Ротора паровых турбин

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛМЗ - ВТУЗ)

Кафедра “Турбиностроение и средства автоматики”

Реферат

по дисциплине «Энергетические машины и установки»

на тему:

«Ротора паровых турбин»

Выполнил:       студент группы 1101

Ершевич Денис

Работу проверил:      Суханов В.А.

Санкт — Петербург 
2010

Аннотация

В реферате даны основные принципы работы роторов паровых турбин, их основные типы и части из которых они состоят.

 

Оглавление

 

 

Введение

Актуальность данной темы в том, что ротор является основной частью паротурбинной и других видов установок.

Целью данного реферата является изучение и принцип работы роторов паровых турбин.

Написание данного реферата определило ряд задач:

- изучение компьютерных программ;

- приобретение навыков использования технической литературы;

- подборки материала при составлении реферата.

 

1. Типы роторов

Ротор — подвижная часть турбины, которую во вращение приводит поток водяного пара, поступающий через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора.

Ротор паровой турбины может быть барабанного, дискового или комбинированного типа.

1.1. Барабанный ротор

Барабанный ротор (см. рис. 1.1) применяют при умеренной окружной скорости, большом числе ступеней давления, малых перепадах давлений между ступенями и необходимости очень жесткой конструкции.

Рис.1.1.Сварной барабанный ротор

1.2. Дисковый ротор

Дисковый ротор применяют при большой окружной скорости, небольшом числе ступеней давления и значительных перепадах давлений между ступенями; все эти условия имеют место в турбинах активного типа.

1.3. Комбинированный ротор

Комбинированный ротор чаще всего состоит из одного двухвенечного диска в части высокого давления и барабана в части низкого давления; двухвенечный диск дает возможность уменьшить длину барабана, так как может использовать большой перепад давлений.

Реже применяются вариант ротора комбинированного типа, имеющий в части высокого давления один двухвенечный и несколько одновенечных дисков, а в части низкого давления — барабан.

 

2. Основные части ротора

Рассмотрим по отдельности основные части ротора.

2.1. Валы

Существует довольно много различных конструкций валов, но их можно разделить на две группы.

Рис.2.1. Вал активной турбины небольшой мощности

2.1.1.   Гладкие валы

Гладкие валы (см. рис. 2.1), имеющие одинаковый диаметр по всей длине вала, где насаживаются диски. Эти валы применяются только для небольших турбин, причем диски сажаются обычно на особые промежуточные кольца или втулки (см. рис.2.2).

Рис.2.2. Способы крепления дисков к валу:

а — насаживание дисков на особые надетые на вал кольца; б — насаживание дисков на особые надетые на вал пружинящими кольцами; в — насаживание дисков на слегка конические разрезные втулки; г — насаживание на диски, снабженные «пальцевыми втулками».

2.1.2.  Ступенчатые валы

Ступенчатые валы, имеющие ряд уступов, на каждый из которых насаживается один или два диска. Такая форма вала выгодна с точки зрения его прочности, и кроме того, облегчает снимание и насаживание дисков.

На передний конец вала обычно насаживается упорный гребень и червяк или шестерню, передающие движение регулятору и масляному насосу, а на задний конец −̶− соединительную муфту. На переднем конце вала устанавливается также регулятор безопасности.

Валы изготовляют отковкой из высококачественной стали, после чего проводят соответствующую термическую обработку. Обточка и проверка вала производится очень тщательно, так как даже почти незаметный изгиб его вызывает вибрацию турбины.

Для вала любой вообще машины существует строго определенное число оборотов, при достижении которого он начинает очень сильно вибрировать; это число оборотов называется критическим числом оборотов вала и зависит от его длины, диаметра и профиля, а также от веса и расположения дисков (распределение нагрузки) и от расположения и типа подшипников.

Вибрациями в технике, вообще говоря, называют упругие колебания тела, т.е. такие колебания, которые возникают под действием какой-либо внешней силы и продолжаются, постепенно затухая, в течение некоторого промежутка времени после того, как действие уже прекратилось. Число колебаний тела в единицу времени (например, в 1 сек) называются частотой колебаний. Каждое тело, имеющее определенную массу и форму и определенным образом  закрепленное, будучи выведенным из состояния покоя, имеет известное и всегда постоянное для него число колебаний, которое называется частотой собственных колебаний тела и практически не зависит от величины действующей силы.

