Konstrukcja elementów turbin

      W każdej turbinie, pomimo różnic budowy, można wydzielić kilka odrębnych funkcjonalnie zespołów, jak: dysze, tarcze kierownicze, łopatki wirujące, wirniki, sprzęgła, kadłuby, dławnice i łożyska.

Dysze stopnia regulacyjnego, tworzące segment dyszowy, wraz z komorą dyszową służą do przeprowadzania pary od zaworów regulacyjnych do układu łopatkowego turbiny. Dysza składa się z oprofilowanej przegrody oraz ścianek ograniczających - górnej i dolnej. Przegroda sąsiedniej, przylegającej dyszy zamyka kanał przepływowy w kierunku obwodowym. W budowie turbin spotyka się różne rozwiązania dysz i segmentów dyszowych oraz różne sposoby łączenia ich z komorą dyszową. Zwykle segment składa się z poszczególnych dysz całkowicie frezowanych (jak łopatki wirujące), wsuwanych w obwodowe wytoczenie segmentu. Jest też stosowane wykonanie całego wsuwanego lub przykręcanego segmentu dyszowego w wersji spawanej (jak tarczy kierowniczej), tańszej od frezowania. Przy wyższych parametrach pary stosuje się segmenty całkowicie frezowane lub całkowicie odlewane na gotowo (odlew precyzyjny), lub stanowiące różne kombinacje powyższych sposobów. Komora dyszowa przy niższych parametrach pary jest zwykle integralną częścią kadłuba. Przy parametrach wyższych stanowi oddzielny element, spawany do kadłuba, co upraszcza jego odlew.


Dysza stopnia regulacyjnego a) frezowana, b) frezowano- spawana, c) całkowicie frezowany segment dyszowy

Tarcze kierownicze, niosące wieńce kierownicze i odgrywające rolę przegród pomiędzy kolejnymi stopniami turbiny budowy komorowej, są dzielone zawsze w płaszczyźnie poziomej przechodzącej przez oś wirnika, dla umożliwienia montażu. Tarcza kierownicza składa się z pierścienia zewnętrznego 1, wieńca łopatek kierowniczych 2, średnika 3 i zamocowanej w jego wytoczeniu dławnicy międzystopniowej. Istnieje szereg sposobów łączenia łopatek kierowniczych ze środnikiem i pierścieniem zewnętrznym, podobnych jak w segmentach dyszowych. W strefie wysokich i średnich parametrów pary najczęściej jest stosowana obecnie konstrukcja tarczy spawanej. Łopatki są tu zwykle cięte z profilowanego pręta i spawane początkowo punktowo z blaszanymi pierścieniami 4, 5 w otworach w kształcie profilu łopatki. Pierścienie te łączy się następnie głębokimi spoinami ze średnikiem i pierścieniem zewnętrznym. W strefie niskich parametrów. szczególnie w turbinach mniejszej mocy, stosuje się odlewane tarcze żeliwne z zalewanymi w nich stalowymi łopatkami. Tarcze kierownicze są mocowane w kadłubie bezpośrednio lub za pośrednictwem obejm.


Tarcze kierownicze a) odlewana żeliwna z zalanymi stalowymi łopatkami kierowniczymi, b) schemat tarczy spawanej, c) łopatki zespawane

Łopatki wirujące przenoszą na wirnik moment obrotowy wytworzony przez strumień pary przepływającej przez kanały międzyłopatkowe. Łopatka składa się z dwóch zasadniczych części: części profilowej i stopki, służącej do połączenia z wirnikiem. Dla zwiększenia sztywności łopatki łączy się przeważnie po kilka lub kilkanaście sztuk za pomocą bandaża lub drutu wiążącego w tzw. pakiety. Część profilowa łopatek krótkich ma ten sam profil na wysokości (łopatka cylindryczna), łopatki dłuższe mają profil zmienny (łopatki zwijane). Zasadnicze zmiany profilu wzdłuż wysokości łopatki, przy jednoczesnym znacznym jej skręceniu i przestrzennym ukształtowaniu, są charakterystyczne dla łopatek ostatnich stopni turbin kondensacyjnych dużej i wielkiej mocy. Stopka łopatki może być pełna lub podzielona na stopkę części profilowej i przekładkę. To ostatnie rozwiązanie jest stosowane w turbinach mniejszej mocy. Przekładka zapewnia tu właściwą podziałkę łopatek. Łopatki turbin bębnowych (reakcyjnych) mniejszej mocy są cięte z profilowego pręta, uzyskanego drogą przeciągania lub walcowania, Pozostałe typy łopatek są frezowane. Istnieje wiele typów stopek łopatkowych.


Łopatki wirujące z przekładkami

Bandaż jest zwykle wykonywany oddzielnie z blachy i nitowany do łopatek. Silnie obciążone łopatki są frezowane łącznie z górną półką, stanowiącą segment bandaża. W takim przypadku możliwe jest z wirnikiem i segmentów bandaża między sobą przez spawanie. Łopatki kierownicze turbin budowy bębnowej są wykonywane tak jak łopatki wirujące przy czym stosuje się stopki prostsze (mniejsze obciążenie, brak l-wych). Dysze, łopatki kierownicze oraz łopatki wirujące są wykonywane ze stali nierdzewnych (o zawartości przynajmniej 13% Cr), a przy wysokich temperaturach pracy lub dużych obciążeniach - z wysokostopowych stali austenitycznych.


