5. Расчеты на прочность

5.1. Определение осевого усилия на ротор

Расчет осевого усилия выполняется упрощенно в пределах первой нерегулируемой ступени; полученное значение умножается на число ступеней. Определяются две главные составляющие осевого усилия: на рабочих лопатках и на поверхности диска с учетом влияния разгрузочных отверстий и протечек через диафрагменные и корневые уплотнения. Методика расчета приведена в Приложении 4.

5.2. Расчет лопатки последней ступени

Рабочие лопатки испытывают напряжение изгиба от воздействия потока пара и напряжение растяжения от центробежной силы собственной массы и массы бандажа. В длинных лопатках последних ступеней ЧНД напряжения особенно велики и порой достигают предельных значений. Если в упрощенной постановке задачи принять линейный закон изменения площади профиля лопатки от корневого сечения к периферийному, то наиболее опасным сечением будет корневое. Тогда можно ограничиться определением напряжений только в этом сечении. Методика расчета приведена в Приложении 5.

5.3. Расчет диафрагмы первой нерегулируемой ступени

Диафрагмы паровых турбин испытывают воздействие разности давлений по обе стороны создающей напряжение и вызывающей их прогиб. Оценка надежности сварной диафрагмы выполняется расчетом её прогиба и максимального напряжения от разности давлений по упрощенной методике А. М. Валя [6,7]. Рассчитывается сварная диафрагма первой нерегулируемой ступени. Конфигурация диафрагмы, внутренний диаметр d, толщина δ и размеры обода принимаются по прототипу. Внешний диаметр D определяется как сумма среднего диаметра ступени, высоты сопловых лопаток и размеров обода. По выбранным размерам вычерчивается эскиз диафрагмы, рис.18. Если в результате расчетов напряжения или прогиб диафрагмы превысят допустимые значения, следует увеличить толщину диафрагмы. Методика расчета диафрагмы приведена в Приложении 6.

5.4. Расчет диска произвольного профиля

Диски турбинных роторов испытывают высокие напряжения от центробежной силы собственной массы и массы рабочих лопаток. Эти напряжения определяются частотой вращения ротора, массой рабочих лопаток, размерами и конфигурацией диска и др. В зависимости от типа ротора диск может выполняться с центральной расточкой для вала (ротор с насадными дисками), с центральным свободным отверстием (цельнокованый ротор) или без отверстия (сварной или сболченный ротор ЦНД). Диаметр расточки насадного диска составляет 430-450 мм в ЦСД и 450-550 в ЦНД. Диаметр свободного отверстия цельнокованого ротора 120-150 мм.

У дисков обычно различают обод, втулку и полотно. В некоторых случаях отсутствует обод, а у дисков без центральной расточки – втулка. Полотно выполняют коническим, постоянной толщины, гиперболическим и др. Конфигурацию и основные размеры диска выбирают по прототипу или по аналогии с подобными конструкциями. Внешний диаметр диска и ширину обода определяют в соответствии с корневым диаметром ступени, шириной лопаток и типом хвостовиков. Затем вычерчивают эскиз диска в масштабе. Диск разбивают на 4 характерных участка. Например, обод – один участок, втулка – один участок, полотно – два участка. Если полотно имеет коническую или гиперболическую конфигурацию, его представляют в виде двух участков постоянной толщины. По эскизу определяют размеры внутреннего и наружного сечений каждого участка (толщину «y» и радиус «r»), рис.17. Толщина каждого сечения в расчете принимается постоянной. Напряжения в заданных сечениях определяют методом «двух расчетов» от внутреннего радиуса к внешнему [6,7].

Первый расчет выполняется для вращающегося диска.

Второй расчет – для невращающегося (n = 0 об/мин).

Для расчетов задают граничные условия на внешнем и внутреннем радиусах диска (иначе говоря, заранее определяемые, уже известные или задаваемые напряжения). Например, граничное условие на внешнем радиусе - это заранее определяемое радиальное напряжение в диске от центробежной силы рабочих лопаток. Граничное условие на внутреннем радиусе - это известное радиальное напряжение от натяга (если диск насадной), или отсутствие напряжений (если имеется цельнокованый ротор с центральным отверстием), или др. По результатам двух расчетов определяют истинные напряжения во всех сечениях диска и строят эпюру напряжений. Найдя максимальное тангенциальное напряжение, выбирают марку стали с пределом текучести, который обеспечивает необходимый коэффициент запаса прочности:

где - предел текучести выбранной марки стали (Приложение 7); - максимальное тангенциальное напряжение в диске.

Методика расчета диска приведена в Приложении 5.