Кроме собственных или свободных колебаний тела, возможны вынужденные колебания его, вызываемые периодически действующими внешними силами. Если внешняя сила действует на тело периодически и частотой собственных колебаний тела или имеет величину, меньшую частоты собственных колебаний в целое число раз, то наступает резонанс колебаний, причем происходит значительное увеличение их амплитуды, часто разрушающе действующее на тело.

В паровой турбине вынужденные колебания вызываются толчками пара при прохождении лопаток мимо сопел и рядом других причин. Частота этих колебаний зависит от числа оборотов вала. То число оборотов вала, которое равно частоте собственных колебаний вала (в минуту), и является его критическим числом оборотов.

При числах оборотов, больших или меньших критического, вал будет работать спокойно за исключением тех моментов, когда число оборотов оказывается меньше критического в целое число раз. В эти моменты вибрация усиливается, хотя и не достигает такой степени, как при критическом числе оборотов.

Валы паровых турбин бывают жесткого и гибкого типа. Первые работают при числах оборотов ниже критических; вторые — при числах оборотов выше критических.

Таким образом, при пуске турбины с жестким валом приходится переходить только через резонансные числа оборотов (меньшие критического в целое число раз), а при пуске турбины с гибким валом — и через критическое число оборотов. Эти моменты нужно знать заранее и переходить через них быстро и в полном соответствии с указаниями, данными в инструкции завода-изготовителя турбины.

2.2. Барабаны

Существуют четыре основные конструкции барабанов реактивных турбин( турбина, в которой значительная часть потенциальной энергии рабочего тела (напор жидкости, теплоперепад газа или пара) преобразуется в механическую работу в лопаточных каналах рабочего колеса, имеющих конфигурацию реактивного сопла. У современных турбин окружное усилие, вращающее рабочее колесо, создаётся суммарным действием силы, возникающей при изменении направления потока рабочего тела в лопаточных каналах ("активный" принцип), и реактивного усилия, развиваемого при возрастании скорости рабочего тела в них ("реактивный" принцип). Отношение количества энергии, преобразованной в рабочих лопатках турбины, ко всему использованному количеству энергии называется степенью реактивности r (при r = 1 турбину называют чисто реактивной, а при r = 0 — чисто активной). Практически все турбины работают с какой-то степенью реактивности, однако Р. т. обычно принято называть только те турбины, в которых по "реактивному" принципу преобразуется не менее 50% всей потенциальной энергии рабочего тела, т. е. у Р. т. r 3 1/2).

1. Первая конструкция

Барабаны, представляющие собой увеличенную в диаметре часть сплошного вала (см. рис. 2.3 а). Этот тип барабана применяется в тех случаях, когда требуется значительная окружная скорость при небольшом диаметре барабана.

 

Рис.2.3. Различные конструкции барабанных роторов:

а — барабаны, откованные вместе с одной частью вала; б — барабаны, представляющие собой увеличенную в диаметре часть сплошного вала; в — барабаны, с двух сторон напрессованные в горячем виде на утолщения вала или прикрепленные к ним болтами; 
г — барабаны, изготовленные посредством сварки из отдельных колец и дисков.

2.2.2.  Вторая конструкция

Барабаны, откованные вместе с одной частью вала; вторая часть вала закрепляется в барабане горячей посадкой или иногда приваривается к нему болтами. Барабаны этого типа (см. рис. 2.3 б) встречаются в турбинах небольшой и средней мощности довоенных поставок.

На одном из концов барабана, обычно со стороны высокого давления, имеется разгрузочный поршень, пар от которого часто отводят через внутреннюю полость барабана в промежуточную ступень турбины или конденсатор.

Барабан изготовляют отковкой из стали, обрабатывают сначала внутреннюю часть, закрепляют его на валу и затем обтачивают снаружи и балансируют.

2.2.3.  Третья конструкция

Барабаны, с двух сторон напрессованные в горячем виде на утолщения вала или прикрепленные к ним болтами (см. рис. 2.3 в); такие барабаны большого диаметра встречаются в очень мощных импортных турбинах.

2.2.4.  Четвертая конструкция

Барабаны, изготовленные посредством сварки из отдельных колец и дисков (см. рис. 2.3 г), что дает очень жесткую конструкцию, могущую выдержать высокие окружные скорости, но требует очень тщательно продуманной и выполненной сварки. Этот тип ротора получает в последнее время все большее распространение, по мере усовершенствования технологии сварки.

2.3. Диски

Каждый диск, как уже говорилось выше, несет один или несколько рядов лопаток, вставленных хвостами в проточенные по окружности дисков пазы, насаженные на обод диска или насаженных и приклепанных к нему.

