Turbina cu abur este o maşină termică rotativă motoare, care transformă entalpia aburului în energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar.În prezent, turbinele cu abur înlocuiesc complet motoarele cu abur datorită randamentului termic superior şi unui raport putere/greutate mai bun. De asemenea, mişcarea de rotaţie a turbinelor se obţine fără un mecanism cu părţi în translaţie, de genul mecanismului bielă-manivelă, fiind optimă pentru acţionarea generatoarelor electrice — cca. 86 % din puterea electrică produsă în lume este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.

Principiul de funcţionareAburul, cu presiune şi temperatură ridicată este destins în paletele statorului, numite şi ajutaje, până la o

presiune mai mică. Energia aburului, caracterizată prin entalpie este transformată în energie cinetică. Aburului cu viteză mare i se schimbă direcţia de curgere cu ajutorul unor palete, rezultând o forţă care acţionează asupra paletelor, forţă care creează un moment asupra rotorului. Acesta se roteşte cu o anumită viteză unghiulară, livrând la cuplă putere sub formă de lucru mecanic în unitatea de timp.Ţinând cont că:[13]

viteza la care este accelerat aburul prin destindere este:

      (m/s)unde ht este căderea (diferenţa) totală de entalpie, exprimată în (kJ/kg) într-o transformare izoentropică pornind din starea iniţială a aburului şi până la presiunea finală;

viteza tangenţială a paletelor (adică în direcţia în care ele se mişcă momentan) este:

unde D este diametrul mediu al rotorului în dreptul paletelor, în (m), iar n este turaţia rotorului, în (rot/s); randamentul la palete maxim se obţine la un raport x1 = u/c1 de 0,5 pentru turbinele cu acţiune şi de 1,0

pentru turbinele cu reacţiune;rezultă că la o anumită cădere de entalpie disponibilă, trebuie realizat un anumit produs D n. La căderi de entalpie mari, care asigură randamente termice mari ale ciclului, rezultă sau diametre, sau turaţii prea mari. După modul cum s-a rezolvat această problemă au apărut diverse soluţii tehnice, care duc la clasificarea turbinelor după cum urmează.

ConstrucţieAjutajele sunt canale a căror secţiune variază continuu după o anumită lege care să asigure obţinerea

vitezei dorite a aburului. De obicei aceste canale sunt realizate prin alăturarea unui şir de palete fixe, spaţiul dintre fiecare două palete formând un ajutaj, rezultând astfel un şir de ajutaje. Dacă viteza care trebuie s-o atingă aburul la ieşirea din ajutaj este subsonică, se folosesc ajutaje convergente, a căror secţiune scade continuu de la intrare spre ieşire. Dacă este nevoie de o viteză supersonică, se folosesc ajutaje convergent-divergente (ajutaje de Laval), a căror secţiune scade până la o valoare minimă, în care secţiune se atinge viteza sunetului, iar in continuare secţiunea creşte, viteza crescând în continuare până la valoarea dorită, de fapt cea corespunzătoare secţiunii canalului.

Profil de paletă de turbină cu acţiune. Profil de paletă de turbină cu reacţiune.

Paletele sunt piesele care transformă energia cinetică a aburului în energie mecanică. Ele sunt formate dintr-o parte activă, lama paletei şi o parte de fixare pe disc (la turbinele cu acţiune), respectiv tambur (la cele cu reacţiune), piciorul paletei. Lama paletei serveşte pentru schimbarea direcţiei aburului în vederea extragerii din el a energiei. În acest scop lama este profilată aerodinamic, profilele folosite fiind relativ groase şi cu curbură mare. Şi la palete forma profilului depinde de tipul curgerii dorite. La turbinele cu acţiune este nevoie de palete la care canalul interpaletar să aibă o secţiune practic constantă, iar la cele cu reacţiune este nevoie de canale convergente sau convergent-divergente.

Paletă de turbină cu profil variabil.

Viteza aburului (care este un vector) are o valoare dacă este raportată la ajutaje, care sunt fixe, vectorul vitezei aburului fiind notat în acest caz cu c, şi altă valoare dacă este raportată la palete, care se mişcă cu viteza u, vectorul vitezei aburului fiind notat în acest caz cu w. Cei trei vectori: c, w şi u formează un triunghi, numit triunghiul vitezelor. Pentru o anumită turaţie n, viteza u este proporţională cu raza cercului pe care se mişcă secţiunea respectivă a paletei. Mărimea vitezei c nu depinde de rază, rezultă că forma triunghiului vitezelor se schimbă cu raza. Forma profilului paletelor este eficientă când direcţiile de intrare şi ieşire ale aburului corespund cu direcţiile rezultate din triunghiul de viteze. Dacă paletele nu sunt prea lungi, rază nu variază prea mult, nici triunghiurile nu diferă mult, aşa că, pentru simplitate tehnologică, se folosesc palete cu profil constant. Dacă însă paletele sunt lungi sau se doresc performanţe optime, profilul paletelor trebuie să varieze cu raza, obţinându-se aşa-numitele palete cu profil variabil (palete răsucite).Fixarea paletelor se face cu ajutorul piciorului. Se folosesc diferite soluţii constructive:

Îndoirea lamei (vezi paleta din dreapta din figura cu pate cu profil constant), soluţie care este aplicabilă doar paletelor foarte puţin solicitate.

