Типовые конструкции и основные материалы рабочих лопаток

Рабочие лопатки являются одними из наиболее ответственных и дорогостоящих элементов турбины. Во время работы они подвергаются воздействию различных факторов: высоких температур, коррозии, эрозии, а также статических, динамических и температурных напряжений. Выбор конструктивной формы, размеров и материала зависит от условий, в которых им приходится работать и в значительной степени определяет надежность и экономичность эксплуатации турбин [7, 10, 11, 55...61, 86].

Конструктивно рабочую лопатку можно разделить на следующие части: рабочая часть, промтельная часть, хвостовик и элементы связей ступени рабочих лопаток.

Рабочая часть (перо лопатки) по периметру сечения подразделяется на внутренний и наружный профили. Профиль рабочих лопаток может быть постоянным по всей высоте лопаток или переменным по высоте. Кроме этого, в рабочих ступенях применяются лопатки с закрученным пером. Постоянный профиль имеют, как правило, короткие лопатки, устанавливаемые в ЧВД и на первые ступени ЧСД.

Хвостовик — часть рабочей лопатки, посредством которой она закрепляется на рабочем колесе и через которую передаются на диск все нагрузки лопатки. По способу установки лопаток на рабочее колесо различают рабочие лопатки с тангенциальной заводкой лопаток, верховой (радиальной) посадкой и осевой заводкой. Конструкция хвостовика лопатки выбирается исходя из условий обеспечения необходимой прочности. На рис. 8.1 в качестве примера показаны некоторые типы хвостовиков лопаток.

В ЧВД и ряде ступеней ЧСД, как правило, применяется "Т-образное" хвостовое соединение (рис. 8.1,й, 6, в), которое отличается простотой конструкции и наиболее технологично в изготовлении. Особенность сборки ступени с таким хвостовым соединением заключается в том, что заводка лопаток в паз производится через два диаметрально расположенных колодца. Перед заводкой хвостовики пригоняются друг к другу по краске по прилегающим поверхностям. Для предотвращения изгиба щечек диска на лопатках и диске могут быть выполнены заплечики.

Для турбин ХТЗ характерно использование различных конструкций грибовидных хвостовиков. В зависимости от нагрузки они могут быть одноопорные, двухопорные, трехопор-ные (рис. 8Л,г, д), Наборка лопаток на диск осуществляется аналогично "Т-образному" соединению с установкой одной замковой лопатки или замка.

Тангенциальный натяг по окружности создается за счет установки замковых лопаток с определенной толщиной хвостовиков, крепление которых в диске осуществляется одной или двумя заклепками.

У хвостового соединения с тангенциальной заводкой имеется существенный недостаток — при необходимости замены одной лопатки должен быть удален хотя бы один замок и все лопатки от замка до поврежденной лопатки.

Большей несущей способностью обладают вильчатые хвостовые соединения (рис. 8.1, е, ж) с верховой (радиальной) посадкой рабочих лопаток. Прочность такого соединения обеспечивается определенным количеством вилок. Крепление каждой лопатки на диске осуществляется одной или двумя заклепками. Заклепки могут устанавливаться либо по середине каждого хвостовика лопаток, либо в стыке хвостовиков соседних лопаток (рис. 8.2). Перед наборкой на рабочее колесо лопатки подгоняются другу к другу по прилегающим плоскостям.

Радиальное положение рабочих лопаток обеспечивается их плотной посадкой на гребень (гребни) диска (рис. 8.3). Требуемый натяг в окружном направлении в такой конструкции достигается специальными технологическими приемами при облопачивании. Для повышения несущей способности вилки могут быть выполнены переменного сечения по высоте.

Существуют также конструкции вильчатых хвостовиков типа "наездник", в которых вилки закрывают обод диска (рис. 8.1,е).

Самой большой несущей способностью обладают елочные хвостовые соединения с торцевой заводкой лопаток в диск. Заводка лопаток с елочными хвостовиками в диск производится либо строго аксиально, либо под углом к оси, либо по дуге в зависимости от профиля корневого сечения. Прижатие лопатки к диску по контактным площадкам при осевой заводке лопаток происходит под действием центробежных сил.

Для удобства сборки и установки связей, а также для стопорения лопаток в осевом направлении производится установка стопорных пластин или стопорных пластин с клиньями в паз диска под нижний торец хвостовика лопатки.

