Назначение, типовые конструкции

Роторы представляют собой один из самых ответственных узлов паровой турбины. Они несут на себе рабочие лопатки, образующие вместе с направляющими лопатками, расположенными в корпусе цилиндра, проточную часть турбины, и передают на генератор крутящий момент, возникающий от окружного усилия, развиваемого потоком пара на лопатках.

Ротор турбины включает в себя вал, облопаченные диски, втулки концевых уплотнений, втулки масляных уплотнений подшипников и ряд других деталей. На валу выполнены опорные шейки под вкладыши подшипников и посадочные поверхности для насадки дисков, втулок уплотнений, полумуфт и других деталей.

Конструкции роторов и применяемые при их изготовлении материалы определяются особенностями и условиями их работы: высокой частотой вращения, значительными усилиями от центробежных сил, длительным воздействием высоких температур и быстрым их изменением, коррозионно-эрозионным разрушением металла.

Конструктивно ротор может быть выполнен с насадными дисками, цельнокованым, комбинированным, сварным.

Роторы с насадными дисками (сборные роторы) могут работать только при умеренных температурах пара, так как при высоких температурах пара вследствие релаксации напряжений может происходить ослабление посадки диска на вал; такие роторы применяются в турбинах низких и средних параметров пара и в части низкого давления мощных турбоагрегатов.

Цельнокованые роторы состоят из вала и дисков, выточенных заодно с валом из одной поковки. Цельнокованые роторы значительно компактнее, обладают более высокой жесткостью, чем роторы с насадными дисками и в основном применяются в цилиндрах с высокими параметрами пара.

Роторы комбинированного типа представляют собой комбинацию двух вышеописанных типов роторов. У роторов комбинированного типа диски нескольких первых ступеней выполнены заодно с валом, а диски последующих ступеней насаживаются на вал.

Сварные роторы изготавливают из отдельных дисков и концевых частей, соединяемых кольцевыми сварочными швами по специальной технологии. Части ротора представляют собой поковки умеренных размеров, что позволяет получить равномерную структуру металла по объему детали и улучшить тепловую стабильность ротора. Сварные роторы имеют ряд преимуществ перед другими типами роторов: меньшую массу и, следовательно, меньшие нагрузки на опорные подшипники, меньшие осевые размеры при том же количестве ступеней и как следствие большая жесткость роторов.

Характерные дефекты и причины их появления

•    Механический износ бандажей, гребней концевых и диафрагменных уплотнений в результате радиальных задеваний ротора о детали статора. Причинами задеваний, как правило, являются:

а)    нарушения центровки деталей проточной части и некачественная пригонка зазоров в уплотнениях;

б)    нарушения режимов эксплуатации при пусках, остановах и наборах нагрузки турбиной;

в)     нарушения в работе системы тепловых расширений турбины.

•    Аксиальные задевания ротора о статор, причинами которых могут быть:

а)    некачественная пригонка осевых зазоров в проточной части турбины или зазоров в уплотнениях;

б)    нарушения режимов эксплуатации при пусках, остановах и наборах нагрузки турбины;

в)     изменение положения деталей статора относительно роторов, происходящее в результате нарушений в работе системы тепловых расширений турбины.

•      Увеличенный статический прогиб роторов, возникающий в результате:

а)    механических задеваний элементов ротора о детали статора;

б)    нарушения режимов эксплуатации при пусках, остановах и наборах нагрузки;

в)     наличия поперечной трещины.

•      Повреждение рабочих лопаток в результате попадания постороннего металла в проточную часть турбины; причинами могут быть:

а)    посторонние предметы, оставленные во время ремонта в цилиндрах, органах парораспределения и присоединенных трубопроводах;

б)    разрушение деталей проточной части во время эксплуатации;

в)     попадание посторонних предметов во время эксплуатации из трубопроводов (разрушенных гильз термоконтроля, впрысков котла и т.д.).

• Усталостные поломки лопаток, происходящие чаще всего из-за нарушений в режимах эксплуатации.

• Абразивный износ бандажей, шипов рабочих лопаток, входных и выходных кромок рабочих лопаток первых ступеней роторов ВД и СД с промперегревом в результате воздействия мелких частиц окалины, отслоившейся с трубопроводов и поверхностей нагрева котла.

• Эрозионный износ рабочих лопаток, работающих в зоне влажного пара (лопатки ЧНД).
• Абразивный, эрозионный износ, «коррозионное растрескивание под напряжением» и «коррозионное усталостное растрескивание» в разгрузочных отверстиях роторов.
• Механический износ, «коррозионное растрескивание под напряжением» и «коррозионное усталостное растрескивание» в ступицах дисков.
• «Коррозионные и коррозионно-усталостные повреждения лопаток, дисков и бандажей», работающих в зоне фазового перехода.
• Коррозионные повреждения роторов, включая все детали (стояночная коррозия), происходящие при длительных простоях оборудования без консервации.
• Повреждения шеек роторов, происходящие вследствие полного или частичного прекращения подачи масла в подшипники, а также использования грязного или обводненного турбинного масла.
• Трещины, в осевых каналах роторов высокого и среднего давления, работающих в зоне высоких температур, происходящие, как правило, из-за термической усталости или дефектов изготовления.
• Трещины, на фланцах полумуфт и отверстиях под призонные болты в результате воздействия высоких знакопеременных нагрузок, возникающих из-за некачественной центровки роторов.

Термоусталостные повреждения придисковых галтелей роторов.

Применяемые материалы

Для роторов и валов турбин используют высокопрочные углеродистые или легированные релаксационно-устойчивые жаропрочные стали. Материалом дисков служат как простая углеродистая сталь, так и специальные стали (хромоникелевая, хромо-молибденовая и другие).

Для цельнокованых и комбинированных роторов ЦВД и ЦСД наиболее часто употребляются стали марок ЭИ 415 (20ХЗМВФ), Р2 (25Х1М1Ф), Р2МА (25Х1М1ФА), ЭЙ 572, обладающие высоким сопротивлением ползучести и термической усталости.

Для роторов НД применяются стали марок 34ХНЗМ, 34ХМ, обладающие высокой статической прочностью, вязкостью разрушения и высоким сопротивлением коррозионному разрушению.

Валы роторов с насадными дисками, сами диски и другие насадные детали изготавливаются чаще всего из стали марок 34ХЗМ, 35Х12Ф, 35ХМЮА; 34ХН1МА; 34ХНЗМА; 35ХНЗМФАР.

Рабочие лопатки, ленточные и проволочные бандажи изготавливаются из стали марок 20Х12ВНМФ, 15X11МФ, 08X13, 20X13, 12X13.