Picior în formă de T (vezi celelalte palete, din figura cu pate cu profil constant) soluţie folosită pentru palete scurte, care nu generează solicitări mari. Soluţia e folosită la paletele treptelor de înaltă presiune, unde, datorită volumului mic al aburului, paletele sunt scurte.

Picior în formă de furcă (vezi prima paletă, neagră, din figura cu pate cu profil constant). Soluţia se foloseşte dacă solicitările în paletă sunt mari sau dacă este nevoie de o rigiditate sporită a fixării, de exemplu la treptele de joasă presiune, unde în general paletele sunt lungi.

Picior în formă de brad (vezi paletele din figura cu montajul unei turbine cu abur). Soluţia se foloseşte la paletele extrem de solicitate, de exemplu la paletele foarte lungi ale treptelor finale ale turbinelor cu condensaţie, sau la paletele turbinelor cu gaze.

Fixare prin sudare. Soluţia asigură o fixare foarte rigidă, însă materialele trebuie să fie sudabile şi, datorită diferenţelor de temperatură care apar în timpul funcţionării între paletă şi restul rotorului, apar, datorită dilatărilor, tensiuni termice mari, care pot produce fisuri, ca urmare soluţia este puţin folosită.

Construcţia paletelor rotorului

Determinarea dimensiunilor principale ale paletelor rotorului şi alegerea profilurilor paletelor se face în cadrul calculului termodinamic al turbinei.

Profilul paletei. Forma profilului paletei se alege în funcţie de tipul paletei (cu acţtiune sau cu reacţiune) şi de numărul Mach corespunzător vitezei relative de la intrare w1 a fluidului.

În cazul profilurilor cu acţiune, pentru M>1 se aleg profiluri cu bordul ascuţit de forma celui din fig.11.1 ,a, pentru 0,5 <M < 1 - profiluri cu bordul de intrare rotunjit (fig. 11.1,b), iar pentru M<0,5 - profiluri cu bordul de intrare foarte gros (fig. ll.l.c).

În cazul profilurilor cu reacţiune, pentru M>0,5 se utilizează profile obişnuite cu reacţiune (fig. 11.2,b), iar pentru M<0,5 - profiluri cu bordul de intrare mult rotunjit (fig.ll.2,a).

Partea activа a paletei. Lungimea maxima a parţii active a paletelor executate din oţel austenitic pentru turaţia de 25 rot/s a ajuns 1584 mm, iar a paletelor executate din titan pentru o turbina de 50 rot/s a ajuns la 1360 mm.

În fig. 11.4 este repezentată o paletă laminata. La paletă se disting trei pаrţi: partea activа 1, care formează pereţii laterali ai canalului; piciorul paletei 2, care serveşte la fixarea paletei pe disc şi capul paletei 3, care formează capătul opus piciorului. La extremitatea capului paletei se află cepul 4, care serveşte la fixarea bandajului, ce acoperă canalul interpaletar.

În dreptul piciorului, între douа palete vecine, se montează piese intermediare pentru a se realiza distanţa dintre palete şi pentru a aigura asezarea radială a acestora.

Laminarea fiind un procedeu de mare productivitate şi foarte economic, face ca paletele laminate să fie folosite întotdeauna cînd solicitările paletei nu depăşesc valorile admisibile ale materialelor laminabile.

În cazul paletelor mai puternic solicitate, piciorul paletei, care reprezintă partea cea mai solicitată, se face mai gros decît partea activă a paletei, îngroşarea fаcîndu-se în contul piesei intermediare. În fig. 11.5 se reprezintа o astfel de paletă. Aceste palete se execută de obicei prin frezare din bare profilate. Uneori paleta frezată se executa dintr-o singură bucată, împreună cu bandajul (fig. 11.6).

Pentru mаrirea rigiditaţii asamblarii paletei cu discul la treptele de reglare ale turbinelor cu abur care funcţionează cu parametri ridicaţi, unde asigurarea rigiditaţii prezintă o importаnţă deosebită din cauza admisiei parţiale a aburului, paletele se sudează uneori între ele în pachete de cîte 2-3 palete. Operaţia de sudare se execută după terminarea finisării pаrţii active a paletei; piciorul paletei se prelucrează abia după sudarea paletelor în pachet. În fig. 11.7 se reprezintă o soluţie de acest gen, folositа de L.M.Z.

În cazul turbinelor cu abur sau cu gaz de dimensiuni mici, care funcţonează la turaţii mari, unele uzine executа toate paletele dintr-o singura bucata cu discul. Ele se executa fie prin forjare urmată de prelucrari prin electroeroziune, fie prin rumare, ceea ce impune o tehnologie bine pusă la punct, care însа nu este economică decît în cazul unei fabricări de serie mare.

În cazul paletelor de lungime relativ mare se folosesc palete cu profil variabil, numite şi palete răsucite (fig. 11.10). Ele au o construcţie mai complicata şi deci un cost mai ridicat.

