Актуальность проблемы. В условиях старения основного оборудования отечественных тепловых электростанций и осознания того, что в ближайшее время не удастся провести обновление значимой его части, весьма актуальной становится проблема продления индивидуального ресурса установленных турбоагрегатов и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя. По некоторым оценкам, ожидается, что к 2015 году общая мощность энергоустановок, выработавших парковый ресурс, превышающий проектный (100 тыс. часов) в среднем в 2 раза, составит около 87 млн. кВт, т.е. более 65 % установленной мощности ТЭС
В этих условиях особое внимание необходимо уделять вопросам обеспечения надёжности эксплуатации турбомашин, которая во многом определяется надёжностью элементов валопровода. Дефекты, развивающиеся в валопроводах турбомашин, являются одними из наиболее опасных, способных привести к авариям с катастрофическими последствиями.
Сегодня остро стоит проблема продления ресурса высокотемпературных роторов паровых турбин (РВД и РСД). В ходе длительной эксплуатации в условиях высоких температур и напряжений в них накапливаются повреждения, вызванные ползучестью и усталостью, изменяются структура и свойства стали. Всё это приводит к появлению остаточных деформаций (прогибов) и трещинообразованию.
В ряде случаев имеют место проблемы, связанные и с надёжностью низкотемпературных элементов валопроводов:
- массовое трещинообразование в низкотемпературных роторах, прежде всего в роторах НД турбин ПТ-135/165-130/15 УТЗ (ТМЗ), имеющих наработку более 100 тыс. часов;
- периодически наблюдаются повреждения муфтовых соединений роторов, как, например, разрушение болтового соединения муфт роторов ВД и СД турбин К-300-240 ХТЗ.
Указанные дефекты могут возникать даже на оборудовании, которое не выработало свой ресурс. Причинами этого часто являются ошибки проектирования, нарушения технологии производства, а также пренебрежение техническими требованиями в процессе эксплуатации и станционного ремонта.
В целях продления срока службы, повышения надёжности и экономичности установленного оборудования необходима разработка обоснованных рекомендаций, позволяющих диагностировать дефекты на раннем этапе их развития, увеличивать несущую способность «слабых» узлов и повышать вибрационную надёжность агрегатов в целом. Вместе с тем, некоторые из предлагаемых в настоящее время технологических и конструктивных мероприятий (использование и конкретные конструкции сотовых уплотнений в ЦВД паровых турбин, правка роторов при помощи систем балансировочных грузов и некоторые другие) небесспорны, а некоторые просто небезопасны.
Научная идея, объединяющая все рассмотренные в настоящей работе задачи, состоит в углубленном и всестороннем исследовании с использованием современных программных и аппаратных средств некоторых наиболее остро стоящих вопросов надёжности турбомашин.
Цель работы заключается в рассмотрении ряда наиболее распространенных дефектов валопроводов турбоагрегатов: анализе причин их появления, анализе существующих и разработке новых методов их обнаружения; выработке обоснованных мероприятий по предотвращению их развития; анализе и экспериментальной проверке некоторых способов их устранения.
Научная новизна работы определяется тем, что впервые:
- показано, что при существующей неравномерности крутящего момента на генераторе в сочетании с возмущениями от неравномерности тормозящего момента, предположительно возникающего на малорасходных режимах работы последних ступеней паровых турбин, первопричиной образования трещин в низкотемпературных роторах теплофикационных турбин могут стать крутильные колебания валопровода. Определяющим фактором трещинообразования при этом является качество отстройки валопровода от крутильных резонансов;
- подтверждено, что поперечные трещины приводят к изменению собственных частот роторов только тогда, когда они практически достигают критических размеров, что не позволяет их диагностировать по этому признаку на раннем этапе развития в эксплуатации (в динамике);
- предложены и обоснованы новые диагностические признаки некольцевых поперечных трещин в роторах, проявление которых возможно как в параметрах колебаний роторов, так и в параметрах вибрации опор, позволяющие проводить выявление этого дефекта в динамике на раннем этапе развития; впервые приведены дополнительные признаки наличия поперечной трещины, которые проявляются в горизонтально-поперечном направлении измерений, показано, что горизонтальная составляющая вибрации при наличии трещины может оказаться даже более информативной, чем вертикальная;
- экспериментально подтверждена принципиальная возможность диагностирования некольцевых поперечных трещин в роторах на низкочастотных балансировочных станках зарезонансного типа;
- на основе комплексного исследования несущей способности болтов муфтового соединения трёхопорных роторов показано, что прочность болтов определяют величина парового растягивающего усилия на муфте и динамические напряжения от изгибающего момента, действующего в сечении муфты; определены граничные условия монтажного и ремонтного характера, при которых происходит резкое увеличение динамических нагрузок на болтовое соединение, приводящих к его усталостному разрушению;
- показано, что правку ротора методом релаксации напряжений следует считать законченной и успешной, если остаточный прогиб после проведения правки составляет около 5 % от исходного (перед правкой);
- расчётными исследованиями показано, что прогрессирующий остаточный прогиб ротора от действия остаточной неуравновешенности противоречит поведению гибкого ротора, работающего за первой критической частотой вращения.
