Введение к работе
Актуальность работы. Эксплуатационные режимы турбины, такие как
пуски из различного состояния, сбросы нагрузки, остановы, т.е. переменные
режимы работы вызывают в материале ротора переменные температурные
напряжения. При этом в материале ротора накапливается поврежденность от
малоцикловой усталости. Многоцикловая усталость появляется при
кратковременных нерасчетных режимах работы турбины,
сопровождающихся повышенной вибрацией ротора. Известны случаи появления трещин в роторах высокого давления (РВД) в зоне концентратора напряжений обусловленные сочетанием высоких растягивающих температурных напряжений и переменных механических напряжений от вибрационной нагрузки.
Наибольшую опасность представляют зоны, в которых возможно сочетание многих факторов, влияющих на надежность и выработку ресурса. Такими зонами являются области паровпуска в средней части РВД. Здесь в области концентраторов напряжений может происходить накопление повреждений и от ползучести, и от малоцикловой усталости, и от многоцикловой усталости. Поэтому задача, связанная с разработкой методик оценки надежности роторов с учетом всех перечисленных факторов остается актуальной. Методы расчета поврежденности материала роторов от малоцикловой усталости и ползучести хорошо известны и используются для оценки надежности высокотемпературных роторов. К настоящему времени нет метода оценки поврежденности роторов высокого давления от многоцикловой усталости.
Значительная часть крупных паровых турбин имеет время наработки близкое к ресурсу. Поэтому актуальной задачей является уточнение ресурса РВД за счет учета дополнительной поврежденности от многоцикловой усталости. Кроме того, расчетные оценки выработки ресурса и остаточной долговечности роторов часто проводятся на основании режимов эксплуатации, рекомендуемых инструкциями. Такие оценки проводятся при проектировании и рекомендуются руководящими техническими материалами, как правило, гарантируют высокую надежность с высокими коэффициентами запаса на весь срок эксплуатации машины. Однако, реальные режимы эксплуатации зачастую существенно отличаются от рекомендуемых и являются фактически индивидуальными не только для каждой станции, но и для каждого турбоагрегата. Это делает актуальным использовать на основе данных мониторинга работы турбины методику оценки поврежденности материала РВД с учетом всех повреждающих факторов, в том числе и дополнительной поврежденности от многоцикловой усталости.
Актуальным является разработка программы расчета поврежденности от многоцикловой усталости материала РВД, которая может быть
использована как часть системы диагностики, позволяющей оценить общую поврежденность РВД и его остаточный ресурс.
Объект исследования- роторы высокого давления паровых турбин. Цель работы:
На основе имеющихся данных о процессах, протекающих в металле средней части РВД при эксплуатации разработка метода расчета поврежденности от многоцикловой усталости для использования в системе диагностики
Разработка методики оценки величины статической составляющей цикла при многоцикловой усталости высокотемпературных роторов, позволяющей учитывать комплекс геометрических и режимных факторов
Получение зависимостей сопротивления усталости роторных сталей от температуры, масштабного фактора, концентрации напряжений и асимметрии цикла, отвечающих условиям эксплуатации РВД мощных паровых турбин и получение зависимостей для оценки параметров усталостной кривой, отвечающей долговечности до зарождения трещины, для материала РВД с учетом эксплуатационных факторов.
На основе разработанных зависимостей оценить поврежденность материала РВД турбины К-800-23,5-5 в зависимости от условий эксплуатации и геометрии концентратора напряжений.
Оценить поврежденность материала РВД турбины К-300-23,5 от многоцикловой усталости при участии турбины в регулировании частоты и мощности энергосистемы.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается использованием в методике расчета проверенных практикой математических зависимостей и алгоритмов, которые апробированы на отдельных задачах, отвечающих расчету напряжений, действующих на поверхности ротора в зоне концентратора напряжений и расчету сопротивления многоцикловой усталости; подтверждением полученных результатов данными эксплуатации РВД крупных паровых турбин
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
l.Ha основе имеющихся данных о процессах, протекающих в металле средней части РВД при эксплуатации разработан метод расчета поврежденности от многоцикловой усталости
2.Выявлены зависимости сопротивления усталости роторных сталей от температуры, масштабного фактора, концентрации напряжений и асимметрии цикла, отвечающие условиям эксплуатации РВД мощных паровых турбин и приведена оценка параметров усталостной кривой, отвечающей долговечности до зарождения трещины, для материала РВД с учетом эксплуатационных факторов.
З.С помощью расчетно-теоретических исследований выявлены условия возникновения поврежденности от многоцикловой усталости в
материале РВД крупных паровых турбин
Практическая ценность и использование результатов работы
Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение. С помощью разработанного метода можно рассчитать поврежденность от многоцикловой усталости в металле высокотемпературных роторов крупных паровых турбин в зависимости от геометрии концентратора напряжений и режимов эксплуатации.
Программа, написанная по данной методике, позволяет использовать ее как часть системы диагностики при оценке общей поврежденности, накопленной в материале ротора, и остаточного ресурса ротора.
На основе разработанного метода расчета проведена оценка поврежденности от многоцикловой усталости материала РВД турбины К-800-23,5-5 в зависимости от условий эксплуатации и геометрии концентратора напряжений. Для зоны задней галтели диафрагменного уплотнения первой ступени РВД получены значения предельных амплитуд напряжений в зависимости от геометрических характеристик рассматриваемого участка РВД и режима изменения параметров пара, позволяющие выявить уровень амплитуды напряжения, выше которой необходимо учитывать поврежденность от многоцикловой усталости
Для РВД турбины К-300-23,5 при участии турбины в регулировании частоты и мощности энергосистемы получено, что изменение температуры пара на поверхности ротора на величину равную или меньшую 20 С в режиме АВРЧМ практически не вносит поврежденность от многоцикловой усталости в металл РВД.
Личный вклад автора заключается в:
- выполнении обзора и анализа литературных данных и обосновании метода
решения поставленной задачи;
разработке методологии и алгоритма расчёта поврежденности от многоцикловой усталости РВД в зоне концентратора напряжений
- создании программы расчета поврежденности роторов высокого
давления паровых турбин от многоцикловой усталости;
- проведении численного эксперимента по оценке поврежденности роторов высокого давления паровых турбин К-800-240-5 и К-300-240 от многоцикловой усталости
Результаты работы докладывались;
на 15-17 международных научно -технических конференциях студентов и аспирантов « Радиотехника, электротехника и энергетика», МЭИ, Москва, февраль 2009-11 г.г.
на семинаре сектора прочности кафедры Паровых и газовых турбин НИУМЭИ, 03 апреля 2012 г.
на заседании кафедры Паровых и газовых турбин НИУМЭИ, 10 апреля 2012 г.
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 2 научные статьи в рецензируемых журналах и 3 доклада на международных научно-технических конференциях.
Автор защищает разработанный метод оценки поврежденности материала роторов высокого давления от многоцикловой усталости; результаты расчетно-теоретических исследований, их обобщение и рекомендации по снижению поврежденности материала РВД от многоцикловой усталости
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, перечня использованной литературы, который включает в себя 81 наименование. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, иллюстрируется 41 рисунками, и содержит 12 таблиц.
