Глава VIII. Рабочие и направляющие лопатки

1. Назначение лопаток и условия их работы

Направляющие и рабочие лопатки по своему служебному назначению являются основными деталями паровых и газовых турбин как лопаточных двигателей. В совокупности они образу­ют проточную часть турбины, в которой происходит преобразо­вание тепловой энергии рабочей среды (пара, газа) в механиче­скую работу вращающегося ротора. Совокупность направляю­щих и рабочих лопаток называют лопаточным аппаратом турбины. -

Лопаточный аппарат является самой дорогой и наиболее от­ветственной частью турбины. Экономичность турбины — ее к. п. д.—в первую очередь зависит от качества выполнения ло­паточного аппарата. Трудоемкость изготовления лопаток совре­менной мощной паровой турбины достигает 42—45% от общей трудоемкости изготовления, всех ее деталей.

Лопатки турбин работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изги­бающему и пульсирующему воздействию рабочей среды, вызы­вающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть воз­буждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды, воздействующей на лопатки как химически, так и механически; в последних ступенях имеет место разъедание (эрозия) входных кромок лопаток частицами воды, содержащейся во влажном парс.

Указанные условия требуют особо тщательного подхода к вопросам конструирования лопаток, выбора материалов для них и организации их производства. Особо тщательно следует выполнять все образующие формы лопаток размеры и соблю­дать установленные для их изготовления технические требова­ния. Отклонения от чертежей могут вызвать в лопатках допол­нительные напряжения, не предусмотренные расчетами, что, в свою очередь, может привести к серьезной аварии турбин.

2. Материалы, применяемые для изготовления лопаток

Анализ условий, в которых работают лопатки, и изучение ти­пичных аварий лопаточных аппаратов обусловили следующие требования к материалу рабочих лопаток турбин:

а) высокая жаропрочность, т. е. сохранение высоких показа­телей прочности при высокой рабочей температуре;

б) высокая пластичность, необходимая для равномерного распределения напряжений по всей площади поперечного сече­ния лопатки; хорошая сопротивляемость местным перенапряже­ниям;

63

в) высокая усталостная прочность (выносливость);

г) высокий декремент затухания;

д) стабильность структуры, обеспечивающая неизменность механических свойств во время эксплуатации турбин;

е) сопротивляемость коррозии под действием перегретого и влажного пара, а также кислорода воздуха; высокая сопротив­ляемость окислению и окалинообразованию при высоких темпе­ратурах в газовых турбинах;

ж) высокая сопротивляемость эрозии;

з) благоприятные технологические свойства, позволяющие применять более рациональные методы обработки лопаток (в первую очередь — обработку резанием) и обеспечивающих точное выполнение размеров профиля и высокую чистоту обра­ботки. Металл для лопаток должен хорошо коваться, штампо­ваться, расклепываться без появления трещин, хорошо гнуться и вальцеваться в холодном состоянии. В случае сварных конст­рукций от металла лопаток требуется хорошая свариваемость.

Советские турбиностроительные заводы применяют для изго­товления лопаток исключительно нержавеющие стали, в основ­ном 1X13 и 2X13. Эти стали хорошо, работают в области темпе­ратур до 475° С. Заметное снижение прочности начинается лишь с 500° С. При температурах до 580° С применяется сталь 1Х12ВНМФ. Высокая пластичность этой стали обеспечивает не­значительную чувствительность ее к концентрации напряжений. Перечисленные выше стали относятся к мар.тенситному и мар- тенситно-ферритному классу. Для более высоких температур применяются стали аустенитного класса с высоким содержанием марганца и никеля.

Проверенными в работе до температур-свыше 580 до 650° С являются стали 1Х14Н18В2БР1 и ХН35ВТ. Сталь ХН35ВТ пригодна для длительной работы (до 100 000 ч) при температуре 650° С, а сталь ХН35ВТК (отличается от первой в основном содержанием кобальта) — при температуре до 700° С. Основным недостатком аустенитных сталей в лопаточном производстве яв­ляется плохая обрабатываемость резанием и высокая стоимость заготовок. Поэтому при выборе сталей для лопаток надо стре­миться прежде всего найти подходящий материал среди более дешевых хромистых сталей и только после этого начинать вы­бор среди аустенитных сталей (хромоникелевых).

Для лопаток,, работающих при температурах свыше 650 до 800° С, используются более жаропрочные (чем стали) металличе­ские сплавы' на никелевой основе. Среди них ХН70ВМЮТ, ХН80ТБЮ и др.

Повышение мощности турбин повлекло за собой увеличение длины лопаток последних ступеней свыше 1000 мм и потребова-

64