Pentru reducerea solicitărilor datorite forţelor centrifuge, în ultimele trepte ale turbinelor cu abur sau cu gaze de putere mare se caută ca secţiunile transversale ale paletei să se apropie de acelea ale unei bare de egală rezistenţă la întinderea provocată de forţele centrifuge. În acest scop se micşorează atît lăţimea paletei, cît şi grosimea ei catre periferie (fig. 11.11). Prin aceste măsuri masa părţii active a paletei se reduce de aproximativ 2,5 ori, iar raza centruluii ei de greutate se micsorează de 1,10...1,18 ori, ambele efecte conducînd la reducerea forţei centrifuge care acţionează asupra părţii active a paletei. În acest caz însă trebuie sa se mărească în mod corespunzator lăţimea paletelor statoralui spre periferie, pentru păstrarea jocului axial dintre paleta statoralui şi paleta rotoraluui în limite acceptabile.

Aceste palete se execută de preferinţă prin forjare de precizie în matriţe sau se forjează şi se prelucrează prin copiere pe o maşină de frezat. Controlul dimensional al paletelor cu profil variabil se executa uneori pe maşini de măsurat automate.

Paletele ultimelor trepte ale turbinelor cu condensaţie se protejează împotriva eroziunii provocate de picăturile de apа prin placi de stelit lipite pe extradosul paletei, în zona bordului de atac din vecinătatea capului paletei (v. fig .11.11).

Paleta tubulară se executa din ţeavă prin mai multe ambutisări succesive. Paletele tubulare sunt uşoare, forţele centrifuge ce se exercită asupra lor sunt mai mici ca la paletele pline, astfel că şi discul rezultă mai usor, ceea ce este foarte avantajos mai ales in aviaţie. Dar ele au dezavantajul că impun un consum mare de aer de răcire.

Piciorul paletei. În fig. 11.15 si 11.16 se reprezintă fixarea cu praguri laterale, prima în dinte de fierăstrău, a doua cu prag dreptunghiular, utilizate la paletele care au piciorul refulat în formă de cap de ciocan, în cazul solicitărilor mici sau moderate.

O formă de fixare foarte răspîndită la treptele de IP şi MP este aeeea în formă de T (v.fig. 11.4, 11.5 şi 11.7). Aceasta a fost folosită şi în cazul paletelor de JP de lungime relativ mare, dar, deoarece îmbinarea nu poate asigura o rigiditate suficient de mare, în ultima vreme, la astfel de palete se utilizează piciorul în forma de furcă (v.fig.11.10, 11.12 şi 11.17). Numărul braţelor furcii este de 2...6, luîndu-se cu atît mai mare, cu cît lungimea paletei este mai mare. Fixarea paletei de disc se face cu ajutorul a două pînă la sase nituri cu cap înecat. În fig. 11.18 se prezintă o soluţie constructivă folosită relativ des în ultima vreme la paletele lungi, cunoscută sub numele de picior în formă de brad, iar în fig. 11.19 este prezentat piciorul în forma de cleşte.

La toate construcţile precedente paletele se introduc intr-un locaş comun, dispus tangential pe periferia discului sau a rotorului. În ultima vreme, unele uzine constructoare de turbine au revenit la introducerea paletelor în cîte un canal individual, dispus axial pe disc, aşa cum a fost utilizat la ineeput de către Laval (fig. 11.20).

În fig. 11.21 este prezentată o soluţie constructiva mai nouă, la care paleta, avînd piciorul în formă de brad, este introdusa într-un locaş individual. Aceastа construcţie este folositа mai ales în cazul ultimelor trepte ale turbinelor cu condensaţie, la treptele care funcţioneazа cu temperaturi ridicate si mai ales la turbinele cu gaze de ardere. Ea impune o execuţie precisă, este mai costisitoare, dar reprezintă soluţia optimă din punctul de vedere al utilizаrii materialului paletei si al coroanei discului. Canalul poate fi drept sau curb ca în fig. 11.22.

Dimensiunile principale ale piciorului în forma de brad se pot determina astfel: fie t0 pasul paletelor pe diametral exterior al coroanei; cu notaţiile din fig. 11.21 se adoptă, de obicei:

Grosimea piciorului paletei pe direcţia axială se recomandă să se ia cu 10...20% mai mare ca dimensiunea profilului paletei pe aceeasi directie în secţiunea de îmbinare cu piciorul paletei.

Paletele montate în locaşuri individuale prezintă avantajul că pot fi uşor înlocuite în cazul ruperii unor palete izolate, fără demontarea celorlalte palete.

Paletele tubulare se fixează pe disc prin nituire şi lipire (v.fig. 11.13). În acest caz, coroana discului se crestează, formîndu-se nişte dinţi peste care se montează paletele, care se nituiesc de acesti dinţi şi se lipesc de coroana cu un aliaj de argint cu 14% mangan. Şi în acest caz trebuie să se ia măsuri pentru a se asigura dilatarea libera a coroanei.

Capul paletei. Forma cepului de pe capul paletei depinde de dimensiunile profilului în dreptul capului paletei, de pasul reţelei şi uneori de construcţia paletei.

În fig. 11.4 este reprezentat cepul folosit în cazul profilelor laminate. Paletele cu profilul gros se prevăd cu cepuri cilindrice (fig. 11.26 şi 11.27). Îmbinarea dintre cep si partea activa a paletei se face cu o rază de racordare r, egala cu cel putin 10% din diametrul d al cepului. În cazul reţelelor de palete cu pas mic se intrebuinţează cepuri de secţiune dreptunghiulara.

