Матеріали, що використовуються при виготовленні гідроагрегатів

Для виготовлення деталей великих гідротурбін застосовуються сталь, чавун, бронза і у невеликій кількості інші матеріали (бабіт, гума і пластмаси). Більшість деталей гідротурбін виготовляють із сталі, що застосовується у вигляді сталевих відливків, сталевих поковок, сортового і листового металу. У потужній поворотнолопатевій турбіні сталеві відливки складають біля 55% загальної маси, листовий і сортовий метал - біля 25%. У радіально-осьової турбіни маси листового і сортового металу досягають 40%, маса сталевих відливок зменшується до 40%. У зв'язку із розширенням застосування зварних конструкцій збільшується доля листового і сортового металу і зменшується маса сталевого литва. Доля чавунного литва у потужних гідротурбін невелика і коливається в межах 8÷10 % загальної маси турбіни. Маса кованої частини складає 10÷12%.

Сталеві відливки застосовуються для виготовлення найбільших деталей гідротурбін, таких, як корпус робочого колеса поворотнолопатевої гідротурбіни, робочі колеса радіально-осьових турбін, лопаті, напрямні лопаті та ін.

Складна конфігурація і великі габарити деталей іноді змушують збільшувати товщину стінок, щоб забезпечити достатні припуски на обробку із урахуванням можливих поводок деталей. Це може викликати ливарні дефекти на оброблюваних поверхнях і у місцях переходів. Тому сталеві відливки гідротурбін окрім показників механічних властивостей мають бути хорошої якості і хорошої зварюваності, щоб можна було легко виправити дефекти литих великогабаритних сталевих заготовок. Деякі сталеві відливки у гідротурбінах виконують із вуглецевої сталі 30Л. Вміст вуглецю у ній коливається в межах 0,25÷0,35%. Механические властивості відливок з цієї сталі характеризуються наступними параметрами:

Тимчасовий опір розриву, кгс/мм² (МПа) 45 (~450)

Межа текучості, кгс/мм² (МПа) 22 (~220)

Подовження при п'ятикратному зразку, % 16

Відносне звуження, % 30

Ударна в'язкість (по Менаже), кгс·м/см² 2(Н·м/см²) 3(~30)

Твердість по Брінелю 128÷180

Великі сталеві відливки обов'язково піддаються термічній обробці, кінцевою операцією якої є відпустка із повільним охолодженням у печі для зняття внутрішньої напруги.
Для забезпечення хорошої зварюваності деталей гідротурбін, що виготовляються із цієї сталі, звертають увагу на вміст вуглецю і зазвичай у технічних умовах на постачання відливок обмежують його верхнє значення рівнем 0,35%. Хороші якості щодо зварювання має маловуглецева сталь марки 25Л.

Для найбільш відповідальних поковок валів гідротурбін застосовують зливки сталі 40, виплавленої у мартенівській печі. Вміст вуглецю у цій сталі коливається в межах 0,35÷0,45%. Механічні властивості поковки лежать у межах наступних значень:

Тимчасовий опір розриву, кгс/мм² (МПа) 48 (~480)

Межа текучості, кгс/мм² (МПа) 26 (~260)

Подовження на п'ятикратному зразку, % 16

Відносне звуження, % 30

Ударна в'язкість(по Менаже), кгс·м/см² (Н·м/см²) 4 (~40)

Листовий і сортовий матеріали для зварних конструкцій зазвичай застосовуються із вуглецевої сталі, гарячекатаної.

Деталі проточної частини турбін, особливо робочі колеса радіально-осьових турбін і лопаті поворотнолопатевих турбін, працюють у специфічних умовах дії кавітації. Небезпека кавітації зазвичай не може бути повністю усунена вибором відповідних параметрів машин і профілізацією лопатей, тому руйнівну дію кавітації у гідротурбінах значною мірою намагаються зменшити шляхом застосування стійких проти кавітації матеріалів.
У цьому відношенні найбільш характерною деталлю є лопать робочого колеса поворотнолопатевої турбіни.

Для лопатей великих гідротурбін доцільно використовувати маловуглецеву сталь 0Х12НДЛ наступного складу: вуглець до 0,1%, хром 12÷13,6%, нікель 1,0÷1,5%, кремній до 0,4%, марганець 0,3÷0,6%, сірка не більше 0,025%, фосфор не більше 0,025%, мідь 1÷1,3%. Механичні властивості цієї сталі характеризуються наступними даними:

Тимчасовий опір розриву, кгс/мм² (МПа) 77 (~770)

Межа текучості, кгс/мм² (МПа) 64 (~640)

Подовження, % 13

Поперечне звуження, % 38

Ударна в'язкість, кгс·м/см² (Н·м/см²) 8 (~80)

Застосовуються також біметалічні лопаті, відлиті із вуглецевої або малолегованої сталі із подальшим лицюванням приварюваними листами нержавіючої сталі. У такій конструкції лопаті повинні забезпечувати поєднання високої кавітаційної стійкості нержавіючої сталі на поверхні лопаті із технологічними перевагами і малою вартістю вуглецевої сталі. Для таких конструкцій застосовується сталь 20ГСЛ наступного складу: вуглець 0,16÷0,22%, марганець 1÷1,3%, кремній 0,6÷0,8%, сірка і фосфор - не більше 0,03%. За технічними умовами механічні властивості цієї сталі характеризуються наступними показниками:

Тимчасовий опір розриву, кгс/мм² (МПа) 52 (~520)

Межа текучості, кгс/мм² (МПа) 30(~300)

Відносне подовження, % 14

Відносне звуження, % 30

Ударна в'язкість, кгс·м/см² (Н·м/см²) 5(~50)

Твердість по Брінелю 156-197

Ця сталь добре зварюється у холодному стані, тому вона знайшла широке застосування для відливок великих деталей гідротурбін, що разом із підвищеними механічними властивостями повинні мати хорошу зварюваність. Ця сталь не являється кавітаційною, тому у разі її застосування для лопатей, останні у небезпечній зоні кавітації мають бути захищені наплавленням, наприклад із сталі 1Х18Н9Т. Межа втомлюваності сталі 20ГСЛ у воді значно нижча, у нержавіючої сталі 12 кгс/мм² (~120 МПа) замість 19 кгс/мм² (~190 МПа), що необхідно враховувати при застосуванні цієї сталі для лопатей та інших деталей, працюючих в умовах вібраційних навантажень.

