Введение к работе
Актуальность проблемы. Перед паротурбостроением и энергетикой з-прежнему стоят вопросы улучшения показателей надежности, ;ономичности, маневренности и ремонтопригодности турбоагрегатов, настоящее время требования к надежности возрастают в связи с гсутствием ввода новых мощностей и необходимостью поддержания в ібочем состоянии существующих.
Надежность паровых турбин определяется в значительной мере их ібрационной надежностью, обеспечение которой включает в себя, в істности, решение трех основных проблем: повышение вибропрочности таточного аппарата; снижение уровня вибрации турбоагрегатов, в т. ч. и . счет повышения качества балансировки роторов на заводе-изготовителе валопровода в условиях эксплуатации; разработка методов и средств ібрационной диагностики турбоагрегатов в эксплуатации.
Для обеспечения надежности лопаточного аппарата необходимо эавильно оценивать напряженное состояние и ресурс лопаточного гаарата. Однако определение вибрационной прочности и долговечности шаток часто затруднено: не известны или известны лишь ориентировочно агачины вынуждающих сил, конструкционное демпфирование лопаток, істотньїе характеристики рабочих венцов и распределение напряжений по таткам. Важную роль в оценке надежности лопаток играют и мпературные условия их работы.
Вибрационное состояние турбоагрегата является важнейшей :сплуатационной характеристикой. Низкие и стабильные уровни ібрации опор и валопровода во всем диапазоне режимов гарантируют НЕГовечность агрегата, возможность своевременной диагностики и пранения возникающих дефектов. Одним из основных мероприятий, їеспечивающих высокую вибрационную надежность, является ічественная балансировка роторов на турбостроительных предприятиях.
Вопросам технической вибрационной диагностики оборудования гектростанций уделяется повышенное внимание. Это объясняется, с одной ороны, необходимостью контроля технического состояния агрегатов и
4 обоснованием сроков межремонтного периода, с другой стороны стремлением к снижению ущерба от аварий и внеплановых простоев.
Из вышесказанного следует, что исследования и разработк направленные на решение комплексной проблемы повышен! вибрационной надежности паровых турбин, продолжают оставаться и настоящее время весьма важными и актуальными.
Цель работы - повышение вибрационной надежности парові турбин. Эта цель достигается:
разработкой методов и средств вибрационных и температурні исследований лопаточного аппарата турбин;
получением точных данных о температурном и вибрационнс состоянии лопаток при различных режимах работы турбин в эксплуатаци снижением уровня динамических напряжений в лопатках за счет выяснен! механизма колебаний разночастотных венцов;
разработкой и внедрением методов многоплоскостной балансирові роторов в условиях заводов;
разработкой методик диагностирования турбомашин, созданием внедрением систем диагностики на электростанциях.
Научная новизна работы определяется тем, что впервые:
предложена модель лопаточного венца, позволяющая выполня расчеты свободных и вынужденных колебаний рабочего колеса с больші числом разночастотных лопаток, в которой лопаточный венец замен кольцевой балкой на упругом основании и разночастотность моделирует переменной распределенной массой балки, а податливость обода диска влияние связей учитываются жесткостью основания; разработана методи решения задачи о вынужденных колебаниях венца с разночастотньн лопатками, которая позволяет моделировать проход через резонанс определять характер и уровень относительных напряжений в лопатках основном резонансе и на субрезонансах;
установлено, что периодическая частотная расстановка лопаток п совпадении числа периодов и числа узлов формы колебаний созда наибольшее расслоение собственных частот и наименьшее искажен собственных форм, а однопериодная частотная расстановка лопат обеспечивает наименьший уровень амплитуды резонансных колебаний;
- разработан способ определения по ограниченным тензометрическим
анным значений расслоенных собственных частот и конструкционного
гмпфирования, а также наиболее вероятных максимальных напряжений в
яще; возможность применения предложенного метода определения
араметров вибрации вращающегося лопаточного венца подтверждена
сспериментально;
- разработан метод оперативной диагностики рабочих лопаток,
гнованный на свойстве колебаний круговых систем с нарушениями
шметрии "привязываться" узловыми диаметрами колебаний к
пределенным точкам системы;
экспериментально определены поля температур на рабочих лопатках ри малопаровом и беспаровом режимах работы ЧНД теплофикационных фбин; установлено, что степень влажности пара на входе в ЧНД рактически не оказывает влияния на температуру металла рабочих эпаток, и показано, что с точки зрения охлаждения рабочих лопаток глесообразен впрыск воды в охлаждающих устройствах только в том эличестве, которое обеспечивает получение насыщенного пара;
установлена возможность возникновения в лопатках регулирующих гупеней ЧНД опасного уровня динамических напряжений, вызванных ^равномерностью открытия каналов диафрагмы, и предложена методика к расчета;
разработана методика многоплоскостной балансировки зухопорных роторов турбин в широком диапазоне частот вращения на ізгонно-балансировочньїх стендах; обоснованы и подтверждены на рактике правила выбора частот коррекции и мест расположения тоскостей коррекции, учитывающие конструктивные особенности эторов турбин; разработан метод расчета корректирующих масс, Зладающий высокой устойчивостью решения и селективностью к тоскостям коррекции, применение которого позволяет осуществлять инимизацию количества плоскостей коррекции и масс балансировочных >узов при использовании только тех плоскостей, корректировка в эторых наиболее эффективна, и высокую степень автоматизации :хнологического процесса балансировки роторов;
- на основе сформулированных принципиальных положени
построения систем вибрационной диагностики разработана оболочк
экспертной системы с применением принципов "нечеткой" ЛОГИК!