Paletele late se prevăd, de obicei cu douа cepuri (fig. 11.10). Dacă profilul paletelor este subţire în dreptul capului şi nu permite prevederea cepului, paletele se ingroaşа în apropierea capului, asa cum se arata în fig. 11.10.

Cepurile cilindrice de diametru mare se executа uneori cu o scobiturа conica în interior, pentra a uşura nituirea cepului de bandaj (fig. 11.27).

Axa de simetrie a cepului trebuie sа fie perpendicular pe suprafaţa care limitează înаlţimea paletei.

Unele uzine execută capul paletei lаţit în formă de bandaj, denumit talon superior, aşa cum se vede în fig. 11.7, 11.20 şi 11.28. Aceste palete se sprijină unele pe altele în dreptul capului (fig. 11.28), sau se sudează între ele aşa cum arată fig. 11.7.

Soluţia din fig. 11.28, preluată de la turbinele Rateau, este realizată în aşa fel incît să fie montată în disc cu o uşoară pretensionare. În acest scop talonul, în starea nemontată a paletei, este rotit - prin construcţie - cu un unghi mic γ faţa de secţiunea de la baza parţii active a paletei. Prin asezarea paletelor în locaş talonul superior este forţat de talonul paletelor alаturate să se rotească cu unghiul γ în sens invers, torsionînd paleta. Astfel se asigură o rigidizare suficientă a îmbinаrii taloanelor intre ele, paletele comportîndu-se ca şi cînd ar fi legate intre ele în pachet.

Paletele treptelor cu reacţiune, care nu sunt acoperite cu bandaje, se prevаd cu jocuri mici intre capul paletei şi carcasă, pentru a reduce la minim scurgerile de fluid prin aceste jocuri. În aceste cazuri, capul paletelor se subţiază prin frezare (v.fig.11.16), pentru ca, în cazul cînd paletele ar freca carcasa, sа se uzeze, fară să se producă ruperea lor, iar caldura dezvoltată prin frecarea lor să fie cît mai mică, pentru a reduce tensiunile şi deformatine termice.

Construcţiia pieselor de includerePaletele care sunt montate într-un locaş comun, dispus pe periferia rotoralui, se

introduc în canal una dupа alta printr-un loc special prevăzut în acest scop. Pentru a obtura locul de introducere a paletelor şi a împiedica astfel ieşirea lor ulterioară din canal este nevoie de o piesă de închidere.

Paletele avînd piciorul în formă de dinte de ferăstrău se pot introduce în canal prin rotirea lor, fară să mai necesite un loc special de introducere. Dar, şi în acest caz este necesar utilizarea unor piese de închidere după montarea ultimei palete în locaş.

În fig. 11.29 este prezentată una dintre soluţiile constructive de piese de închidere utilizate în cazul paletelor cu piciorul în formă de T. Ele constau dintr-un călăreţ a, executat din oţel cu conţinut redus de carbon cu o plasticitate ridicată, refulat în locul de introducere peste o pană de oţel b.

În fig. 11.30 se arată călăreţul înainte de baterea lui în locaş. La o execuţie corectă a închiderii, călăreţul prin refulare umple complet locaşul lui şi asigură o bună închidere a paletelor în canal. Dar această soluţie constructivă prezintă dezavantajul că nu permite verificarea corectitudinii refulării materialului călăreţului în locaş, ceea ce poate să aibă ca urmare iesirea lui din locaş sub influenţa forţelor centrifuge şi avarierea turbinei.

Bandaje, sîrme de rigidizare şi sîrme de amortizareCapul paletelor, la majoritatea construcţiilor, contribuie la etanşarea rotorului. La

treptele turbinelor cu acţiune, la care pierderile prin neetanşeitаţi sunt relativ mici, paletele se acoperă cu un bandaj, care asigură de cele mai multe ori o etanşare suficientă şi evită formarea turbioanelor prin realizarea unei mai bune conduceri a fluidului. Soluţia este folosită astăzi adeseori şi la treptele de IP şi de MP ale turbinelor cu reacţiune pentru a reduce pierderile prin neetanşeităţi.

Bandajul se execută din tablа de secţiune dreptunghiulară (fig. 11.35), sau în formă de trapez (fig. 11.36), şi se fixează de palete prin nituirea cepurilor de pe capul paletelor.

Alteori se prevede o etanşare axială şi radială (fig. 11.37), sau numai radială. Uneori, bandajele funcţionînd cu viteze periferice mari se prevаd cu nervuri (fig. 11.38), pentru a reduce solicitările la incovoiere, provocate de forţa centrifugă ce acţionează asupra bandajului.

Bandajul se execută uneori dintr-o singură bucată cu paletă (v.fig. 11.28 şi 11.39).

Bandajele din fig. 11.37 şi 11.39 sunt prevăzute cu elemente de etanşare radiale faţa de stator.

Bandajele care acoperă paletele, pe lîngа importanţa pe care o au din punct de vedere aerodinamic, asigură o mai mare rigiditate paletelor prin sprijinirea lor şi ridică freevenţa proprie la vibraţii a acestora.

