Введение к работе
Актуальность работы.
Основными несущими элементами любого турбоагрегата являются роторы, в которых высокие скорости вращения и температура рабочей среды создают значительные напряжения в металле от действия эксплуатационных нагрузок.
Прогнозирование фактического ресурса роторов паровых турбин в настоящее время является одной из основных задач в сочетании с диагностикой по обеспечению безопасной и надежной эксплуатации роторов с большой наработкой (сверх паркового ресурса). Парковый ресурс роторов, который определяет минимальный гарантированный срок их эксплуатации, составляет от 100 до 270 тысяч часов в зависимости от типа турбины.
При назначении остаточного ресурса и получении показателей надежности ротора исходят из запасов прочности и долговечности основных его деталей, одной из которых является насадной диск - промежуточный элемент комбинированного ротора низкого (среднего) давления (РИД, РСД).
Насадные диски, работая в условиях коррозионно-активной среды, воспринимают передачу крутящего момента ротора и несут нагрузку от центробежных сил собственной массы, контурную нагрузку от рабочих лопаток и контактную нагрузку, обусловленную натягом.
В период средних и капитальных ремонтов, при проведении типовых регламентных работ по неразрушающему контролю металла, достаточно часто имеют место случаи обнаружения дефектов типа трещин в зонах конструктивных концентраторов напряжений.
Существующие методы оценки долговечности вращающихся элементов турбины основаны на результатах неразрушающих методов контроля, которые ввиду труднодоступности локальных участков объекта контроля (для диска: ступица, шпоночный паз, радиусные сопряжения замкового соединения лопатки с диском) зачастую не гарантируют исчерпывающую оценку его остаточного ресурса. Более того, основными характеристиками для расчета долговечности являются механические свойства материала в исходном состоянии без учета их изменения по стадиям эксплуатации.
В связи с этим актуальной является задача разработки и внедрения индивидуальных решений по продлению сверх паркового ресурса роторов паровых турбин по критериям прочности, надежности и экономической целесообразности. При этом принципиально важным является учет изменения прочностных и деформационных характеристик по стадиям наработки турбины в эксплуатации.
Постановка задачи.
В настоящей работе поставлена цель оценки изменения характеристик сопротивления статическому и циклическому деформированию и разрушению материала насадного диска с учетом положения критических зон и наработки турбины в эксплуатации.
Достижение поставленной цели состоит в:
проведении анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) диска для определения положения критических зон накопления и развития повреждений;
получении характеристик прочности, пластичности и трещиностойкости при статическом и малоцикловом гармоническом нагружениях на основе экспериментальных исследований образцов из критических зон диска турбины с наработкой в эксплуатации и образцов с исходными свойствами материала;
проведении анализа влияния истории нагружения, положения критических зон и концентраторов напряжений на комплекс упругопластических характеристик сопротивления деформированию и разрушению материала диска;
разработке рекомендаций по оценке НДС и прогнозированию остаточного ресурса с учетом наработки в эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в:
установлении закономерности изменения ширины петли упруго-
пластического гистерезиса при однородном и неоднородном напряженном
состоянии для материала диска с наработкой в эксплуатации;
оценке влияния положения критической зоны диска на комплекс характеристик сопротивления статическому и малоцикловому деформированию и разрушению материала диска турбины с учетом наработки в эксплуатации;
закономерностях влияния эксплуатационного профиля нагружения на изменение характеристик долговечности материала диска в критических зонах;
установлении взаимосвязи между истинными задаваемыми и разрушающими деформациями в зоне концентрации напряжений;
разработке модели прогнозирования остаточной долговечности диска, с учетом наработки турбины в эксплуатации.
На защиту выносятся:
результаты численных расчетов НДС диска по определению положения критических зон и экспериментальные данные статического и упругопласти-ческого деформирования образцов, вырезанных из областей концентраторов напряжений диска и образцов с исходными свойствами материала;
обоснование изменения долговечности материала из критических зон диска при наложении программно-блочного нагружения;
результаты экспериментальных данных по определению параметров скорости развития трещин в образцах, вырезанных из ободной части диска и образцах с нулевой наработкой в эксплуатации для гармонического и эксплуатационного профиля нагружения;
модель прогнозирования остаточной долговечности диска, с учетом наработки турбины в эксплуатации.
Практическая значимость заключается в разработке рекомендаций по оценке НДС и прогнозированию остаточного ресурса насадных дисков паровых турбин с учетом кинетики свойств материала диска по наработке в эксплуатации. Полученные расчетно-экспериментальные данные позволяют на-
значить интервалы регламентных ремонтных работ в зависимости от индивидуального состояния материала диска. Результаты работы внедрены для использования в деятельности турбинного цеха филиала ОАО «Генерирующая компания» на Набережно-Челнинской ТЭЦ.
Достоверность результатов подтверждается совпадением частных численных решений с литературными данными и с данными диагностики технического состояния дисков роторов, полученными в процессе проведения регламентных ремонтных работ на тепловых электростанциях.
Методы исследований.
Численные исследования выполнялись на основе метода конечных элементов, методов компьютерного моделирования и программирования. Экспериментальные исследования образцов проведены на специализированной испытательной машине Bi-00-201/TRI-900L Plug-n-Play Test System.
Реализация работы.
Работа поддерживалась хоздоговором НЧ ТЭЦ № ДЗ14/139 от 11.03.2010 с актом внедрения работы по договору на выполнение НИОКР (акт №48 от 07.12.2010).
Апробация работы.
Результаты работы представлялись на аспирантских семинарах Академ-энерго Казанского НЦ РАН (Казань, 2006 - 2011 гг.), итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, КазНЦ РАН -2006-2011 гг.), V, VI, VII Школах-семинарах молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН - 2006, 2008, 2010 гг.), XVI, XVII Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС2009, 2011) (Алушта, Крым 2009, 2011гг.); Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения» (Москва, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и конструкций» (Киев, 2010 г.), итоговой молодежной научно-практической конференции компаний энергосистемы Республики Татарстан (Казань, 2010 г.). В полном объеме диссертация докладывалась в Институте машиноведения им. А.А.Благонравова РАН и Исследовательском центре проблем энергетики Учреждения Российской Академии наук Казанского научного центра РАН.
Публикации.
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 16 печатных работах.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения. Материал изложен на 114 страницах, содержит 67 рисунков, 10 таблиц, список литературы состоит из 103 наименований, приложение на 1 странице.