В паровых турбинах КТЗ применяются зубчиковые хвостовые соединения, профиль которых аналогичен елочному, но заводка лопаток в паз диска осуществляется тангенциально. Принцип сборки и работы колеса с такими лопатками, а следовательно и недостатки такого соединения, такие же, как для других лопаток с торцевой заводкой.

Промтельная часть — это переходный участок лопатки от хвостовика к рабочей части, который находится за пределами диска, но не является рабочей частью.

Для снижения вибрационных напряжений, возникающих в процессе эксплуатации, на рабочие лопатки устанавливаются связи разных конструкций (рис. 8.4). Установка связей требует внесения на рабочую часть лопатки дополнительных конструктивных элементов:

— отверстий под проволоку и усиления профиля в виде поясков на наружном профиле в зоне отверстий;

— шипов (круглых или профильных) на верхнем торце лопаток под ленточные бандажи;

— цельнофрезерованных, выполненных заодно с лопаткой, бандажей в виде полок. Материалы, применяемые при изготовлении лопаток, выбираются исходя из условий

эксплуатации лопатки и действующих на нее усилий [7,15, 55, 61]. Основными материалами, традиционно используемыми в отечественном турбостроении, являются нержавеющие стали мартенситного класса марок 12X13, 20X13, 15X11МФ. В настоящее время эти стали получают методом шлакового переплава (12Х13Ш, 20X1ЗШ, 15Х11МФШ), что позволило улучшить их качество за счет снижения содержания в них неметаллических включений.

Для лопаточного аппарата регулирующих ступеней ЦВД и первых ступеней, расположенных после промперегрева пара, применяют стали марок 20Х12ВНМФШ или 18Х11МНФБШ, как наиболее жаростойкие.

	Рис. 8.2. Расположение заклепок в стыках хвостовиков соседних лопаток с вильчатой посадкой		Рис. 8.3. Радиальная посадка рабочей лопатки на гребни диска

Стали марок 12Х13Ш и 20Х13Ш рассчитаны на работу до температуры не выше 400...450 °С, поэтому они применяются для рабочих лопаток части среднего и низкого давления.

Для ступеней давления ЧВД используется сталь марки 15X11МФШ. Она же применяется для изготовления лопаток наиболее нагруженных ступеней ЧНД. Сталь этой марки может работать до температуры 500...550 °С и обладает высокой прочностью и пластичностью, так как может быть термообработана до категории прочности КП70.

Есть опыт применения стали марки 13Х1Ш2В2МФ-Ш (ЭИ961-Ш) КП-75 в лопатках последней ступени турбин К-300-240, К-500-240, К-800-240 производства ЛМЗ, однако известны случаи повреждений этих лопаток [87].

8.2. ХАРАКТЕРНЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК И ПРИЧИНЫ ИХ ПОЯВЛЕНИЯ

В процессе ревизии и ремонта турбин обнаруживаются дефекты рабочих лопаток, требующие устранения. Наиболее часто встречаются следующие неисправности [1, 12, 13, 15, 62, 63, 76, 88, 89]:

• Механические повреждения

Наиболее распространенными и практически не зависящими от места расположения ступени в турбине являются случайные механические повреждения. Эти повреждения могут быть вызваны инородными предметами, случайно попавшими в проточную часть после ремонта, и частями разрушившихся при эксплуатации деталей, расположенных перед данной ступенью. Характер механических повреждений проявляется либо в виде забоин, которые могут быть расположены на любом участке лопатки, включая кромки, либо в виде деформации всего профиля, кромок или верхнего торца лопатки. Особенно опасны острые забоины, расположенные на кромках. В некоторых случаях (при больших размерах забоины и расположении ее в месте максимальных напряжений в лопатке) концентрация напряжений может привести в дальнейшем к разрушению.

• Усталостные повреждения

В турбине в процессе эксплуатации из-за наличия неравномерности потока всегда имеются возбуждающие силы, вызывающие колебания рабочих лопаток. При колебаниях в лопатках возникают динамические напряжения, которые способствуют накоплению усталости и при определенных условиях могут привести к усталостному разрушению бандажей, связей, самих рабочих лопаток и дисков.

