ротор паровой турбины

Когда говорят ?ротор паровой турбины?, многие представляют просто массивный стальной вал с дисками. На деле, это сердце агрегата, и его поведение в работе — целая история. Часто упрощают, считая главным лишь балансировку. Но балансировка на стенде и работа под паром при 3000 об/мин — разные вещи. Тут и тепловые расширения, и критические скорости, и усталостные напряжения в пазах дисков под корневыми частями рабочих лопаток. Сам видел, как на одной из старых советских турбин К-200 после длительной работы появлялись микротрещины именно в этих зонах — не из-за плохой стали, а из-за циклических термомеханических нагрузок, которые при проектировании, возможно, недооценили.

Конструкция: где кроются ?подводные камни?

Конструктивно роторы бывают цельнокованые, составные и барабанные. Для мощных энергоблоков, конечно, цельнокованые из качественных сталей типа 25Х1М1Ф. Но здесь есть нюанс: сама поковка. Неоднородность металла, внутренние раковины — бич. Даже при современном УЗК-контроле что-то может уйти. Помню случай на ремонте турбины ПТ-60: при фрезеровке пазов под лопатки последней ступени открылась небольшая полость. Пришлось снимать весь диск посадочным диаметром — головная боль, простояли лишних три недели.

А ещё посадка дисков на вал с натягом. Казалось бы, классика. Но расчёт этого натяга — искусство. Перетянешь — могут возникнуть чрезмерные напряжения, недотянешь — при останове-пуске диск может ?поплыть? на валу. Есть эмпирические формулы, но без опыта и анализа конкретных режимов работы станции не обойтись. Мы в своей практике, занимаясь капитальным ремонтом для разных клиентов, всегда запрашиваем историю режимов эксплуатации — были ли частые пуски, работа на переменных нагрузках.

Особый разговор — проточки для уплотнений. Лабиринтные уплотнения. Зазоры здесь — миллиметры и десятые доли миллиметра. При сборке и центровке ротора паровой турбины в статоре малейший перекос ведёт к одностороннему подтёртыю. Потом при работе — повышенные вибрации. Контроль зазоров щупами — это база, но сейчас всё чаще используют лазерное сканирование, что точнее. Хотя старые мастера доверяют больше своим рукам и щупам.

Материалы и термообработка: что не написано в сертификате

Марка стали — это полдела. Важна именно термообработка, которая даёт необходимую структуру: троостит или сорбит. Механические свойства по всему объёму должны быть однородными. Бывало, получали ротор от субподрядчика, вроде по сертификату всё в норме, а при пробной механической обработке (проточке) резец ведёт себя странно — твёрдость ?плывёт?. Значит, при закалке и отпуске не выдержали режим. Такую заготовку — в брак, иначе ресурс под большим вопросом.

Для роторов, работающих в зоне влажного пара (ЦНД), проблема — эрозия. На входных кромках последних ступеней часто наплавляют стеллит или применяют лопатки с закалёнными вставками. Но сам ротор, его диски в этих местах тоже страдают. При технической модернизации старых турбин иногда видим характерные ?вымытые? канавки на поверхности дисков напротив концов лопаток. Тут уже не обойтись без наплавки и последующей точной механической обработки на станках с ЧПУ. Это кропотливо и требует точного знания геометрии.

И нельзя забывать про ползучесть. Для роторов, работающих на сверхкритических параметрах пара, это определяющий фактор ресурса. Металл ?ползёт? под нагрузкой и температурой. Поэтому регулярные замеры биений, вибромониторинг — не просто отчётность, а способ поймать начало необратимых изменений. У нас на проектировании новых моделей для современных ТЭЦ всегда закладываем расчёт на ползучесть, используем данные по аналогичным установкам, которые уже отработали свой парковый ресурс.