La paletele lungi neacoperite cu bandaje, mărirea freevenţelor proprii se realizează cu ajutorul unor sîrme lipite de palete, formînd unul sau mai multe inele de solidarizare (v.fig. 11.44) numite sîrme de rigidizare.

Uneori sîrmele nu se lipesc de palete. În acest caz ele sunt apăsate de forţa centrifugă asupra paletelor; frecarea care ia naştere între sîrmă şi palete în timpul vibraţiilor la încovoierea paletelor amortizează oscilaţiile paletelor. De aceea ele se numesc sîrme de amortizare.

Trebuie însă observat că prin găurirea paletelor scade rezistenţa la vibraţii la 1/3 din rezistenţa paletelor negaunte (în cazul solicitărilor la încovoiere), chiar fară să se ţină seama de micsorarea secţiunii prin găurire.

Micsorarea rezistenţei la vibraţii datorită influenţei găurilor se poate reduce prin:■ ecruisarea materialului în jurul găurii, de exemplu prin trecerea forţată prin găuri a

unor bile; în aceste cazuri rezistenjţa la vibraţii poate fi readusă la valoarea ei iniţială;■ nitrurare.Nitrurarea poate fi aplicată şi în cazurile în care sîrmele trebuie lipite de palete, dar

lipirea se va face numai în găuri, deoarece de suprafeţele nitrurate nu aderă materialul de lipit.Cercetările experimentale au arаtat că prezenţa sîrmelor de rigidizare şi a celor de

amortizare din punct de vedere aerodinamic deranjează curgerea prin canalul interpaletar, micşorînd în mod sensibil randamentul treptei.

De aceea, în ultima vreme se observa tendinţa de a se renunţa la aceste inele de sîrme, ridicarea freevenţelor proprii ale paletelor realizîndu-se prin utilizarea unor palete mai late şi nu prin legarea lor în pachet.

Aceasta contribuie şi la cresterea siguranţei în exploatare, deoarece paleta individuală (nelegată în pachet) are condiţiile la limită simple şi bine determinate, fiind astfel mai uşor accesibilă unui calcul de rezistenţa mai exact.

La firma GEC Alsthom se utilizează pentru rigidizarea paletelor lungi, în locul sîrmelor de secţiune circulară, aripioare de forma aerodinamica, realizate monobloc cu paletă, orientate în direcţia curentului şi care vin în contact eu paletele vecine.

Sub influenţa forţelor centrifuge care acţionează asupra paletei cu profil variabil apare o derаsucire a paletei, la care se opune aripioara care vine în contact cu paleta vecină. Se produce astfel o rigidizare a paletei în dreptul suprafeţelor de contact dintre aripioară şi paleta vecină.

Discurile rotoruluiConstrucţia disciurilor

Construcţia rotorului depinde de tipul turbinei - cu acţiune, sau cu reacţiune - de dimensiunile şi turaţia acestuia, de temperatura la care funcţionează etc.

Rotorul turbinei cu acţiune se execută adeseori în construcţie monobloc, cu discurile corp comun cu arborele (fig. 12.1). Rotorul monobloc reprezintă soluţia constructivă cea mai simplă, cea mai compactă şi cea mai sigură. Fiind spălat pe toate feţele de fluid şi neavînd aglomerări dăunătoare de material, rotorul monobloc se incălzeste relativ repede, urmărind variaţiile de temperatură ale fluidului, fară apariţia unor tensiuni şi deformaţii termice periculoase. De aceea rotorul monobloc se foloseşte atît în domeniul temperaturilor joase, cît şi la temperaturi ridicate ale aburului şi ale gazelor. Avînd în vedere aceste avantaje se remarcă tendinţa de utilizare a rotoarelor monobloc din ce în ce mai des şi la dimensiuni din ce în ce mai mari. Această tendinţa este limitată numai de posibilităţile de forjare ale pieselor mari, care pun probleme deosebite de execuţie, mărind probabilitatea rebutării lor. Metodele moderne de control (prin ultrasunet) înlătură posibilitatea utilizării unor piese cu defecte de material, dar controlul pieselor mari este mai dificil ca acela al pieselor de dimensiuni mai reduse. Pentru uşurinţa controlului rotorul monobloc se prevede cu o gaură axială, în care se poate introduce o lunetă periscop, cu care se controlează zona centrală a piesei, unde defectele de material sunt cele mai freevente. Rotoarele monobloc cele mai mari, executate pe plan mondial, ating 200 t în stare finisată, necesitînd lingouri de 400t.

În fig. 12.2 este reprezentat, pentru exemplificare, unul dintre cele doua rotoare de JP în dublu flux ale unei turbine cu abur cu condensaţie de 330 MW fabricat de "General Turbo" Bucureşti.

În cazul unor diametre mai mari, care depăşesc posibilităţile de forjare, discurile se executa separat şi se montează pe arbore prin presare la cald (fig. 12.3). Prin forjarea individuală a discurilor se obţine o ameliorare a proprietăţilor materialului în direcţia fibrajului pînă în miezul piesei, unde solicitările mecanice în timpul funcţionării turbinei sunt maxime. La forjarea rotoarelor monobloc, materialul nu poate fi "frămîntat" pînă în miezul piesei, astfel că structura materialului în aceste locuri rămîne mai grosolană şi proprietăţile lui mai scăzute. Dar tensiunile maxime, care apar în rotorul monobloc, sunt de 2,0...2,5 ori mai mici decît în discul fretat pe arbore.

