Дисертації (ТАЕ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Перегляд Дисертації (ТАЕ) за Автор "Черноусенко, Ольга Юріївна"
Зараз показуємо 1 - 2 з 2
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Мороз, Олег Сергійович; Черноусенко, Ольга ЮріївнаМороз О.С. Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присв′ячена дослідженню впливу змінного в просторі і часі високотемпературного поля продуктів згоряння в топковому просторі на характеристики міцності, напружено-деформований стану, мало цикловій втомленості, пошкодження енергетичного обладнання, а також підвищенню ефективності та надійності елементів, які мають високу температуру, шляхом використання нових схем і конструкцій пальникових пристроїв, які також дозволяють використовувати альтернативні види газових палив. В роботі показана актуальність теми, яка пов′язана з тим, що значна кількість енергетичних та промислових об′єктів – котлів, печей, підігрівачів, сушил, газотурбінних установок тощо, які використовуються в енергетиці та промисловості України, характеризується значною моральною та фізичною зношеністю, вимагає ремонту і покращення ефективності роботи. . В економічних умовах нашої країні модернізація установок є найбільш реальним шляхом підвищення їх ефективності при мінімальних затратах. За розрахунками, сума вкладень, що дають можливість продовження експлуатації, в 3–5 разів менше, чим введення в дію нових потужностей. Певним умовам експлуатації обладнання повинна відповідати найбільш ефективна схема організації паливного процесу в топці. Виконано огляд роботоспроможності металів при високих температурах, надійність роботи, проаналізовано характеристики міцності металу при високих температурах і робота в нестаціонарних температурних умовах, в тому числі в умовах температурної нерівномірності. Розглянуті основні джерела температурної нерівномірності в енергетичному обладнанні. З проведеного огляду матеріалів щодо умов роботи високотемпературних елементів енергетичного та промислового устаткування зроблені висновки і розроблені завдання по проведенню відповідних досліджень з метою аналізу стану обладнання та заходів щодо підвищення його надійності та ефективності. На даний час існуючі методи, які пов'язані з визначенням термічних напружень в високотемпературних елементах енергетичного обладнання, вимагають проведення тривалих випробувань. З урахуванням досягнень сучасних комп'ютерних технологій з'явилась можливість виконання відповідних досліджень за значно коротший термін, з меншими затратами і з використанням мінімальної кількості дослідних даних. Враховуючи визначальну роль пальникових пристроїв на характеристики поля температур газів в топковому просторі одним з напрямків пріоритетних завдань роботи визначено розробку пальникових пристроїв, які дозволяють впливати на формування температури газів з метою зменшення нерівномірності поля температур і, таким чином, зниження термічної напруженості високотемпературних елементів. Перспективним напрямком є використання пальникових пристроїв стабілізаторного типу. Експериментальні дослідження виконувались з використанням обладнання кафедри ТАЕ і відповідної вимірювальної апаратури. Розглянуто фактори, які впливають на термонапружений стан високотемпературного обладнання і запропонована методика розрахунку залишкового ресурсу високотемпературних елементів. Для дослідження теплового стану трубопроводів котла виконувалась побудова 3D просторового аналога топкового простору котлоагрегату. Виконане моделювання і аналіз допомогли запобігти дорогим і тривалим експериментам. Були послідовно виконані гідрогазодинамічний розрахунок і вибрана модель турбулентності. Розрахунки виконувались з використанням програмного комплексу ANSYS Fluent. Перед початком розрахунків в ANSYS Fluent була визначена прийнята модель турбулентності. Для цього перед проведенням гідродинамічних розрахунків були проаналізовані декілька моделей турбулентних течій. В даній роботі була використана модель k-ε Realizable. Безпосередньою перевагою реалізованої моделі k-ε є те, що вона забезпечує покращені прогнози щодо швидкості поширення як плоских, так і круглих струменів. При теплових розрахунках були визначені гранічні умови. Була проаналізована газодинамічна та теплова структура потоку в стабілізаторних пальникових пристроях і виконані розрахункові дослідження теплового стану патрубку. На наступному етапі були проведені розрахункові дослідження напружено-деформованого стану трубопроводу. Оцінка малоциклової втомленості та статичної пошкоджуваності виконувались з урахуванням нестаціонарного напружено-деформованого стану. Отримані температури використовувались для розрахунку кількості циклів до руйнування. На основі