Балансировка: от стенда до ?горячего? состояния

Балансировочный станок — святое место. Но идеально сбалансированный на стенде ротор после установки в корпус может дать вибрацию. Почему? Во-первых, свои собственные деформации корпуса и опор. Во-вторых, тепловое состояние. ?Холодная? центровка и ?горячая? — отличаются. Мы всегда при монтаже и наладке закладываем время на ?обкатку? — постепенный вывод на номинальные параметры с постоянным замером вибраций по подшипникам. Иногда приходится останавливать, снимать крышку цилиндра и делать корректировочные балансировочные грузы прямо на месте. Это не по учебнику, но такова реальность.

Ещё момент — балансировка с присоединёнными элементами: муфтой привода генератора, иногда маслоотражающими кольцами. Их масса влияет. Поэтому балансируем всегда в сборе со всеми штатными элементами, которые будут вращаться. Однажды была история на турбине для привода насоса: проигнорировали полумуфту, считая её лёгкой. В итоге при пробном пуске вибрация за 100 мкм. Пришлось снимать, балансировать отдельно ротор с полумуфтой, потом снова собирать.

Современные методы, конечно, ушли вперёд. Онлайн-вибромониторинг позволяет строить карты вибраций в зависимости от нагрузки и температуры. Это бесценные данные для выявления таких дефектов, как ослабление посадки диска или развитие усталостной трещины. Но интерпретировать эти карты должен человек с опытом. Алгоритм может показать аномалию, а причина может быть в чём-то внешнем, например, в состоянии фундамента или трубопроводов.

Ремонт и восстановление: практические кейсы

Капитальный ремонт ротора — это часто не просто замена лопаток и балансировка. Это глубокая ревизия. Например, восстановление посадочных мест под подшипники скольжения. Они со временем изнашиваются, появляется овальность. Приходится наплавлять баббит, а затем растачивать на токарном станке до номинального размера с высочайшей точностью. Тут без квалифицированного токаря-универсала не обойтись.

Бывают и аварийные ситуации. Попадание воды в цилиндр (гидроудар) — кошмар. Может погнуть вал. Прямолинейность вала проверяем стрелой прогиба на призмах. Если прогиб превышает допустимый, встаёт вопрос о правке. Правка роторов — операция рискованная, методом локального нагрева или под прессом. Требует ювелирного расчёта, иначе можно сделать только хуже. Мы берёмся за такое только при полной диагностике и с согласия заказчика, ведь это не гарантийная операция, а скорее попытка спасти дорогостоящий узел.

Сотрудничая с компаниями вроде ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование (их сайт — https://www.chinaturbine.ru), которые занимаются полным циклом от проектирования до обслуживания, видишь разные подходы. Их практика показывает, что для роторов, поставляемых на замену для устаревшего парка станций, часто эффективнее не ремонтировать старый, а изготовить новый по модернизированному проекту, с учётом накопленных эксплуатационных проблем. Они как интегрированное предприятие могут это сделать — от чертежа до испытаний. Это логично: иногда ?залатать? сложнее и дороже, чем сделать заново с улучшениями.

Мысли в сторону эксплуатации

Всё, что делается с ротором при ремонте или производстве, упирается в условия эксплуатации. Самый совершенный ротор можно убить неправильными пусками и остановами. Резкие перепады температуры пара — главный враг. Возникают термические напряжения, которые могут привести к раскрытию тех самых микротрещин.

Поэтому наша работа как специалистов по монтажу и наладке не заканчивается сдачей объекта. Мы всегда настаиваем на обучении персонала заказчика, передаём рекомендации по режимам пуска и останова. Иногда даже разрабатываем для них упрощённые инструкции-памятки. Потому что можно идеально собрать агрегат, но его ресурс в руках эксплуатационников.

И ещё про диагностику. Регулярный внутренний осмотр при каждом капитальном ремонте — обязательно. Фотографируем критичные места: пазы дисков, галтели, места посадок. Сравниваем с фото прошлого ремонта. Так можно отследить развитие потенциально опасных изменений. Это не высокие технологии, но метод, проверенный годами. В сочетании с современными средствами контроля он даёт почти полную картину состояния ротора паровой турбины. В итоге, всё сводится к вниманию к деталям и пониманию физики процессов. Без этого любая, даже самая дорогая технология, — просто инструмент в пустую.