным ободом и центральной частью

200

Глава V

МЕТАЛЛЫ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ СТАТОРОВ

Цилиндры, обоймы, диафрагмы и другие детали статора тур­ бины работают в менее тяжелых условиях, чем детали роторной группы— валы, диски, цельнокованые роторы и пр. Находясь в эксплуатации в относительно неподвижном состоянии, части статора турбины не испытывают тех значительных напряжений статического; динамического и знакопеременного характера, ко­ торые возникают в металле деталей ротора вследствие их вращения с большими скоростями.

Тем не менее условия работы многих деталей статора яв­ ляются весьма сложными. Цилиндры турбин испытывают в эксплуатации напряжения от давления движущегося пара. Это

величина усилий, действующих на стенки цилиндра. Во многих турбинах цилиндры работают в условиях очень значительных перепадов давлений и температур. Так, в цилиндре среднего дав­ ления конденсационной турбины мощностью 300 тыс. кВт раз­ ность температур по продольной оси от паровпуска до паровы­ пуска может превышать 500° С. Цилиндры или отсеки низкого давления, работающие в условиях вакуума, испытывают давле­ ние воздуха снаружи.

Значительные перепады температур имеют место в цилиндрах газовых турбин. Формы цилиндров весьма сложны, и на многих их участках имеет место более или менее значительная концентра­ ция напряжений. Для удобства сборки цилиндры выполняют разъ­ емными в горизонтальной плоскости; в некоторых конструкциях турбин цилиндры имеют и вертикальные разъемы. Части цилин­ дров соединяют между собой по разъемам болтами и шпильками. Фланцы цилиндров обычно весьма массивны, толщина их значи­ тельно превышает толщину стенок. Поэтому в месте перехода от стенки к фланцу приходится иметь дело с резкими изменениями сечения. Эти особенности конструкции приводят к тому, что в от­ дельных зонах отливок возникают значительные локальные на­ пряжения, которые могут превышать номинальные в 1,5—2,5 раза и более. При нестационарных режимах, имеющих место в процессе эксплуатации турбин, в металле возникают значительные допол*

202