Совершенствование конструкций быстроходных турбин для электростанций на органическом и ядерном топливе

Развитие конструкций быстроходных турбин для электростанций на органическом и ядерном топливе характеризуется систематической отработкой узлов и деталей, улучшением их качества, надежности, экономичности, технологических и эксплуатационных качеств. Большое внимание уделяется совершенствованию конструкций цилиндров низкого давления, удельный вес которых составляет значительную часть в турбинах для электростанций на органическом, топливе и возрастает до 70% в турбинах АЭС.
К основным конструктивным особенностям высокооборотных турбин ХТЗ имени С. М. Кирова можно-отнести применение:   двух-стенных конструкций корпусов всех цилиндров; сварных диафрагм из проката углеродистых сталей, а в зонах с высокой температурой или большой влажностью — из легированных сталей; жестких сварно-кованных роторов ЦНД, обладающих высокой надежностью; соединений всех роторов турбины и генератора жесткими муфтами; защитных анти-эрозионных наплавок на деталях и систем удаления влаги из проточной части в зонах с большим содержанием влаги; поперечных двухходовых конденсаторов.
В выпускаемых ранее заводом турбинах на 3000 об/мин применялись цилиндры низкого давления со встроенными опорами роторов и корпусами, в которых усилия от атмосферного давления, а также от обоймы диафрагм и ротора воспринимаются системой взаимно-перпендикулярных перегородок. В зависимости от типоразмера турбины эти ЦНД при одних и тех же принципиальной конструкции и габаритах имеют незначительные различия по числу отборов, способу их вывода, конструкции паро-впуска и проточной части. Все это приводило к снижению эффективности производства, так как практически каждая турбина имела ЦНД, отличный от ЦНД других турбин.
Задача улучшения технологичности и повышения эффективности производства была решена заводом путем создания унифицированного цилиндра низкого давления, пригодного для всех высокооборотных турбин, изготавливаемых заводом. Такой цилиндр был разработан и впервые применен в пятицилиндровой с четырьмя ЦНД турбине К-750-65/3000. Выхлопной патрубок этого цилиндра представляет собой «сотовую» конструкцию с улучшенными аэродинамическими качествами и габаритами такими же, как и в существующей не модернизированной конструкции. Коэффициент потерь патрубка по результатам продувок, моделей на ХТЗ имени С. М. Кирова и в ЦКТИ имени И. И. Ползунова меньше 1. Конструкция заимствована у ЛМЗ имени XXII съезда КПСС и предусматривает раздельный отвод пара после последней ступени из верхней и нижней половин корпуса по отдельным отсекам. По сравнению с прежними ЦНД серийных турбин улучшен периферийный обвод проточной части в зоне последней ступени. Для унифицированного ЦНД принят боковой подвод пара с расположением паро-впуска ниже горизонтального разъема. Паровпускные трубы 0 1200 мм соединяются на монтаже с паровпускными патрубками корпуса ЦНД при помощи сварки. Принятая конструкция узла паро-впуска улучшает ремонтопригодность турбоагрегата, так как не требует его отсоединения при разборках ЦНД. Впуск пара в обойму ЦНД выполнен с установкой направляющих ребер в подводящих полостях, расположение ребер осуществлено с учетом аэродинамических исследований на модели. Двух-поточная проточная часть ЦНД не претерпела каких-либо особых изменений в сравнении с ЦНД турбины К-500-240-2. Она имеет по пять ступеней в каждом потоке й рабочие лопатки последней ступени длиной 1030 мм с цельно-фрезерованными бандажами.
На основании выполненных расчетов по оптимизации тепловой схемы с учетом различных типоразмеров турбин приняты оптимальное разделительное давление и количество отборов. Из каждого ЦНД осуществлено три отбора за первой, второй и четвертой ступенями. В выхлопном патрубке корпуса предусмотрена система его охлаждения впрыском конденсата при работе турбины на холостом ходу. Для предотвращения захолаживания наружной поверхности обоймы при попадании на нее влаги она экранируется тонкими стальными листами с зазором 8—10 мм. Такая конструкция предохраняет обойму от деформаций и раскрытия фланцев горизонтального разъема, что способствует повышению экономичности ЦНД.