Execuţia discurilor individuale este mai uşoară şi procentul de rebuturi mai scăzut. Dar discurile fretate pe arbore nu pot fi utilizate la temperaturi ridicate, deoarece tensiunile create prin presare se micjorează în timp datorită fluajului, fenomen cunoscut sub numele de relaxare.

La turbinele cu reacţiune de dimensiuni moderate se utilizează rotoarele monobloc (fig. 12.5). La dimensiuni mai mari, tamburul se face gol (fig. 12.6). O largă utilizare la turbinele cu reacţiune au obţinut rotoarele în tambur obţinute prin asamblarea prin sudare automată a mai multor discuri negaurite, cu coroană lată. În fig. 12.6 sunt reprezentate rotoarele de IP şi MP realizate astfel ale unei turbine cu abur BBC de 230 MW, iar in fig. 12.7, unul din cele patru rotoare în dublu flux, de JP, ale unei turbine cu abur BBC de 500 MW realizat, de asemenea, în construcţie sudata. Sudarea se face complet automatizat. Rotorul astfel executat are avantajul ca să obţină din piese forjate de dimensiuni mai mici, ceea ce usureaza forjarea, tratamentul termic şi controlul pieselor izolate (prin raze X şi ultrasunet).

Rotorul sudat are, în plus, urmatoarele avantaje faţă de rotorul cu discuri fretate: tensiunile în disc sunt mai mici; materialul utilizat poate avea limită de curgere mai scazută; sensibilitatea la coroziune cu fisură sub tensiune mai scazută, deoarece tensiunile în disc sunt mai mici şi zona centrală a discului nu este în contact cu fluidul de lucru.

La diferenţe de temperaturi mari de la un disc la altul apar insă solicitari mari în zonele de îmbinare dintre coroanele discurilor.

Avand în vedere aceste proprietate, rotorul sudat din discuri cu coroana lată se utilizează în cazul turbinelor cu reacţiune atît la dimensiuni relativ mici, cît şi la cele mari.

La dimensiuni şi viteze periferice mari se utilizează uneori, şi în cazul turbinelor cu reacţiune, rotoarele cu discuri forţate individual şi fretate pe arbore.

În general, un disc de turbina se compune din coroana discului, în care se fixează paletele rotorului, butucul, care se fretează pe arbore şi pînza discului ce leagă coroana de butuc.

Forma şi dimensiunile coroanei depind de forma şi dimensiunile piciorului paletei şi de tensiunile care apar în coroană. Butucul are în secţiune logitudinală o forma de obicei dreptunghiulară, sau aproape dreptunghiulară. Dimensiunile butucului se determină în funcţie de tensiunile care apar în materialul discului.

Forma pînzei discului determină denumirea discului şi se alege în funcţie de viteza periferică maxima a coroanei discului, astfel:

- discul de grosime constanta (fig. 12.10,a), avînd grosimea pînzei constante şi egală cu grosimea coroanei, se utilizează în cazul discurilor fretate pe arbore la viteze periferice mai mici de 130 m/s, iar în cazul rotoarelor monobloc de JP pîna la 250 m/s;

- discul de grosime constantă cu о îngroşare conică înspre ax (fig. 12.10,b) se utilizează în cazul rotoarelor monobloc la viteze periferice ceva mai mari;

- discul conic, avînd pînza de forma conică (fig. 12.10,c), se utilizează la viteze periferice pînă la 300 m/s;

- discul de egală rezistenţă (fig. 12.10,d), caracterizat prin aceea că tensiunile din disc nu variază cu raza (ceea ce impune lipsa găurii centrale de fretare pe arbore), se poate folosi pînă la o viteză periferică de 400 m/s sau chiar mai mare; se utilizează rar, deoarece necesită o prelucrare mai greoaie;

- discul hiperbolic, avînd pînza de formă hiperbolică, se foloseşte în locul discului de egala rezistenţă, deoarece are o formă apropiată de acesta.

Pe la jumаtatea secolului nostru unele uzine constructoare de turbine cu abur au început să folosească o soluţie nouă pentru discuri, cunoscute sub numele de discuri precomprimate sau autofretate (fig. 12.11). Aceste discuri se supun, înainte de finisarea lor, unei supraturări peste limită elastică a materialului, ceea ce provoacă apariţia unor tensiuni remanente de compresiune în butuc pînă la un anumit diametru maxim, dupа terminarea supraturării. În regimul normal de funcţionare, aceste tensiuni remanente de compresiune se suprapun peste tensiunile de întindere tangenţiale create de forţele centrifuge, ceea ce duce la micşorarea tensiunii rezultante maxime şi deci la o mai bună utilizare a materialului discului. Discurile autofretate au un butuc de laţime mică, dar de grosime mare, ceea ce permite reducerea diametrului labirinţilor diafragmelor pînă la diametrul arborelui şi deci micşorarea pierderilor prin neetanşeităţi faţă de discurile obiţnuite, la care diametrul labirinţilor diafragmelor trebuie să se ia egal cu diametrul exterior al butucului.

