Файл: Глебов, И. А. Научные проблемы турбогенераторостроения.pdf

Прежде всего в условиях Ижорского завода был выполнен макет из двух частей (каждая сечением 750×1150 мм, длиной 1750 мм),

выкованных из слитков стали марки 35ХНМФА весом по 22.5 т.

Слитки выплавлялись в дуговой печи с последующим вакууми­

рованием. Электрошлаковая сварка производилась тем же метал­

лом, который применялся для слитков. После сварки проводилась ковка суковом 1.5. Последующие исследования показали, что свар­ ное соединение получилось практически однородным с основным металлом.

Полученные на макете результаты дали возможность перейти

с уковом 1.8.

Выполнение работ по сварке двух макетов и проверка каче-

ства сварных соединений позволили Ижорскому заводу при участии ЦНИИТМАШ и Института электросварки им. Е. О. Патона перейти

к изготовлению сварно-кованого ротора турбогенератора мощно­ стью 500 МВт. Такой ротор образуется из трех слитков весом по 162 т. После ковки слитков производится сварка трех частей

(рис. 6-8). В результате получается цельный блок весом 260 т.

Далее этот блок поступает на ковку и термообработку с целью улуч­ шения свойств металла в зоне сварных соединений.

Готовая поковка ротора весом около 160 т имеет следующие раз­

меры: диаметр бочки 1800 мм, длина бочки 6000 мм, общая длина вала 14 000 мм, диаметр центрального внутреннего отверстия

400 мм.

Преимущество производства сварно-кованых поковок по сравне­ нию с цельным заключается в отсутствии необходимости рекон­

струкции сталеплавильного производства и перехода на более

совершенную технологию на участке сталеплавильного производ­

ства, а также в возможности создания роторов очень большого веса.

Следует заметить, что все остальные участки производства

(ковка, термическая и механическая обработка) должны быть рас­

считаны на полный вес заготовок.

116

Несмотря на определенные преимущества производства сварно­ кованых поковок, имеется ряд вопросов, которые должны быть тщательно изучены до перехода к широкому практическому внед­

рению такого способа. К ним относятся: влияние термического

цикла на ухудшение металла в зоне сварного соединения; появле­ ние непроваров и сварочных трещин, которые могут быть концент­

раторами напряжений; значительное влияние остаточных напряже­

ний, обусловленных усадкой сварного шва и тепловыми дефор­ мациями; пониженная и нестабильная усталостная прочность сварных соединений. Кроме того, технологический цикл изготов­

ления сварно-кованого ротора является более длительным, так как необходимо проводить термообработку частей ротора перед

сваркой, а также всего ротора после сварки.

Если вместо мартеновской стали использовать слитки электро-

шлакового переплава, то можно ожидать значительного улучше­

ния сварно-кованых слитков. Этим объясняется широкое разви­ тие работ по сварно-кованым поковкам из стали электрошлакового переплава и электрошлаковой сварке. Такие работы проводятся

вСССР, ФРГ, ЧССР, Франции, Бельгии и Италии. Так, например,

вФРГ выпускаются слитки с диаметром 1000—1500 мм и весом

20—50 т. К 1972 г. был разработан технологический процесс из­

готовления слитков диаметром 2300—2500 мм и весом от 80 до 160 т. Если опыт со слитками электрошлакового переплава таких весов окажется удачным, то будет сделан переход к следующей ступени — слиткам с диаметром около 3000 мм и весом 300—350 т. К тому же если учесть, что в слитках из обычной стали имеются прибыльные части, а в слитках электрошлакового переплава их, по существу, нет, то при том же весе слитка вес поковки из стали электрошла­

кового переплава будет существенно больше, чем из обычной стали. Действительно, прибыльная часть вверху слитка, где в наиболь­ шей мере сосредоточиваются посторонние примеси, а также при­ быльная часть внизу слитка составляют 30—40% от общего веса слитка. Верхняя прибыльная часть отрезается до начала ковки,

а нижняя — после окончания ковки. Поэтому слитки электро-

Iшлакового переплава весом порядка 350 т могут служить базой для изготовления цельнокованых поковок для четырехполюсных турбогенераторов очень большой мощности.

ВБельгии в 1972 г. производились слитки весом 40 т, а в

1973 г. — в 100 т.

В СССР освоено производство слитков электрошлакового пе­

реплава весом 40 т и намечается дальнейшее увеличение их веса

до 150 т. `

Существенным преимуществом поковки, полученной из слитков

электрошлакового переплава с помощью электрошлаковой сварки, является более высокое качество металла и сварного шва по

сравнению со сварной поковкой из мартеновской стали. В связи C этим имеется реальная возможность существенно снизить вели-

117

чину укова и получить высокие механические свойства поковок.

Более того, в связи с высокой пластичностью стали электрошла-

кового переплава при наличии высоких прочностных показателей для дальнейшего изучения может быть поставлена проблема полу­ чения заготовок из слитков без ковки, хотя даже постановка такой

проблемы для крупных поковок представляется дискуссионной. Таким образом, поковки из стали электрошлакового переплава являются весьма перспективными. Однако в 1972—1973 гг. в СССР и за рубежом освоены промышленные производства слит­

ков весом лишь около 40 т, что совершенно недостаточно для со­

здания тяжелых поковок, необходимых для обеспечения выпуска мощных четырехполюсных турбогенераторов.

