CHƯƠNG 3 KẾT CẤU TUA BIN HƠI TÀU THỦY
3.1. Kết cấu phần tĩnh
Thân tua bin thuộc phần tĩnh của động cơ có dạng hình trụ hoặc hơi côn và hình dạng ấy được quyết định bởi dạng rôto. Phía bên trong có tạo các rãnh vòng để bố trí vào đó các dãy cánh hướng (với tua bin phản kích) hoặc bánh tĩnh để chia thân tua bin ra thành từng ngăn riêng rẽ (với tua bin xung kích).
Đối với thân tua bin cơ lớn, có thể chế tạo thành từng phần riêng theo mặt cắt vuông góc với trục, điều đó làm đơn giản hóa việc đúc, gia công lắp ráp thân tua bin.
Thân của tua bin phụ thường được chế tạo thành từng nửa trên và dưới hoàn chỉnh hoặc cũng có thể chế tạo theo từng phần riêng như tua bin cỡ lớn. Mặt bích của các phần thân được rà phẳng. Để tránh rò lọt hơi
người ta bôi lên lớp matic đặc biệt dày 0,2 ÷ 0,5 mm rồi hai mặt bích được ghép lại bằng các guzông và bu lông.
Nửa thân trên của tua bin thường bố trí 4 ÷ 8 bu lông chuyên dùng, để tháo nửa trên khỏi nửa dưới. Để đặc chính xác các nửa thân tua bin khi lắp ráp thì các mặt bích của các phần ghép bố trí từ 2 ÷ 8 bu lông định vị.
Thân tua bin cao áp trong hệ động lực hơi nước được minh hoạ ở hình 3.2.
Nửa thân trên 8 và dưới 20 được đúc bằng thép và ghép lại bằng các mặt bích. Mỗi nửa thân tua bin lại được chế tạo thành hai phần và ghép với nhau bằng một mặt bích lắp ráp theo phương thẳng đứng 6. Nửa dưới thân dựa lên bộ dọc trục thông qua các đế của nó. Trong hệ trên có bố trí các hốc nửa hình trụ 1 và 12 để đặt ở đỡ rôto và hốc 14 để đặt ổ chặn. ở khu vực thân trên, tại các ổ đỡ và chặn đều có các nắp tháo ra được 2 và 13, thân phía mũi 17 được liên kết với hệ 16 bằng lắp ráp có thể trượt được thành đảm bảo sự đồng tâm của thân và bệ 16. Khi có biến dạng nhiệt thân tua bin, phần sau của thân được hàn với bệ 25, bệ mũi được đặt trên trụ đỡ mềm 15, còn bệ sau được ghép cứng với bệ dọc trục.
Phía trong thân có chế tạo các hốc hình vòng 3 và 11 để bố trí hai bộ làm kín phía ngoài, các rãnh vòng 7 để đặt các bánh tĩnh và 9 để đặt các cánh hướng của tầng điều chỉnh.
Về phía nạp hơi ở phần thân trên được hàn với hộp ống phun 19 của nhóm ống phun thứ nhất.
Phần thoát hơi của thân 4 đúc dạng xoắn ốc gắn với đoạn ống 23, qua đó hơi sẽ chuyển sang tua bin áp suất thấp. Ngoài ra còn có đoạn ống 22 để hút hơi từ tua bin cao áp đến bầu ngưng, ống 21 để trích hơi đi qua ống nhiệt, ống 18 và 21 để trích hơi tới các bộ phận làm kín phía ngoài.
Thân tua bin phải tiếp xúc với hơi có thông số cao chịu các rung động và lực truyền ra từ các ổ đỡ, ổ chặn khi tua bin làm việc. Nói chung các lực tác dụng lên thân tua bin rất khó xác định và sinh ra ứng suất thay đổi phức tạp.
- Ứng suất do tác dụng của áp suất hơi có giá trị thay đổi rất lớn từ cửa nạp hơi đến tầng cuối của tua bin, ở khu vực nạp hơi, các tầng đầu, vật liệu thân chịu lực tác dụng từ phía trong thân thường ra ngoài, ở cuối phần thấp áp do áp suất bị giảm rất mạnh, lực tác dụng lại từ phía ngoài vào thân. Ngoài ra ứng suất này còn bị thay đổi ngay trong từng hốc của thân và thay đổi khi chế độ công tác của tua bin thay đổi.
- Ứng suất phát sinh do các bánh tĩnh truyền lực tới, vì các bánh tĩnh chịu một lực tác dụng do chênh lệch áp suất phía trước và sau nó, ứng suất này cũng thay đổi theo suốt chiều dài thân.
