Определение осевого усилия, действующего на ротор многоступенчатой паровой турбины

При работе турбины на ее роторе возникают осевые усилия, которые воспринимаются упорным подшипником.

Назовем основные причины, вызывающие возникновение осевых усилий на роторе турбины.

1. В ходе преобразования энергии пара на рабочих лопатках на их действуют аэродинамические силы со стороны потока пара. Величина силы Р, действующей на одну лопатку (рис.100), определена нами при анализе работы единичной турбинной ступени. Эта сила может быть разложена на окружную силу P_u, которая совершает полезную работу, заставляя ротор турбины вращаться, и осевую силу Ра. Сила Р_а работу не совершает; она стремится сдвинуть ротор турбины в осевом направлении и входит как составляющая в нагрузку, воспринимаемую упорным подшипником турбины.

На рабочую лопатку произвольной к-й ступени действует осевая сила Р_ак, равная: (4.6.1)

где z – число рабочих лопаток к-й ступени.

Величина силы, действующей на все рабочие лопатки этой ступени, составит:

(4.6.2)

В активной ступени и второе слагаемое равно нулю, поэтому в активных ступенях сила невелика; в реактивных ступенях и поэтому сила может быть значительной. Для много ступенчатой турбины с Z ступенями суммарная осевая сила, действующая на ее рабочие лопатки, составит:

(4.6.3)

2. Кроме силы в нагрузку упорного подшипника входит сила, вызванная разностью статических давлений пара на выступающие части ротора турбины. На рис.101 показана схема активно-реактивной турбины с комбинированным ротором. Если d – диаметр вала, а D_б – диаметр барабана ротора, то сила давления, действующая на торцевые поверхности этого ротора составит:

(4.6.4)

Имея конкретную конструкцию ротора и распределение давлений по ступеням турбины легко подсчитать силу для любого ротора. В общем случае

(4.6.5)

где i – число уступов ротора.

Таким образом, суммарная осевая сила Р_а, действующая на ротор много ступенчатой турбины будет направлена по направлению движения пара и составит:

(4.6.6)

3. В общем случае в суммарную осевую силу, действующую на ротор турбины может входить сила вызванная весом ротора при дифферентах корабля, которая определяется по следующей формуле:

, (4.6.7)

где Р_р – вес ротора, ψ – угол дифферента корабля.

Осевая сила (4.6.6) должна восприниматься упорным подшипником турбины. Эта сила может достигать значительной величины и для ее восприятия пришлось бы выполнить упорный подшипник очень больших размеров, поэтому используются различные способы разгрузки осевых усилий на роторе турбины.

1. Проектирование активных паровых турбин у которых сила Ра сравнительно невелика, диски выполняются с разгрузочными отверстиями, ротор турбины имеет специальную конфигурацию.

2. Применение двухпроточных турбин. На рис.102 показана принципиальная схема двухпроточной турбины. Для приведенной схемы турбины силы , действующие на рабочие лопатки, направлены в каждом протоке в противоположную сторону и потому взаимно уравновешиваются. Сила , определяемая давлением пара на торцевые поверхности ротора, также равна нулю, ибо давление пара по обоим торцам барабана ротора одинаково и равно Рz. Таким образом, ротор двухпроточной турбины может быть полностью разгружен от осевой силы. Упорный подшипник в этом случае воспринимает только случайные нагрузки и нагрузку от веса ротора при установке турбины с уклоном в корму или при дифферентах корабля.

3. В однопроточных турбинах для уменьшения осевой силы применяется разгрузочный поршень (думмис).