Достоверность и обоснованность результатов работы определяются:
- использованием сертифицированного программного обеспечения;
- использованием стандартной регистрирующей и анализирующей аппаратуры, имеющей сертификаты метрологической поверки и значительным объёмом полученных экспериментальных данных;
- воспроизводимостью опытных данных и согласованностью экспериментальных данных с результатами собственных расчётов и с результатами исследований других авторов.
Практическая ценность работы заключается в том, что проведённые автором исследования, предложенные мероприятия и методики диагностики дефектов валопроводов могут быть использованы и уже используются в настоящее время при решении научно-технических проблем повышения надёжности турбомашин.
Личный вклад автора заключается в анализе опубликованных данных по диагностике дефектов валопроводов турбомашин, причин их возникновения и методов устранения; в постановке и проведении расчётных и экспериментальных исследований, направленных на выполнение поставленных задач; в обработке и анализе полученных результатов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты расчётного исследования, свидетельствующие о возможности возникновения усталостных кольцевых трещин в роторах паровых турбин вследствие крутильных колебаний валопровода, возникающих при работе ЧНД на малорасходных режимах;
2. Полученные в ходе моделирования поведения вала с некольцевыми поперечными трещинами вибрационные признаки этого дефекта. Экспериментально подтвержденный вывод о принципиальной возможности диагностики поперечных трещин на низкочастотных балансировочных станках.
3. Результаты расчётного исследования несущей способности болтов муфтового соединения трёхопорных роторов, в частности муфты РВД- РСД турбины К-300-240 ХТЗ.
4. Результаты анализа метода правки роторов способом релаксации напряжения.
5. Результаты расчётного исследования, свидетельствующие о невозможности возникновения остаточных прогибов высокотемпературных роторов вследствие ползучести под действием ЦБС от остаточной неуравновешенности.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Турбины и двигатели», XII и XV конф, молодых ученых ГОУ В ПО УГТУ- УПИ (Екатеринбург, 2007, 2008), на V и VI Междунар. научно-техн, совещании “Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций” (ОАО «ВТИ», 2007, 2009), на 12-й междунар. конф. “НЕЮ/1СОХ-2008” в Польше (Кле1се- Рггешуз!, 2008), на семинаре «Вибрационная надёжность турбоагрегатов и вспомогательного оборудования» (Екатеринбург, 2008), на XVI Уральской междунар. конф, молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2009), на 10-й междунар. конф, по проблемам вибрации 1СоУР-2011 (г. Прага).
Реализация. Результаты работы использовались в ходе восстановительных ремонтов роторов паровых турбин на ОАО «Теплоэнергосервис», а также при нормализации вибрационного состояния турбоагрегатов на ряде электростанций (Рефтинской ГРЭС, Кармановской ГРЭС, Сургутской ГРЭС-1 и др.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 статьи в реферируемых изданиях по списку ВАК, рекомендованных экспертным советом по энергетике.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка использованной литературы, включающего 174 наименование. Работа изложена на 182 страницах, содержит 114 рисунков, 16 таблиц и 2 приложения.
1. В ходе численного исследования крутильных колебаний валопровода турбины ПТ-135/165-130/15-3 УТЗ показано, что при возмущениях от неравномерности тормозящего момента, возникающего на малорасходных режимах работы последних ступеней, которые к тому же сочетаются с воздействием возмущений от неравномерности крутящего момента на генераторе, первопричиной образования трещин в низкотемпературных роторах теплофикационных турбин могут стать крутильные колебания. Определяющим фактором трещинообразования при этом является качество отстройки валопровода от крутильных резонансов.
2. Получены новые диагностические признаки наличия некольцевых поперечных трещин в роторах. Впервые показано, что диагностика трещин по горизонтально-поперечной составляющей вибрации может оказаться достовернее диагностики по вертикальной составляющей. Показано, что найденные признаки могут проявляться при работе агрегата как на ВПУ (только для вибрации вала), так на рабочей частоте вращения (вибрация вала и опор).
3. Экспериментально подтверждена возможность диагностики некольцевых поперечных трещин в роторах на НЧБС зарезонансного типа.
4. В ходе численного исследования подтверждено, что поперечные трещины приводят к заметному изменению собственных частот роторов только тогда, когда они практически достигают критических размеров, что не позволяет их диагностировать по этому признаку на раннем этапе развития в эксплуатации (в динамике).
5. Проведён комплексный анализ несущей способности болтов муфты трёхопорных роторов. Показано, что основными факторами, влияющими на надёжность рассматриваемого соединения, являются величина парового растягивающего усилия и уровень динамических напряжений, связанных с величиной изгибающего момента, действующего в сечении муфты. Предложен ряд мероприятий по повышению надёжности болтов муфты РВД-РСД турбины К-300-240 ХТЗ.
6. Впервые показано, что правку ротора методом релаксации напряжений следует считать законченной и успешной, если остаточный прогиб после проведения правки составляет около 5 % от исходного (перед правкой).
7. Прогрессирующий остаточный прогиб ротора от действия остаточной неуравновешенности противоречит поведению гибкого ротора, работающего за первой критической частотой вращения. Ползучесть роторов, обусловленная действием ЦБС от балансировочных грузов — это процесс самотормозящий.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