Диски можно выполнять из высококачественной стали, так как они могут быть хорошо прокованы. Поэтому в них и допускают большие напряжения; роторы дискового типа находят широкое применение при больших окружных скоростях.

Материалом дисков служит как простая углеродистая сталь, так и специальные стали (хромоникелевая, хромоникелемолибденовая и др.). Заготовки для дисков тщательно испытывают в заводских лабораториях, и никакие дефекты в них не допускаются; поверхность диска тщательно обрабатывают.

В дисках тех ступеней турбины, которые должны работать без реакции или с малой степенью реакции, обычно сверлят по несколько отверстий для выравнивания давлений по обе стороны диска.

Посадка дисков на вал производится всегда с значительным натягом, диск насаживают горячим с таким расчетом, чтобы увеличение диаметра отверстия втулки во время эксплуатации турбины было меньше, чем полученное от нагревания при посадке диска.

Дело в том, что во время пуска и в нормальной работе диаметр диска слегка увеличивается за счет нагрева и действия центробежных сил; это вызывает ослабление натяга посадки диска на валу. Отсутствия натяга при работе может вызвать «болтание» диска, опасную для турбины вибрацию ротора и быть причиной аварии. Рациональное закрепление дисков на валу является поэтому задачей особенно важной.

2.3.1.  Способы насадки дисков

1. Насаживание дисков на особые надетые на вал кольца (см. рис.2.2, а); способ этот принимают многие турбиностроительные заводы. Фирма Броун-Бовери выполняет эти кольца пружинящими, что должно сохранять плотность посадки при расширении диска от нагревания и центробежной силы (см. рис.2.2, б). Однако опыт эксплуатации показал неудовлетворительность такого способа посадки дисков при высоких температурах пара.

2. Насаживание  дисков на слегка конические разрезные втулки (см. рис. 2.2 в); способ этот имеет то достоинство, что степень натяжения при напрессовывании можно установить с большей точностью, при обычной посадке.

При большом посадочном натяге применяется подогревание дисков в кипящей воде перед впрессовыванием втулки. Для снятия дисков с вала вытягивают втулки при помощи приспособления, показанного на рис. 2.5.

 

Рис.2.4. Приспособление для вытаскивания конических втулок, крепящих диск:

1 — упорное кольцо; 2 — съемник; 3 — отжимной болт.

Для предупреждения проворачивания дисков их закрепляют плоскими шпонками, поочередно расположенными с двух или трех сторон вала ротора. Крайний диск ротора закрепляется гайкой, кольцом или иным способом. Перед насаживанием посадочные поверхности вала и втулок дисков обычно смазывают графитом для предохранения от прикипания. Между втулками соседних дисков, а также между гайкой и втулкой последнего диска должны быть оставлены зазоры порядка 0,1…0,2 мм для свободного расширения дисков при нагревании.

3. В области  высоких температур большие диски  снабжаются «пальцевыми втулками» (см. рис. 2.4 г и 2.5). В таких дисках центральное отверстие растачивается до диаметра вала, с припуском на натяг для посадки на вал. В запрессованной втулке просверливается в радиальном направлении ряд отверстий, куда загоняются штифты (пальцы). Собранный таким образом диск с втулкой обычным способом надевается на вал.

 

Рис.2.5. Крепление диска посредством пальцевой втулки

Цель этого устройства следующая: если во время работы турбины диск вследствие расширения от нагревания и центробежной силы начинает терять натяг и ослабнет на втулке, то пальцы не позволят диску расцентроваться и болтаться на втулке. Втулка же, плотно сидящая на валу и имеющая примерно равную с ним температуру и небольшую массу, свой натяг сохранит.

Иногда посадка дисков на вал с помощью пальцевых втулок применяется и в высоконапряженных больших дисков ступеней низкого давления мощных современных турбин. В последние годы получили большое распространение роторы, вал которых откован заодно с дисками. Достоинством их являются отсутствие посадок, могущих ослабнуть в эксплуатации турбины, и меньшая длина, так как отпадает необходимость крепления дисков на валу, вследствие чего втулочные части дисков могут быть тоньше. Ввиду того что отковать ротор большого диаметра из одного слитка стали очень трудно, наибольшее применение цельнокованые роторы имеют для частей высокого давления многокорпусных турбин (см. рис. 2.6.) и для быстроходных турбин небольшой мощности.