Rotoarele în tambur se folosesc în cazul turbinelor cu reacţiune, a cаror viteză periferică nu depăşeşte de obicei 180 m/s.

Discul cu încărcare laterală se foloseşte în cazul turbinelor radiale şi a celor radial - axiale, discul avînd paletele fixate pe una sau pe ambele feţe ale pînzei discului (fig. 12.12). Forţele şi momentele care acţionează asupra paletelor se consideră că sunt distribuite pe faţa laterală a pînzei discului, de unde şi denumirea lor. Paletele pot fi acoperite cu un al doilea disc - numit disc de acoperire - (fig. 12.12,b), celălalt fiind denumit disc principal, sau pot fi neacoperite, ca în fig. 12.12,a. Rotorul cu disc de acoperire asigurа un randament mai bun ca rotorul fară disc de acoperire.

Discul principal se execută: dintr-o singură bucată cu paletele, fie prin turnare, fie prin forjare, urmată de frezare sau electroeroziune; cu paletele fixate de disc prin sudare sau nituire.

Discul de acoperire se fixează de palete prin sudare sau nituire.Fixarea discurilor pe arbore se face, de obicei, prin presare la cald. Strîngerea realizată

este, în general, suficient de mare pentru a transmite momentul de torsiune, totuşi se obişnuieşte să se prevadа şi una sau eventual douа pene între butucul discului şi arbore. Pînă se montează cu strаngere în arbore şi cu joc în butucul discului, conform fig. 12.13. Utilizarea a două pene diametral opuse impune o execuţie mai pretenţioasa din cauza dificultаţilor de a asigura asezarea simultană a ambelor pene în locaşul din butucul discului. Pentru a micşora concentrarea tensiunilor în butuc locaşul penei trebuie sа se execute cu raze de racordare cît mai mari.

Deoarece concentrarea tensiunilor provocată de existenţa locaşului de pană are loc în zona cea mai solicitată a discului, uneori, se utilizează în cazul discurilor puternic solicitate, în locul penelor longitudinale, pene radiale. În fig. 12.14 se reprezintă ultima treaptă a turbinelor cu abur de 50 şi 100 MW executată de uzina LMZ prevаzută cu douа pene radiale. În acest caz discul se montează tot cu stringere pe arbore; cele douа pene transmit cuplul motor de la disc la un inel ce se gаseste fretat pe arbore alături de butuc. Inelul este fretat pe arbore şi este prevаzut şi cu una sau douа pene longitudinale. Penele radiale se montează cu stringere în disc şi cu un joc de 0,02...0,04 mm în inel. Locaşul a este prevаzut pentru controlul calităţii materialului discului.

Discurile fretate direct pe arbore se montează cu o stringere de 0,8... 1,6% din valoarea diametrului alezajului din butuc, care se determină pe bază de calcul.

Pentru a uşura demontarea discului de pe arbore uneori se fretează discul pe arbore prin intermediul unei bucşe conice, despicate în lungul unei generatoare, prin care trece o pană (fig. 12.15). Discul se montează cu strîngere pe bucşа, prin deplasarea în direcţia axială a discului faţа de bucşа. Demontarea discului de pe arbore se obţine prin deplasarea bucşei cu ajutorul unui dispozitiv, care se inşurubează în bucşа şi se sprijină pe butucul discului.

Sub influenţa forţelor centrifuge şi a diferenţilor de temperatură între butuc şi arbore, în regim permanent sau la variaţii de incărcare, apar deformaţii radiale în butuc, care reduc valoarea străpungerii. Creşterea turaţiei şi a diferenţei de temperatură provoacă de micşorarea strîngerii dintre disc şi arbore. Turaţia la care strîngerea discului se anulează sub influenţa forţelor centrifuge şi a temperaturii se numeşte turaţie de eliberare sau de desprindere. Strîngerea realizată la montaj (în stare rece şi repaus) trebuie astfel aleasă incît turaţia de eliberare să fie mai mare decît turaţia maximă atinsă în cursul exploatării, oricare ar fi regimul de funcţionare al turbinei.

Mărirea turaţiei de eliberare se obţine prin mărirea strîngerii realizate la montaj, care provoacă însă mărirea solicitărilor discului atît în stare de repaus, cît şi în timpul funcţionării.

Dificultatea de a realiza o turaţie de desprindere mai mare ca turaţia de regim, în cazul etajelor care lucrează la temperaturi ridicate şi la viteze periferice mari, a dus la apariţia metodelor de fixare a discului pe arbore arătate în fig. 12.16 şi l2.17.

În fig. 12.16 se prezintă fixarea prin buloane radiale, în acest caz, în interiorul butucului discului se montează o bucşă, care se fixează de disc prin mai multe buloane radiale, iar discul astfel asamblat se trage pe arbore în modul obişnuit. La această soluţie turaţia de eliberare poate să fie mai mica decît turaţia de funcţionare, deoarece desprinderea discului de pe bucşă nu provoacă descentrarea faţa de arbore, discul fiind ghidat şi centrat de buloane. Cuplul motor se transmite de la disc la bucşă prin buloanele radiale, iar de la bucşă la arbore prin intermediul unei pene.