Уровень динамических напряжений зависит от режима эксплуатации и конструктивных особенностей проточной части. Многочисленные экспериментальные исследования турбин разных типов и различных заводов-изготовителей показали, что для рабочих лопаток последних ступеней ЧНД основное влияние на величину напряжений оказывает такой эксплуатационный параметр, как давление в конденсаторе. В околоотборных ступенях турбин дополнительные возбуждающие силы возникают из-за значительной стационарной неравномерности потока, вызванной наличием камер отборов и аэродинамическим несовершенством их конструкции. Лопатки, расположенные в зоне фазового перехода, получают дополнительное динамическое воздействие вследствие неравномерного поля давления по окружности, так как конденсация пара происходит не одновременно во всем объеме.

• Коррозионные повреждения

Коррозионные повреждения лопаток наблюдаются во всех типах турбин. Это связано с тем, что в паровой среде всегда содержатся коррозионно-активные вещества, а от их количества зависит лишь скорость развития повреждений.

Коррозионные повреждения можно подразделить на несколько видов:

— коррозионное растрескивание под напряжением;

— коррозионно-усталостное разрушение;

— питтинговая и язвенная коррозия.

Коррозионному растрескиванию под напряжением подвержены в основном рабочие лопатки и диски, расположенные в зоне фазового перехода, т.е. там, где в паре начинает образовываться жидкая фаза и происходит ее осаждение на поверхности в виде пленки. Поскольку момент образования влаги не является постоянно привязанным непосредственно к какой-то ступени, а в зависимости от параметров острого пара, поступающего в турбину, смещается вверх или вниз по проточной части, то в образовавшейся пленке при повышении температуры происходит увеличение концентрации коррозионно-активных веществ, которые, скапливаясь в неровностях, всегда имеющихся на поверхностях, под действием статических напряжений вызывают растрескивание металла.

Коррозионно-усталостное разрушение связано с воздействием динамических сил, а коррозионно-активные вещества, попав в появившуюся микротрещину, ускоряют ее развитие, причем процесс этот идет постоянно. При этом рано или поздно разрушение детали произойдет обязательно, а время до разрушения зависит от концентрации коррозионо-активных веществ и уровня динамических напряжений в детали.

Коррозионные повреждения в виде питтингов и язв являются концентраторами напряжений и в зависимости от их размера, количества и места расположения могут привести к разрушению рабочих лопаток и дисков. При значительной потере металла вследствие коррозии снижаются прочностные характеристики лопаток и изменяются собственные частоты колебаний. Образование таких повреждений в процессе эксплуатации происходит обычно на ступенях, расположенных в зоне фазового перехода и реже в зоне влажного пара. При длительных простоях турбины питтинги и язвы могут образовываться по всей проточной части турбины (стояночная коррозия), а вблизи отборов, дренажей и запорной арматуры — наиболее интенсивно. Это является следствием конденсации пара, поступающего на поверхности проточной части неработающей турбины через неплотно закрытую или дефектную арматуру дренажей, отборов и т. п.

• Эрозионные повреждения

Рабочие лопатки ЧНД (в большей степени последние ступени) подвержены эрозионному износу. Износ входных кромок связан с наличием процессной влаги и часто усугубляется сниженной (по условиям работы котла) температурой свежего пара при сохранении расчетного начального давления. Эрозия выходных кромок связана с подсосом влаги из конденсатора или отборов и развивается, как правило, от корня лопатки. Эрозионные повреждения, особенно в виде сквозных промывов, служат концентраторами напряжений и могут привести к усталостному разрушению рабочих лопаток. Усталостные испытания, проведенные на образцах из лопаток 31-й и 40-й ступеней турбины Т-250/300-240 и на натурных лопатках 25-й ступени Т-100/120-130, показали, что эрозионный износ может снизить предел усталости лопаток до двух раз в зависимости от степени износа, по сравнению с новыми лопатками [89]. При значительной потере металла вследствие эрозии снижаются прочностные характеристики, нарушается вибрационная отстройка лопаток и ухудшаются аэродинамические показатели проточной части.

Разновидностью эрозии является также повреждение рабочих лопаток твердыми частицами, которые представляют собой окалину с поверхностей нагрева котла. Как правило, такой эрозии подвержены первые ступени ЧВД и ступени ЧСД, расположенные сразу после промперегрева.

Дата добавления: 2015-08-18