сформулирована таблица основных диагностических признаков дефектої
создана база знаний для диагностирования турбин.
Достоверность и обоснованность научных положений определяется:
использованием расчетных моделей, учитывающих современны представления о происходящих в турбине процессах и основны конструктивные особенности исследуемых узлов и деталей турбин;
экспериментальными данными, полученными на модельных натурных установках, и комплексом широкомасштабных исследований н турбинах в условиях эксплуатации;
хорошим совпадением результатов расчетов при определени собственных и вынужденных колебаний лопаточных венцов экспериментальными данными и с результатами, полученными другим авторами;
успешной эксплуатацией рабочих лопаток последних регулирующих ступеней ЧНД, высокой вибрационной надежность] турбин АО ТМЗ, работоспособностью разработанных систем диагностики
Практическая ценность работы заключается в том, что разработаннь расчетные методы, нестандартные измерительные средства и систем: диагностики, проведенное комплексное исследование, предложенные сйтробированные конструктивные решения и технологические процесс: позволили решить ряд важнейших задач крупной научно-техническс проблемы повышения вибрационной надежности турбин, определяюще развитие турбостроения и энергетики в целом.
Реализация результатов работы заключается:
- в использовании результатов исследований при выполнени
вибрационной отстройки и разработке мероприятий по повышени:
вибрационной прочности лопаток турбин АО ТМЗ;
. - во внедрении новых экономичных режимов эксплуатации турбин ї ряде ТЭЦ (Южная ТЭЦ Ленэнерго, ТЭЦ-22 и ТЭЦ-23 Мосэнерго, ТЭЦ Кировэнерго и др.);
в использовании способов повышения надежности регулирующих гупеней ЧНД теплофикационных турбин АО ТМЗ;
во внедрении на АО ТМЗ и других предприятиях технологии ногоплоскостной балансировки гибких роторов;
в создании систем вибрационной диагностики и внедрении их на аде электростанций (Рефтинской ГРЭС, Белоярской АЭС, Южной ТЭЦ енэнерго, ТЭЦ-14 Пермьзнерго).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на аучно-технических конференциях УПИ /Свердловск, 1970, 1972, 1974, ?76/; Всесоюзных научно-технических конференциях "Современные етоды и средства уравновешивания машин и приборов" /Ярославль, 1976; олгоград, 1979/; школе передового опыта ВДНХ " Методы и средства лранения повышенной вибрации турбоагрегатов" /Москва, 1976/; сесоюзных научно-технических конференциях "Методы и средства шзометрии" /Свердловск, 1983; Кишинев, 1986/; Всесоюзном научно-:хническом совещании "Повышение вибрационной надежности аротурбинных агрегатов ТЭС и АЭС" /Москва, 1986/; Всесоюзной энференции "Долговечность энергетического оборудования систем" Лиасс, 1986/; Всесоюзной научно-технической конференции по прочности вигателей /Куйбышев, 1988/; Всероссийском семинаре "Проблемы инамики и прочности"/С.-Петербург, 1993/; научно-технических мшарах НПО ЦКТИ, МЭИ, ПО ТМЗ и в других организациях.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы публикованы в 51 печатной работе, описаниях к 7 авторским шдетельствам, в РТМ 108.021.05-82 по методам предотвращения изкочастотной вибрации валопроводов и РТМ 108.021.01-82 по лбрационным испытаниям головных паротурбинных агрегатов, вошли в гчеты отдела вибрации и прочности СКБг ПО ТМЗ.
Автор защищает:
- результаты разработок по созданию и совершенствованию методов
средств вибрационного и температурного исследования лопаточного
ппарата турбомашин; методики проведения и обработки результатов [ирокомасштабных термо- и тензометрических исследований в ссплуатационных условиях;
- расчетную модель и результаты исследований лопаточных венцов
разночастотными лопатками и другими нарушениями симметрии;
опытные данные по виброметрическим и термометрически! промышленным исследованиям лопаток ступеней ЧСД и ЧН^ теплофикационных турбин при работе в широком диапазоне режимов;
методики многоплоскостной балансировки турбинных роторов заводских условиях; результаты исследований динамических ; балансировочных характеристик роторов;
- результаты разработок по вопросам диагностирования турбин, п
структуре и архитектуре систем диагностики; результаты промышленное
исследования систем диагностики, обобщенные данные по опыт
длительной эксплуатации систем диагностики.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит и введения, семи глав, заключения и списка литературы.
Работа изложена на 202 страницах машинописного текста і иллюстрирована 94 рисунками и 15 таблицами. Список литературі содержит 350 наименований.