Сборные поковки. Для изготовления ротора, поковка которого состоит из нескольких частей, не требуется очень круп­

ных слитков. В результате все операции, от выплавки до чистовой механической обработки, могут выполняться при существующем

на заводах оборудовании, не требующем больших капитальных вложений для реконструкции цехов заводов, производящих по­

ковки, как это необходимо при других способах производства.

Наряду с этим для изготовления сборных поковок используются сравнительно небольшие слитки, что повзоляет наиболее просто обеспечить высокое качество их изготовления, а также надежный контроль. В частности, могут быть использованы слитки из стали электрошлакового переплава. Кроме того, необходимость иметь в бочке ротора центральное отверстие повышенного диаметра дает возможность исключить тот объем стали, который при обычной технологии имеет худшие показатели. К недостаткам сборных поко­ вок следует прежде всего отнести большой объем работ по механиче­ ской обработке элементов составного ротора. При этом существенно

отметить то, что эти работы должны проводиться с очень высокой точностью. Кроме того, по-видимому, эксплуатационная надеж­ ность таких роторов может оказаться несколько ниже цельноко­ ваных роторов.

Наибольших успехов в созданий сборных роторов добилась фирма «Броун Бовери», изготовившая более 350 сборных роторов для генераторов различных мощностей. В 1970 и 1971 гг. были созданы роторы с чистым весом около 200 т для четырехполюс­ ных турбогенераторов мощностью 1330 MBA по заказу энерго­ систем США. В 1974 г. намечается изготовление для США сбор­ ного ротора для турбогенератора мощностью 1480 MBA. Создание составных роторов с таким весом является крупным достижением

фирмы, по данным которой, ни один из сборных роторов, изготов­ ленных за 20 лет, в процессе эксплуатации не имел признаков усталостных разрушений.

В СССР в 1947 г. было изготовлено 2 сборных ротора для четырех­ полюсных турбогенераторов мощностью по 100 МВт. Эти роторы

успешно эксплуатируются на электростанциях, В последние годы

118

в СССР была проведена особенно большая работа в этой области

ЦНИИТМАІПем и Ижорским заводом под руководством Н. Н. Зо-

рева. Она завершилась созданием составного ротора весом около

140 т.

Кратко рассмотрим устройство сборных роторов на примерах фирмы «Броун Бовери» и отечественных разработок. В основу рассмотрения целесообразно положить сборные роторы наиболь­ шего веса, т. е. 200 т — фирмы «Броун Бовери» и 140 т — отече­ ственные.

Рис. 6-9. Сборный вал ротора фирмы «Броун Бовери».

1,2 — места стыков.

Наиболее полно рассмотрение проблем тяжелых роторов с по­ зиций фирмы дано в [85, 91, 139]. Вес каждого из роторов турбо-

Iгенераторов 1333 и 1490 MBA со скоростью вращения 1800 об./мин. составляет около 200 т [104].

Для этих роторов используется сталь с пределом текучести 65 кГ/мм2, содержащая 2.5% Ni и имеющая магнитную индукцию

1.85и 1.96 Тл при значениях н. с. 140 А/см и 320 А/см, соответ­ ственно. Принципиальная конструкция ротора показана на рис. 6-9. Наиболее тяжелая часть ротора имеет вес 65 т. Активная часть

(бочка ротора) состоит из трех частей. Кроме того, имеются две

концевые части и центральная стяжка. Средняя часть бочки ро­

тора насаживается на центральную стяжку горячей посадкой.

Стяжка имеет центральное отверстие и одноходовую резьбу с двух сторон с шагом 36 мм. Через это отверстие пропускается пар тем­

пературой 280o C в течение такого времени (не более 1.5 часа),

119

чтобы не успела нагреться бочка ротора. В результате происходит удлинение стяжки на 16 мм, которое контролируется и является критерием нагрева ее до нужной температуры. Перед нагревом

на стяжку навинчивают вплотную к бочке ротора концевые части, в процессе нагрева ее появляется возможность дополнительного наворачивания концевых частей. Так как одностороннее удлинение стяжки составляет 8 мм, то каждая концевая часть должна быть

повернута на угол, равный 8∕36×360=80o. При этом выбираются зазоры во всех стыках вдоль ротора. При охлаждении стяжки со­ здается натяг, а следовательно, и сжатие по всем плоскостям сты­

ков. При фрезеровании ротора получается некоторая дополнитель­ ная его усадка. В конечном счете окончательное удлинение стяжки составляет 11.2 мм. Это создает силу сжатия в 6750 т. В результате на всех плоскостях стыков (рис. 6-9, жирные линии) возникают напряжения сжатия. Следует заметить, что удлинение стяжки при

нагреве до величины 16.ми выбрано исходя из необходимости иметь указанную силу сжатия.

Основным критерием для оценки составной конструкции ро­

тора является отношение напряжения сжатия к напряжению от изгиба в зоне нижней наружной кромки поверхности соприкосно­ вения. Это отношение в фирме «Броун Бовери» называется «на­

Для получения достаточно высокого удельного давления на поверхности стыков площадь их была уменьшена приблизительно

до 20Q0 см2.

Согласно имеющимся данным фирмы «Броун Бовери», надеж­ ность стыковки для четырехполюсных машин составляет 4.5— 6.0, а для двухполюсных машин — 6.0—8.0. Исходя из этого, имеется достаточный запас на дополнительные изгибные напряще-

120