Корпус турбины. Термические напряжения в корпусах

Рассмотрим явления, вызываемые нестационарностью теплового состояния элементов турбины при пуске. К ним относятся: 1) появление термических напряжений в стенках и фланцах корпуса турбины, паропроводов, стопорных и регулируемых клапанов; 2) появление дополнительных растягивающих напряжений в шпильках горизонтального разъёма корпуса турбины, а также в шпильках фланцевых соединений клапанов и паропроводов; 3) возникновение прогиба цилиндра вследствие разности температур верхней и нижней частей корпуса турбины; 4) изменение линейных размеров ротора и статора; 5) изменение осевых зазоров в проточной части турбины вследствие разности удлинений ротора и корпуса; 6) изменение радиальных зазоров в проточной части турбины; 7) изменение посадочных напряжений деталей ротора, имеющих температурный натяг.

Скорость прогрева турбины является нормируемой величиной, поскольку от неё зависят не только напряжения в узлах и стенках при прогреве, но и температурные расширения элементов турбоагрегата. Для исключения недопустимых температурных напряжений в металле скорость прогрева корпусных деталей турбин не должна превышать при нагреве от 50 до 300°С – 3,5; от 300 до 400°С – 2,5; от 400°С и выше – 1,5°С/мин. Неконтролируемые температурные расширения могут вызвать задевания в проточной части турбины, что является серьёзной аварией. При пуске турбоагрегата фиксируются два типа температурных расширений: абсолютное (статора) и относительное (ротора).

Абсолютным расширением (удлинением) статора называется температурное удлинение всех цилиндров, начиная от фикс-пункта в сторону переднего подшипника турбины. При отсутствии задеваний в направляющих шпонках абсолютное удлинение никаких ограничений по пуску турбины не вызывает.

Относительным удлинением (укорочением) ротора называется разность между значениями абсолютных удлинений ротора и статора. Ротор, имея, как правило, меньшую массу, чем статор, при прогреве приобретает более высокую температуру, что приводит к удлинению ротора (при охлаждении, наоборот, - к укорочению ротора); в результате изменяются осевые и радиальные зазоры в проточной части.

Изменение осевых зазоров (минимальные в области упорного подшипника) могут достигнуть недопустимого значения в элементах проточной части, достаточно удалённых от упорного подшипника (уплотнения последних ступеней, задние уплотнения вала турбины).

Из всех элементов, испытывающих температурные напряжения, в наиболее тяжёлых условиях находятся фланцевые соединения корпусов цилиндров высокого давления. Из-за большой металлоёмкости они прогреваются очень медленно, вследствие чего в этих элементах наблюдаются наибольшие разности температур. При большой скорости прогрева напряжения во фланцевом соединении могут превзойти предел текучести. Такие режимы пуска приводят к появлению трещин в стенках корпусов цилиндров и короблению фланцев.

Наряду с корпусом значительные термические напряжения при неустановившемся режиме испытывает и ротор. В процессе прогрева турбины при пуске из холодного состояния тепловой поток направлен от наружной поверхности ротора к его центру (при охлаждении – в обратном направлении). Возникающая при этом разность температур приводит к появлению термических напряжений в элементах ротора, которые особенно велики при резких теплосменах (тепловых ударах). Наличие на поверхности ротора концентраторов напряжений может привести к образованию трещин вследствие малоцикловой усталости металла. Такими концентраторами напряжений являются термокомпенсационные канавки в области лабиринтовых уплотнений. Эти канавки выточены на валу для того, чтобы предохранить ротор от прогиба в случае задеваний в лабиринтовых уплотнениях.

При резких теплосменах вследствие концентрации напряжений в области этих канавок термические напряжения могут значительно превзойти предел текучести металла ротора и сократить срок службы его даже при ограниченном числе теплосмен.

Следующим фактором, ограничивающим скорость пуска турбины, является возникновение в процессе пуска разности температур между фланцами и шпильками. Наряду с появлением дополнительных напряжений сжатия во фланце шпильки испытывают значительные дополнительные напряжения растяжения. Это в первую очередь относится к ЦВД, где напряжения от затяжки шпилек велики.

Следствием термически неустановившегося состояния является также появление разности температур верха и низа корпуса турбины при её останове. Эта разность температур может появиться также при пуске из-за скопления конденсата в нижних точках корпуса турбины при неудовлетворительной работе дренажных устройств.

Наличие разности температур между верхом и низом корпуса приводит к выгибу корпуса вверх тем более значительному, чем больше длина корпуса между опорами. Выгиб корпуса приводит к уменьшению нижних радиальных зазоров в уплотнениях диафрагм и надбандажных уплотнениях, что может явится причиной задевания ротора о статор при вращении ротора.

ЛЕКЦИЯ № 10 РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБИН (продолжение)

Дата добавления: 2015-07-20