Hình 3.2. Thân của một tua bin cao áp 1,12. Khoang ổ đỡ
2,13. Nắp ổ đỡ
3,11. Khoang đặt bộ làm kín 4. Khu vực hơi ra
5. Khu vực hơi vào 6. Bích lắp ghép
7. Khu vực dải phân cách(rãnh vòng) 8. Nửa thân trên
9. Hộp cánh hướng tầng điều chỉnh
10. Khoang chứa hộp ống phun 14. Khoang ổ chặn
15. Bệ đặt tua bin 16. Bệ đỡ cho trượt 17. Thân tua bin phía mũi 18,24. Trích hơi đến bộ làm kín
20. Nửa thân dưới 21. Trích hơi tới bầu hâm 22. Trích hơi tới bầu ngưng 23. Cửa hơi ra tua bin thấp áp
- Ứng xuất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ theo suốt chiều dài thân, phía trong và phía ngoài thân. Đặc biệt, ứng suất nhiệt rất lớn khi cho hơi vào tua bin lúc nó còn nguội, khi công sấy và thay đổi công tác.
- Ngoài ra ứng suất phát sinh còn do trọng lượng bản thân, trọng lượng các chi tiết gắn với thân như ống mặt bích, bích chứa.v.v...
Thân tua bin hơi tàu thủy hiện đại thường được chế tạo bằng cách đúc hoặc làm các phần từ thép. Thân đúc bằng gang chỉ sử dụng cho tua bin công tác cao hơn 693oK thù dùng thép hợp kim, nhiệt độ hơi lớn hơn 7730K thì dùng thép Crôm – Molipđen mác 20XM.
3.1.2. Kết cấu ống phun tầng đầu tiên
Ống phun là bộ phận biến đổi thế năng của chất công tác thành động năng sau đó động năng này sẽ chuyển hóa thành cơ năng trong rãnh cánh động.
Theo hình dạng ống phun người ta chia ra thành:
+ Ống phun thu hẹp: có diện tích tiết diện rãnh ống giảm dần từ lối vào đến lối ra.
+ Ống phun loe rộng: có diện tích tiết diện rãnh ống đầu tiên giảm nhỏ dần đến tiết diện bé nhất sai đó diện tích tiết diện lại tăng dần.
Ống phun thu hẹp sử dụng khi hơi công tác có tốc độ chảy ở cửa ra ống bằng hoặc nhỏ hơn tốc độ âm thanh, ống phun loe rộng được sử dụng để biến đổi tốc độ dòng hơi công tác có tốc độ lớn hơn tốc độ âm thanh ở cửa ra ống.
Lưu ý rằng tốc độ chảy lớn hơn tốc độ âm thanh có thể đạt được ở ống phun thu hẹp bằng cách sử dụng vùng cắt lệch ở ống phun.
Vì cánh động được bố trí xung quanh bánh động nên ống phun cũng phải bố trí theo chu vi phù hợp trên bánh tĩnh.
Khi các ống phun được bố trí trên toàn bộ chu vi bánh tĩnh nó tạo nên một vòng ống phun khi đó sự cấp hơi được gọi là cấp hơi toàn phần, nếu số ống phun chỉ chiếm phần chu vi thì sự cấp hơi được cấp hơi từng phần hay cục bộ, xác định bởi tỷ số cấp hơi.
Dcp
m π. ε= Trong đó;
m- chiều dài cung ống phun;
Dcp - đường kính trung bình vòng ống phun.
1. Ống phun tầng đầu tiên
Ống phun tầng đầu tiên của bất kỳ tua bin nào trong tổ hợp tua bin cũng được gắn trực tiếp vào bên trong thân tua bin hoặc gắn vào hộp ống phun đặc biệt bố trí trong thân tua bin.
Vài dạng kết cấu ống phun tầng đầu tiên, hình 3.3 là một ví dụ về một phân đoạn ống đúc.
Phân đoạn ống phun này được đúc nguyên vẹn, hình 3.3a thành một cụm các ống phun. Phân đoạn
120
Hình 3.3. Phân đoạn ống phun đúc nguyên vẹn.
1- Vách ống phun; 2-Ống phun; 3-Bu lông;
4-Bu lông lắp ghép
Hình 3.4 Phân đoạn ống phun lắp ghép 1-Ống phun; 2.3-Thân ống phun; 4-Bu lông lắp ghép;
này có 4 ống phun kiểu rãnh tiết diện tròn ở lối vào và tiết diện chữ nhật ở lối ra. Phân đoạn này gắn với thân bằng các mặt bích và các guzông 3.
