Диафрагма паровой турбины

Диафрагмы турбины — кольцевые перегородки (в собранном виде) с сопловыми ре­шетками, в каналах которых происходит преобразо­вание тепловой энергии пара в кинетическую энергию его струй.

Диафрагма состоит из двух полукольцевых пла­стин, имеющих горизонтальный разъем, позволяю­щий установить ротор. Каждая половина диафраг­мы состоит из соединенных между собой обода, которым диафрагма сопрягается с обоймой или корпусом турбины, тела и сопловых лопаток. В осевом направлении она фиксируется радиальной шпонкой, устанавли­ваемой в разъеме, а в поперечном специальным штифтом или небольшой специальной вертикаль­ной шпонкой.

Диафрагма устанавливается (см. рис. 19) в охватывающей ее детали так, чтобы с одной стороны она могла свободно расширяться, а с другой — расширяться вполне определенно: ее ось должна совпадать (или почти совпадать) с осью охватывающей ее детали. Для этого (см. рис. 19) ее нижняя половина свободно подвешивается в корпусе или обойме с помощью лапок так, чтобы при работе ее гори­зонтальная плоскость совпадала с плоскостью разъема корпуса (или обоймы). Продольная шпонка, расположенная между диафрагмой и обоймой, фиксирует вертикальную плоскость. Таким образом обеспечивается центровка.

В большинстве конструкций диафрагм их верхние половины подвешиваются в верхней половине обоймы и при закрытии обоймы свободно ложатся на разъем нижней половины так, как показано (рис. 20).

Рис. 19. Установка нижней половины диафрагмы в обойме

1 — диафрагма; 2 — обойма; 3 — опорные лапки нижней половины диафрагмы; 4 — радиальная шпонка; 5 — специальная шпонка

Рис 20. Взаимная фиксация половин диафрагмы / — специальная вертикальная шпонка; 2 — специальная радиальная шпонка; 3 — опорные лапки; 4 — обойма; 5 — регулировочные прокладки

Основная нагрузка, действующая на диафрагму, — перепад давлений, под действием которого диафрагма прогибается, угрожая осевыми задеваниями. Поэтому каждая диафрагма проходит гидравлические испытания, при которых измеряется ее прогиб при нагрузке, превышающей эксплуатационную в 1,5 раза.

В первых ступенях ЦВД, где температура высо­ка, под действием перепада давлений возникает явление ползучести: диафрагма приобретает оста­точный прогиб по ходу пара. При этом сокраща­ются осевые зазоры и возникает еще большая опасность задеваний.

В современных турбинах используют два вида диафрагм: литые и сварные.

Литые диафрагмы используют в ЦНД, где температура невысока и можно использовать в качестве материала чугун. Литые диафрагмы с длинными лопатками всегда выполняют с косым разъемом, для того чтобы исключить разрезку лопаток, попадающих на разъем.

Если разъем сделать прямым, то части разрезанных лопаток, расположенные на половинах диафрагмы, конечно, идеально не совпадут. Поток пара в каналах с разрезанными лопатками будет искажаться, и появятся силы, возбуждающие вибрацию рабочих лопаток и вызывающие усталостные поломки.

Точная центровка половин диафрагмы при косом разъеме обеспечивается одной вертикальной шпонкой, установленной на ободе диафрагмы.

Нижняя половина диафрагмы подвешивается в нижней половине обоймы на лапках через подгоночную прокладку. Лапки к диафрагме крепятся винтами. Для фиксации вертикальной плоскости в обойме устанавливают продольную шпонку. Для закрепления в верхней половине обоймы верхней половины диафрагмы к ней в области разъема крепятся лапки.

При подъеме обоймы стопорные шайбы подхватывают диафрагму за эти лапки. При нормальной работе турби­ны половины диафрагмы соприкасаются только в разъеме, а между подгоночной прокладкой и обоймой так же, как между лапкой и стопорной шайбой имеются зазоры.

Для фиксации осевого положения в гребне диафрагмы по окружности устанавливают штифты, создающие зазор 0,1—0,2 мм, достаточный для сво­бодного осевого расширения диафрагмы. Для свободного радиального расширения предусматривается зазор 2,5—3 мм. На внутренней поверхности тела диафрагм выполняют фигурный паз, в который вставляют сегменты уплотнения.

В области высоких давлений и температур, где высоты сопловых лопаток малы, диафрагмы изготавливают исключительно сварными. Литье при малых высотах лопаток не может обеспечить достаточной точности изготовления, не говоря уже о том, что для изготовления необходимо было бы использовать сталь.

При изготовлении сварной диафрагмы отдельно фрезеруют сопловые лопатки и штампуют бандажные ленты, в которых пробивают отверстия точно по профилю лопаток с необходимым шагом и углом установки. Затем эти элементы сваривают, а к ним приваривают тело и обод диафрагмы.

Для фиксации осевого положения половин диафрагмы и уменьшения утечки пара в разъеме устанавливают поперечную шпонку 8, а на боковой поверхности — вертикальную шпонку 9.

Диафрагма подвешивается в обойме с помощью лапок 6 и 7, как описано выше.

Сварные диафрагмы универсальны. Их используют не только в ЦВД и ЦСД, но часто и в ЦНД.

Рис 21. Сварная диафрагма для ЦВД турбин

Типичные проблемы диафрагм

1. Прогар сопловых лопаток. Перегрев пара выше расчётного: лопатки плавятся, КПД ступени падает.
2. Эрозия входных кромок. Влажный пар в последних ступенях ЦНД: капли воды разрушают входные кромки — стеллитовые пластины защищают.
3. Ослабление посадки диафрагмы в корпусе. Диафрагма гуляет в расточке — вибрация и задевания.
4. Трещины в лопатках. Усталостные трещины от вибрации: контроль ультразвуком при ревизиях.

Частые вопросы

Что такое диафрагма турбины?

Неподвижная перегородка в проточной части турбины с сопловыми лопатками: пар через сопла приобретает направленную скорость и поступает на рабочие лопатки ротора.

Из чего делают диафрагмы?

Чугун или сталь в зависимости от температуры пара: чугун — для ЦНД, сталь — для ЦВД и ЦСД. Сопловые лопатки — из нержавеющей стали.

Диафрагмы по цилиндрам турбины

Цилиндр	Температура пара	Материал диафрагмы	Особенность
ЦВД	540–560 °C	сталь хромомолибденовая	высокие температуры и давления
ЦСД	300–500 °C	сталь углеродистая	средние параметры
ЦНД	100–300 °C	чугун	влажный пар, эрозия лопаток

Детали конструкции диафрагмы

• Обойма диафрагмы — корпус, вставляемый в расточку корпуса турбины: центрируется по трем радиусным поверхностям;
• Сегменты с гребнями — половины диафрагмы стянуты по горизонтальному разъёму: сегменты вставляются в расточку и удерживаются пружинами;
• Сопловые лопатки — профилированные пластины из нержавеющей стали, закреплённые в теле диафрагмы: формируют паровой поток на рабочие лопатки;
• Каналы для пара — проходное сечение между лопатками: пар разгоняется и приобретает направленную скорость;
• Болты стягивания половин — стягивают верхнюю и нижнюю половины диафрагмы по горизонтальному разъёму;
• Ключи для поворота — при монтаже сегменты поворачиваются для регулировки зазоров.