Дальнейшего повышения эффективности производства, уменьшения трудоемкости и металлоемкости этого узла можно ожидать при переходе к конструкции стержневого ЦНД со встроенными опорами, разработки которой ведутся в настоящее время на заводе.
Как указывалось, характерной особенностью турбин ХТЗ имени С. М. Кирова является широкое применение сварных роторов ЦНД. Впервые такой ротор был применен в турбине ПВК*150, головной образец ( которой был выпущен в 1958 г. За двадцатилетний период заводом накоплен большой опыт проектирования, изготовления и эксплуатации сварных роторов, зарекомендовавших себя весьма надежным элементом агрегата.
В настоящее время все ЦНД быстроходных турбин ХТЗ имени С. М. Кирова имеют роторы сварной конструкции. Ротор ЦНД серийных турбин (рис. 2) сваривается из семи частей. Шесть кольцевых швов с подкладными кольцами, соединяющие элементы ротора, имеют одинаковую разделку.
Диски первой — пятой ступеней выполнены без центральных отверстий; последние два диска выполнены в виде тел равного сопротивления. Диск пятой ступени откован заодно с хвостовиком. В существующих конструкциях ротор выполнен с насадными полу-муфтами. В дальнейшем имеется в виду перейти на конструкцию с цельноковаными полумуфтами. Большое внимание уделяется совершенствованию лопаточного аппарата турбин, повышению их надежности и экономичности. Разработана и внедрена на многих типах турбин конструкция лопаток последней ступени ЦНД длиной 1030 мм с цельно-фрезерованным бандажом.
При создании конструкций турбин для АЭС К-220-44, К-500-65/3000, К-750-65/3000                широко использован большой опыт эксплуатации влажно-паровых турбин, особенно по повышению эрозионной стойкости элементов проточной части. 3 этих турбинах предусмотрено удаление части влаги в регенеративные отборы и через отверстия, просверленные в обоймах диафрагм. Предусмотрено также периферийное влагоудаление из каждой ступени через «камеры-ловушки» над рабочими лопатками. На рабочих лопатках, имеющих угол Р* меньше 90°, для улучшения сепарации влаги срезана часть бандажа, благодаря чему входные кромки лопаток открыты. Напротив среза в статоре турбины расположена входная щель ловушки. Осевые размеры щели выбираются таким ч образом, чтобы обеспечить минимальные отсосы газовой фазы и предотвратить возврат влаги в проточную часть.
В ступенях ЦНД и на последних ступенях ЦВД, периферийные сечения которых выполнены с большими углами входа (Р1>-90), открываются выходные кромки рабочих лопаток. Учитывая, что в предпоследней ступени ЦНД рабочие лопатки имеют резко-переменные сечения по высоте и что периферийное удаление влаги за ними неэффективно, диафрагма последней ступени выполнена с внутриканальной сепарацией влаги. В этих диафрагмах направляющие лопатки, обод и тело диафрагмы — полые. Пароводяная смесь отводится в полость лопатки и затем дренируется в конденсатор.
Все рабочие и направляющие лопатки турбин АЭС изготавливаются из хромосодержащих сталей, стойких против эрозионного разрушения. На рабочих лопатках двух последних ступеней ЦНД, кроме того, упрочняются также входные кромки. Для предохранения от эрозионного размыва элементы статоров ЦВД и ЦНД, в том числе диафрагмы, изготавливаются из хромосодержащих сталей. Применяются также наплавки электродом из эрозионно-стойких сталей опорных поверхностей и разъемов элементов статора ЦВД в зоне плотного пара. Как показал опыт длительной эксплуатации, принятые для турбин АЭС методы активной и пассивной защиты весьма эффективны и обеспечивают надежную эксплуатацию проточной части турбин.