Centrarea cu ştifturi radiale se foloseşte uneori şi la treptele de IP ale turbinelor cu reacţiune. în acest caz pe arbore se montează fără străngere o bucşă centrată prin ştifturi radiale faţa de arbore. În fig. 12.18 este reprezentată soluţia constructiva utilizată de SSW la o turbina de IP. Bucşa a este executată corp comun cu discul treptei de reglare b şi cu bucşa labirinţilor c. În bucşa a sunt prevăzute canalele de fixare ale paletelor primelor trepte ale turbinei.Centrarea se face prin ştifturile radiale d. Bucşa şi discul sunt executate din oţel austenitic, iar restul rotorului din oţel perlitic.

Fixarea discurilor în direcţia axială se face fie cu ajutorul unei piuliţe inşurubate pe arbore (fig. 12.17,a) şi asigurată contra deşurubării, fie cu ajutorul unui inel tras la cald, care are un prag ce intră intr-o canelură a arborelui (fig. 12.17,b). Între disc şi piuliţă sau inelul de fixare trebuie să se lase un joc de dilatare δ = (0,15...0,30) mm. Dacă partea calată a arborelui este lungă, trebuie să se prevadă rosturi de dilatare din loc în loc şi între discuri. În fig. 12.17,c se prezintă una dintre soluţiile adoptate în acest caz. Inelul de fixare, executat din două jumătăţi, este introdus intr-un locaş special de pe arbore şi se strînge cu ajutorul discului a cărui poziţie axială o fixează. Fixarea ultimului disc la această construcţie se obisnuieste să se faca conform fig. 12.1l,d. În acest caz fixarea celor două jumătăţi de inel se face cu un inel tras la cald, a cărui iesire este impiedicata de un prag al inelului de dilatare pe care se fretează.

Discurile de egală rezistenţă şi cele fară gaură centrală se fixează de arbore cu şuruburi, în care scop arborele se prevede cu о flanşă, asa cum se vede în fig. 12.17,е.

Găurile de egalizare a presiunilor de pe cele doua feţe ale discului se prevăd în pînza discului, acolo unde tensiunile nu sunt prea mari (v.fig. 12.10,c). Găurile de egalizare provoacă о concentrare a tensiunilor; de aceea se vor utiliza numai în cazul unei necesităţi reale. Pentru a reduce intensitatea concentrării tensiunilor, marginile orificiului se vor rotunji cu raze cît mai mari.

Pentru asigurarea unei funcţionări liniştite, fară vibraţii, discurile rotorului se supun în cursul procesului de fabricaţie, dupa paletarea lor, unei echilibrări statice, iar rotorul complet asamblat se echilibrează dinamic. Echilibrarea statică a discurilor se realizează prin îndepаrtarea surplusului de material de pe coroana discului din locul indicat cu a în fig. 12.19, sau din jurul găurilor de echilibrare. Echilibrarea dinamică a rotorului se obţine de obicei prin fixarea unor mase b (fig. 12.19), în canale în formă de coadă de rîndunică, prevăzute pe primul şi ultimul disc al rotorului.

Echilibrarea dinamică se realizează în uzina executoare pe maşini de echilibrat. În cazul rotoarelor de JP a marilor turbine cu condensale de 25 sau 30 rot/s ale căror ultima treaptă au un diametru foarte mare, ce depăşeşte gabaritul mijloacelor de transport, paletarea ultimei trepte se face la montajul din centrala.

La aceste maşini - dar uneori şi la cele cu turaţia de 50 sau 60 rot/s - se intocmeşte cu aceastа ocazie aşa numita matrice de echilibrare prin măsurarea influenţii unor mase din planurile de echilibrare, pentru caracterizarea liniei de arbori a agregatului şi, dacă este cazul, pentru îmbunаtаţirea stаrii de echilibrare a grupului.

Amplitudinea vibraţiilor se poate măsura fie la corpurile de lagăr, fie la arbori, ultimele fiind cu mult mai mari decаt primele.

Discurile rotorului se prelucrează pe suprafeţe corespunzаtor unei rugozităţi de 6,3 μm, cu excepţia suprafeţelor butucului şi a unei porţiuni din pînza discului dinspre butuc, care se prelucrează la o rugozitate de 1,6μm.

Suprafaţa de fretare a discului pe arbore se prelucrează cu toleranţe relativ largi H8, urmînd ca strîngerea prescrisă, variind în limite strinse, să se realizeze prin prelucrarea arborelui în funcţie de diametrul realizat la disc. Coroana discului se execută cu toleranţele indicate în fig. 11.25.

Abaterea de la concentricitate a alezajului butucului faţă de coroană şi ovalitatea şi conicitatea maximum admisibile ale alezajului sunt de 0,03. Bаtaia suprafeţelor laterale ale coroanei se admite sа fie de cel mult 0,1 mm dupа montarea discului pe arbore. Canalele de pînă din disc trebuie să fie paralele cu axa de rotaţie a discului, abaterea de la paralelism admisibilă fiind de maximum 0,05 mm. Abaterea de la paralelism a suprafeţelor laterale ale locaşului de pînă între ele se admite de maximum 0,02 mm. Buloanele radiale (v.fig.12.16) trebuie să fie strict radiate. Abaterea de la radialitate maximum admisibilă este de 0,8‰.