Phân đoạn ống phun đúc, được chế tạo bằng gang hoặc đồng thanh, nó rất đơn giản khi chế tạo tuy nhiên thành rãnh trong ống phun rất khó làm bóng nên tổn thất dòng chảy qua đó lớn nên hiện nay ít được dùng.
Hình 3.3b là kết cấu phân đoạn ống phun có vách ống phun đúc, ở đây các vách ống phun 1 được dập bằng thép rồi chế tạo phân đoạn ống phun 2.
Để liên kết chắn chắn giữa cụm thép của các vách ống phun ở gờ cánh người ta chế tạo các gờ tròn 3.
Phân đoạn ống phun ghép với thân bằng các guzông.
Ưu điểm của kết cấu này hơn kết cấu ở hình 3.3 vì hai bề mặt của rãnh ống phun (vách cánh) có thể được làm bóng dễ dàng làm giảm tổn thất dòng chảy.
Phân đoạn ống phun kiểu lắp ghép được minh họa ở hình 3.4.
Phân đoạn này được cấu tạo từ các cánh ống phun 1 và hai vòng kẹp phía ngoài 2 phía trong 3, mỗi cánh có 2 chốt 4 và 2 lỗ thông với 5 để liên kết với vòng kẹp nhờ đinh tán 6. Khi lắp ráp thân đoạn ống phun, các chốt 4 được đặt vào các lỗ, các lỗ này được chế tạo sẵn ở vòng kẹp trên và dưới.
Các tấm đệm hình tròn 7 và 8, các tấm này ghép với hai vòng kẹp nhờ 2 - 3 đinh tán. Phân đoạn ống phun này được ghép với thân 9 bằng các guzông 10 và có tám ống phun.
Tất cả các chi tiết của phân đoạn này có thể được chế tạo từ thép. Nhược điểm của kết cấu này là việc lắp ráp điều chỉnh các cánh, vách với vòng kẹp rất phức tạp và khó có thể tránh được sự rò lọt hơi qua những vị trí không khít giữa các chi tiết lắp ráp do chế tạo không chính xác và biến dạng nhiệt.
Ống phun đặt đơn lẻ từng chiếc được minh họa ở hình 3.5.
Những ống phun này được chế tạo bằng các phay từ phôi hình vòng rồi cắt thành từng mảnh chi tiết có kích thước cần thiết theo cung tròn. Hình 3.5a là ống phun đã được chế tạo hoàn chỉnh, hình 3.5b là cách ghép nó vào thân tua bin, ống phun 1 được chế tạo có cung gờ 2 và 3, gờ 2 sẽ được ghép vào rãnh vòng phù hợp trong thân tua bin 4, gờ trong 3 được tấm đỡ 5 ốp lại nhờ guzông 6 có dây liên kết 7. Gờ 8 đảm bảo ép kín các ống phun. Tùy chọn số ống phun mà trong thân tua bin có được cung ống phun hay cả vòng ống.
Ưu điểm loại ống phun này cho phép độ bền prôphin cao, bề mặt được làm bóng tốt, nhược điểm phức tạp khi chế tạo, lắp ráp, khó tránh rò lọt hơi qua khe hở các mặt lắp ráp.
2. Ống phun bố trí tại các bánh tĩnh của các tầng trung gian Kết cấu ống phun bố trí tại các bánh tĩnh được xác định bởi kết cấu của bánh tĩnh (xem mục 3.1 và 3.2). Sau đây là dạng ống phun chế tạo cả bộ (Hình vẽ 3.6).Tuỳ thuộc vào cách ghép với bánh tĩnh mà có thể có các kết cấu khác nhau,
Hình 3.6 là nhóm ống phun bao gồm các ống phun phay từng chiếc 1 có phần chuôi 2 được đặt vào gờ vòng của bánh tĩnh 3 và được gia công bằng các đinh tán 5. Rãnh ở trên cung 6 chế tạo phù hợp với gờ lồi phía ngoài để liên kết ống phun với cung 6.
Các ống phun có các gờ 2 và 3, cánh này được hàn vào bánh tĩnh. Các gờ ngoài 2 được hàn với vách của bánh tĩnh, các ống phun được cắt ra từ dải prophin dài làm giảm giá thành chế tạo và hiện nay đang được sử dụng rộng rãi.