Różne typy stopek łopatek


Łopatka ostatniego stopnia

Wirniki turbin są typu tarczowego lub bębnowego. Wirnik tarczowy może być składany, i wtedy oddzielnie odkute koła wirnikowe są połączone z wałem skurczowo, lub kuty wraz z kołami wirnikowymi. Podobnie wirniki bębnowe mogą być pełnokute, z wydrążeniem lub bez, oraz składane z elementów połączonych skurczowo ze wzmocnieniem śrubami lub spawane.

Łożyska. W turbinach parowych są stosowane praktycznie wyłącznie łożyska ślizgowe. Na przeszkodzie w wykorzystaniu łożysk tocznych stoją duże prędkości obwodowe przy znacznych średnicach czopów oraz znaczne ilości ciepła dopływającego poprzez wał z wnętrza turbiny. Dla odprowadzenia tego ciepła łożyska są zasilane dużą ilością oleju, większą niż potrzebna do wytworzenia klina smarowego

Sprzęgła. W budowie turbin są stosowane następujące rodzaje sprzęgieł:

  • sprzęgła sztywne - o bardzo prostej budowie;
  • sprzęgła półsztywne, z członem pośrednim o nieznacznej elastyczności (w postaci grubościennej tulei falistej, wstawionej pomiędzy końcówki sprzęgła sztywnego); sprzęgła takie dopuszczają nieznaczny kat między liniami sprzęgniętych wałów i przenoszą momenty skręcające oraz siły osiowe, a w ograniczonym stopniu momenty zginające i siły poprzeczne;
  • sprzęgła podatne, głównie kłowe i zębate, umożliwiające wzajemne przemieszczenia promieniowe i osiowe oraz pewną nierównoległość łączonych wirników;
  • sprzęgła elastyczne (sprężyste), dopuszczające większe kąty między osiami łączonych wirników, wyrównujące ponadto gwałtowniejsze zmiany momentu skręcającego.

Zastosowanie sprzęgieł podatnych i elastycznych (nie przenoszących momentów zginających i sił poprzecznych), wobec wymienionych ich zalet, daje oczywiste korzyści przy montażu i w eksploatacji turbiny, jest jednak ograniczone ze względu na wytrzymałość i szybkie zużycie zakresem mocy do 25-30 MW. Przy większych mocach są stosowane wyłącznie sprzęgła sztywne i częściowo półsztywne. Wiąże się z tym konieczność niezwykle starannego zachowania współosiowości sprzęganych wirników. Stwarza to szczególne problemy w turbozespołach wielokadłubowych dużych mocy, gdzie linia sprzęgniętych wirników osiąga długość 50 m i więcej.

Kadłuby są odpowiedzialnymi elementami turbin, obciążonymi ciśnieniem pary o wysokiej temperaturze. Parametry pary zmieniają się znacznie w miarę jej przepływu przez kadłub. Wynikające stąd znaczne różnice ciśnień i temperatur w obrębie kadłuba tworzą poważne utrudnienia konstrukcyjne, co jest jedna z przyczyn budowy wielokadłubowej turbin pracujących przy wysokich parametrach pary. Kadłuby są dzielone (wyjątek stanowi kadłub garnkowy) poziomo w osi dla umożliwienia montażu oraz często pionowo - dla ułatwienia obróbki mechanicznej. Przy wysokich parametrach pary kadłuby są odlewane. Kadłuby części niskoprężnych turbiny są przeważnie wykonywane z blachy stalowej. Podparcie kadłubów stanowią zwykle stojaki łożyskowe z łapami stanowiącymi przedłużenie kołnierza poziomego podziału dolnej części kadłuba.

Dławnice uszczelniają przejścia wału turbiny między przestrzeniami o różnych ciśnieniach; przy wyjściach wału z kadłuba są to dławnice zewnętrzne (końcowe), a przy przejściu przez tarcze kierownicze - międzystopniowe. Wobec dużych prędkości obwodowych i temperatury pracy w turbinach mogą być stosowani tylko uszczelnienia bezstykowe, głównie labiryntowe. Zasada zmniejszenia przecieku pary w dławnicy labiryntowej sprowadza się do tego że prędkość powstała w szczelinie przy ostrzu dławnicy, uzyskana kosztem spadku ciśnienia, praktycznie zanika w komorze za szczeliną wskutek uderzeń o ścianki i wirów. Do następnej komory dławnicy dopływa para o obniżonym ciśnieniu itd. Dławnica labiryntowa nie zapewnia, oczywiście, całkowitej szczelności, stąd stosuje się odprowadzanie z niej pary przeciekowej. Dławnica składa się z dzielonego kadłuba, obejmującego czop wału, i właściwego uszczelnienia z ostrzami. Rozwiązania konstrukcyjne ostrzy są bardzo różne: mogą być one wykonane z blachy zawalcowywanej w rowkach nieruchomych lub wirujących albo wytaczane.

Dławica labiryntowa

Fundament, na którym jest ustawiony turbozespół, wykonuje się obecnie przeważnie jako konstrukcję żelbetową, wyjątkowo jako konstrukcję stalowa, W gruntach o dużej nośności fundament ustawia się wprost w wykopie, w gruntach słabych osadza się go na głęboko wbitych żelbetowych palach Ciężar turbozespołu przenoszą na fundament płyty fundamentowe (żeliwne lub spawane z blach), zalane w betonie i ściągnięte śrubami kotwowymi. Fundamenty poszczególnych maszyn muszą być izolowane od siebie i od fundamentów maszynowni dla uniknięcia przenoszenia drgań.

Czterokadłubowy turbozespół kondensacyjny wielkiej mocy a) widok b) fundament