Для лицювання лопатей застосовується аустенітна нержавіюча сталь 1Х18Н9Т такого складу: вуглець 0,12%, хром 17÷20%, нікель 8÷11%, кремній 0,8%, марганець 2,0%, титан до 0,8%, Ця сталь має високі пластичні властивості. Вона має високу хімічну стійкість і хорошу зварюваність. Кремнієво-марганцевиста сталь 20ГС знаходить застосування для великих поковок, для кованих труб зварних валів гідротурбін та інших деталей.
Останнім часом у гідротурбобудуванні знаходить застосування аустенитно-ферритна сталь 10Х18Н3Г3Д2-Л для деталей, що працюють у воді, що несе велику кількість зважених часток піску (в умовах піщаної ерозії). Склад цієї сталі: вуглець до 0,1%, кремній 0,3÷0,5%, марганець 2,5÷3,0%, хром 17,5÷19,5%, нікель 3÷3,5%, мідь 1,8÷2,2%, сірка до 0,03%, фосфор до 0,03%. Матеріал відливки з цієї сталі має наступні механічні властивості:

Межа міцності, кгс/мм² (МПа) 55 (~550)

Межа текучості, кгс/мм² (МПа) 30 (~300)

Ударна в'язкість, кгс·м/см² (Н·м/см²) 2 (~20)

Твердість по Брінелю 250-320

Ерозійна стійкість цієї сталі приблизно в 1,5÷2 рази вища, ніж у звичайної вуглецевої сталі. Але ця сталь має істотний недолік – високу вартість і складну технологію виробництва, особливо для відливок великої змінної товщини. Для деталей порівняно невеликих розмірів (лопаті напрямного апарату невеликих турбін, захисні лицювання, лабіринтові кільця і т. п.), що виготовляються із вуглецевої сталі, можливе зміцнення поверхонь деталей від ерозійного руйнування шляхом хіміко-термічної обробки (цементація із загартуванням). Доцільне застосування біметалічних матеріалів (Ст.3 + 1Х18Н9Т та Ст.3 + ЕН496) у вигляді двошарового прокату для зварних камер робочих коліс та інших деталей з метою підвищення кавітаційної стійкості. Для спіральних камер потужних гідротурбін застосовується листова сталь СХЛ- 4 (10ХСНД) з наступним складом: вуглець 0,12%, марганець 0,5÷0,8%, кремній 0,5÷0,8%, кремній 0,8÷1,1%, хром 0,6÷0,9%, нікель 0,5÷0,8%, мідь 0,4÷0,65%, сірка менше 0,04%, фосфор не більше 0,04%. Механічні властивості цієї сталі: межа міцності 54 кгс/мм² (540 МПа), подовження п'ятикратного зразка 18%. Сталь добре зварюється у холодному стані. Застосування її обмежується товщиною листів 32 мм.

 

Таблиця 1.2.

Матеріали, що застосовуються для деталей гідротурбін

Найменування деталі

Матеріал

Робоче колесо РО турбіни: верхній і нижній ободи лопаті Робоче колесо ПЛ турбіни: лопаті цапфа, болти лопатей корпус робочого колеса шток хрестовина поршень серводвигуна Вал турбіни Напрямний апарат: кільця і кришка турбіни зварні лопаті литі лопаті зварні регулююче кільце зварне поршень серводвигуна Статор литий Статор зварний Камера рабочего колеса   Фундаментне кільце РО турбіни Спіральна камера Втулки цапф робочого колеса біля напрямних лопатей и маслоприймача

Сталь марок: 20ГСЛ; 0Х12НДЛ; 10Х18Н3Г3Д2Х Сталь марок: 10Х18Н3Д2Л; 22К; 0Х12НД   Сталь марок: 20ГСЛ; 20Х13НЛ; 1Х18Н3Д2Л Сталь марок: 25; 30; 35; 40Х; 40ХН Сталь марок: 25Л; 20ГСЛ Сталь марки 20 Сталь марок: 25Л; МСт.3 Чавун марок: СЧ21-40; 28-48; сталь марок: 25Л; 30Л Сталь марок: 40Х; 40Н; 40ХН; 20ГС; 40   Сталь марок: МСт.3; 20 Сталь марок: 25Л; 30Л; 20ГСЛ; 0Х12НДЛ Сталь марок: 30; МСт.3; 20ГС Сталь марки МСт.З Чавун марки СЧ28-48 Сталь марок: 20Л; 20ГСЛ Сталь марки МСт.З Сталь марки 0X13 (ЕИ-496); біметал із зовнішнім шаром товщиною 3÷4 мм із сталі марки 0X13 Сталь марки МСт.3 Сталь марок: МСт.3; 20; 10Х СНД Бронза марок: Бр.ОЦС6-6-3; Бр.ОЦС5-5-5; Бр.ОФ 10-1