3.1.3 Kết cấu bánh tĩnh, cánh hướng
Hình 3.5. Ống phun hoàn chỉnh từng chiếc 1-Ống phun; 2-3-Thân ống phun; 4- Thân tua bin; 5- Tấm đỡ; 6- Gu lắp ghép; 7-Dây lien kết; 8- Gờ ép kín ống phun
Hình 3.6. Thiết bị ống phun chế tạo cả bộ 1- Ống phun; 2- Phần lắp ghép; 3- Bánh tĩnh;
4- Dãy ống phun
Bánh tĩnh được dùng trong các tua bin xung kích nhiều tầng để phân chia hốc phía trong thân tua bin, thành các tầng áp suất riêng rẽ, đồng thời trên bánh tĩnh có bố trí dây ống phun hoặc cánh hướng.
Mỗi bánh tĩnh được chế tạo từ hai nửa: nửa phía trên bố trí ghép với nửa thân trên, nửa phía dưới ghép với nửa thân dưới, loại này đã làm giảm nhẹ việc chế tạo lắp ráp.
Bánh tĩnh được ghép vào rãnh vòng phía trong các nửa thân tua bin với các khe hở theo phương hướng kính và dọc trục lần lượt là 0,1 ÷ 0,5 mm. Vị trí của bánh tĩnh đựơc bố trí trong các cánh vòng nhờ các chất đặc biệt
Đôi khi nửa bánh tĩnh được treo trên trục đỡ như cấu kết 22.3a. Trường hợp này giữa bánh tĩnh và lỗ theo hướng kính có khe hở 1 ÷ 2 mm điều ấy làm đơn giản hóa việc đinh tâm giữa bánh tĩnh với thân tua bin và cho phép sự dãn nở nhiệt tự do của bánh tĩnh khi bị sấy nóng, ở phần giữa bánh tĩnh có tiện gờ để ghép bộ làm kín phía trong.
Bánh tĩnh được cấu tạo thành từ phần gờ, đai phía ngoài phụ hợp với rãnh trong thân tua bin. Tổ hợp các ống phun, vách và bộ làm kín đặt ở vị trí trục rôto đi qua lỗ tâm bánh tĩnh, kết cấu bánh tĩnh được xác định bởi phương pháp ghép nhóm ống phun với phần đai ngoài và phần vách.
Các tua bin tàu thủy áp dụng các kiểu bánh tĩnh.
Kết cấu:
- Chế tạo từ thép đúc hoặc gang đúc;
- Hàn kết hợp với phay hoàn chỉnh các bộ cánh;
- Đúc kết hợp với phay hoàn chỉnh cả bộ cánh;
- Hàn lại từ các chi tiết cán hoặc rèn.
Hình 3.8. Minh họa một nửa bánh tĩnh đúc
Toàn bộ nửa bánh tĩnh được ghép với gờ đai 1, các cánh ống phun 2 cũng có kết cấu gờ chân để ghép với gờ đai 1 và vách 3.
Người ta chỉ dùng vách bánh tĩnh và gờ đai, với các
cánh chế tạo đúc, vì rằng nếu khi rót thép (để chế tạo bánh tĩnh từ thép đúc) thì hầu như không tránh khỏi cháy các gờ rìa mỏng của các cánh hướng đa số bố trí ở bên trong khuôn đúc cho tới khi khuôn điền đầy kim loại lỏng. Nên vật liệu bánh tĩnh tốt nhất là gang.
Hiện nay bánh tĩnh được chế tạo hàn, các chi tiết gờ đai, cánh ống phun và vách đều chế tạo bằng cánh cán hoặc rèn rồi hàn lại với nhau thành bánh tĩnh sau đó đem ủ để khử ứng suất dư.
Bánh tĩnh cũng chịu tác dụng của hơi có thông số cao như thân và các tác dụng rung động, biến dạng nhiệt, uốn bánh tĩnh v.v.... Bánh chịu lực uốn giảm dần từ các tầng đầu đến cuối nên vật liệu chế tạo bánh tĩnh cần đảm bảo độ bền cơ học.
Bánh tĩnh được đúc bằng gang C18 ÷ 36; C21 ÷ 40 và C22 ÷ 44 với nhiệt độ dòng hơi nhỏ hơn 2500C ÷ 3000C. Các cánh ống phun được dập từ thép Niken hoặc Crôm Niken. ống phun chế tạo từ thép đúc và bánh tĩnh dùng phương pháp hàn và làm việc với nhiệt độ nhỏ hơn 4000C thì dùng thép các bon mác 15 - 30 hoặc 40 nếu điều kiện công tác nặng nề hơn thì dùng thép Crômmôlipđen mác 15 XM, 20XM, 15XMA.