максимального напруження за встановлений період часу у відповідних точках розраховується температура металу. Користуючись розробленою методикою, на підставі замірених або розрахованих температур, можна орієнтовно розрахувати термонапружений стан енергетичного обладнання і термін експлуатації до руйнування. Створена комп’ютерна модель дозволила гнучко змінювати і отримати відповідне поле температур перед патрубком. Результати проведених досліджень можуть бути використані при реалізації розроблених рекомендацій у великій і малій українській енергетичній, промисловій і газотранспортній системі, а також в інших галузях науки і техніки. Розглянуті особливості роботи і зміни параметрів газового потоку при мікродифузійному спалюванні газу в системі стабілізаторів. При аналізі зміни параметрів робочого процесу – швидкості потоку, концентрації, повноти згоряння, температури газів були проведені випробування систем стабілізаторів, Розглянуто питання формування поля швидкості ізотермічного потоку в системі стабілізаторів, а також Зміна швидкості потоку, коефіцієнту надлишку повітря і повноти згоряння в системі стабілізаторів при горінні. На наступному етапі увага приділялась визначенню закономірності формування поля температур продуктів згоряння в стабілізаторному пальниковому пристрої в поперечному перерізі стабілізаторного пальника і вздовж стабілізатора, а також комбінований вплив на зміну поля температур газів в топці. Показано,що довжина вогневого простору, на якій відбувається вирівнювання поля швидкостей, поля температур і компонентів реакції горіння у поперечному перерізі залежить від коефіцієнту затінення і коефіцієнту надлишку повітря. В мікрофакельних стабілізаторних пальниках є можливість впливати на профіль температури газів в повздовжньому і поперечному перерізах конструктивними засобами – зміною кроку стабілізаторів та їх ширини, зміною (або прикриттям) подачі газу на окремі стабілізатори, відносним зміщенням стабілізаторів вздовж і поперек потоку. Встановлено, що характер формування температури газу і інтенсивність горіння палива залежить від відносного кроку газових отворів вздовж висоти стабілізатора. При tг/dг < 7,0 зменшується інтенсивність процесів масообміну в струменях і відбувається зниження інтенсивності процесу вигоряння палива з можливим недопалом в кінці топкового простору. З метою розширення використання альтернативних газів в енергетиці і промисловості були розроблені і дослідженні мікрофакельні стабілізаторні пальники для спалювання забаластованих газових палив. Альтернативні види палив, як правило, складаються з суміші високореакційного газу типу метану, і баластових домішок - повітря, двоокису вуглецю, азоту, біодобавок тощо, які, як правило, погіршують характеристики горіння паливного газу, причому відбувається це тим в більшій мірі, чим вище вміст баластової домішки в паливі. Це породжує певні труднощі практичного використання забаластованих газів як палива, до яких додаються ще дві обставини: гази різних видів і різних родовищ мають різний вміст баласту; у багатьох випадках склад газів може змінюватися в часі; газобаластова суміш може виходити за концентраційні межі горіння. Це робить неможливим спалювання газобаластових сумішей за традиційними технологіями і пальниковими пристроями. Показано, що перспективним методом вирішення проблеми спалювання низькокалорійних альтернативних палив, склад яких виходить за концентраційні межі горіння, є застосування комбінованої подачі палив, при якому низькокалорійне паливо підпалюється високотемпературними стабілізуючими факелами. Розроблено метод і конструкції стабілізаторних пальникових пристроїв, які забезпечують підвищення сталості горіння забаластованого палива при концентрації домішок від 0 % до 100 % (відсутність палива - подача баласту). Для цього прийнята комбінована технологія подачі палив, при якій струмені низькореакційного палива проходять через високо температурні факели і відбувається сталий процес горіння обох палив незалежно від концентрації домішки з забаластованому паливі. Потужність пальника підтримується за рахунок збільшення витрати палива, яке подається на стабілізуючий факел. Сталість і довжина загального факелу визначається характеристиками запалюючого факелу Розроблено три варіанти модулей стабілізаторних пальників з різними схемами подачі альтернативного і стабілізуючого палив. Розроблено і досліджено двонішевий пальниковий пристрій, в якому, практично без зміни конструкції є можливість регулювати характеристики сталості і довжини факелу в залежності від умов роботи енергетичного об′єкту. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що . - вперше за допомогою комплексу ANSYS Fluent розроблена програма визначення термічного і термо-напруженого стану високотемпературних елементів енергетичного обладнання; - розроблена програма розрахункової оцінки терміну експлуатації високотемпературних елементів в стаціонарних і змінних режимах; - доповнені експериментальні дані і уточнені залежності щодо вирівнювання характеристик газового потоку в топковому просторі при використанні стабілізаторних пальників; - показана можливість регулювання поля температур газів в топковому просторі зміною конструктивних параметрів стабілізаторних пальників; - вперше запропонована технологія спалювання забаластованих низько реакційних газових палив в стабілізаторних пальниках; - вперше розроблено і досліджено моделі стабілізаторних пальників для спалювання альтернативних низько реакційних газових палив; - отримані експериментальні дані та одержані узагальнюючі залежності стосовно характеристик робочого процесу горіння газів різного складу, який може суттєво змінюватись під час роботи.Документ Відкритий доступ Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Марисюк, Богдан Олександрович; Черноусенко, Ольга ЮріївнаМарисюк Б.О.. Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024. Дисертаційну роботу присвячено дослідженню впливу крутильних коливань валопроводу, що виникають внаслідок нештатних режимів роботи турбогенератора, на ресурсні характеристики парових турбін. У вступі здобувачем обґрунтовано стан задачі дослідження, що розглядається в роботі, її актуальність та значимість. Сформульовано мету та завдання наукового дослідження. Вказано наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів. Надано відомості щодо публікацій та апробації результатів досліджень, вказано особистий внесок здобувача. Зазначено структуру та обсяг дисертаційної роботи. Перший розділі дисертаційної роботи присвячено аналізу літературних джерел та розкритю сучасного стану досліджень, що стосуються теми дисертаційної роботи. Проаналізовано основні фактори, що впливають на втомну пошкоджуваність металу валопроводів турбоагрегатів при їх різних режимах роботи. При експлуатації енергетичного обладнання, в його матеріалі виникають напруження, які постійно змінюються в часі як за інтенсивністю так і за напрямком. При багатократному повторенні цих змінних напружень в матеріалі обладнання може накопичуються пошкодження. Внаслідок цього відбувається зародження та розвиткок тріщин втоми, які в кінцевому результаті призводять до руйнування деталі. Виділено основні причини появи крутильних коливань валопроводів турбоагрегатів. До них відносяться всі перехідні режими роботи турбоустановки, короткі замикання в лініях електромереж, включення електрогенератора в мережу з недостатньою (грубою) синхронізацією, задівання обертовими частинами статору, всі можливі впливи електромагнітного характеру з боку енергосистеми на турбогенератор, що призводять до зміни реактивного крутного моменту на роторі останнього. Обґрунтовано необхідність розробки та впровадження засобів безперервного моніторингу пошкоджуваності металу роторів парових турбоагрегатів, для точної оцінки залишкового ресурсу та можливості подовження термінів експлуатації. Проведений аналіз літературних джерел свідчить про недостатність даних, щодо визначення ресурсних характеристик втомної пошкоджуваності парових турбін внаслідок крутильних коливань У другому розділі дисертації проведено аналіз пошкоджуваності металу роторів турбоагрегату внаслідок дії крутильних коливань валопроводу, що виникають при нештатному режимі роботи електрогенератора. При штатному режимі роботи турбоагрегату загальний крутний момент, що діє на його валопроводі визначається сумою моментів, що створюються потоком пару в кожному робочому циліндрі. Крутний момент підсумовується та досягає максимального значення на ділянці валопроводу між паровою турбіною та генератором: (1) де – крутні моменти, що виникають на роторі кожного робочого циліндра. Таким чином, статичний крутний момент спричиняє максимальні значення дотичних напружень в області з’єднувальної муфти між паровою турбіною та турбогенератором. Відповідно величина дотичних напружень зменшується по довжині валопроводу в напрямку від електрогенератора до валоповоротного пристрою (першого опорного підшипника). При роботі електрогенератора на ньому часто виникають перехідні процеси. Вони з’являються внаслідок різкої зміни навантаження, коротких замикань в електромережах, замикання та розмикання електричних кіл обмоток, а також асинхронних підключень до мережі. Це призводить до виникнення крутильних коливань валопроводу турбіни, які за певних умов можуть спричинити його втомну пошкоджуваність. Циклічне пошкодження матеріалу виникає при перевищенні його границі витривалості. Це максимальне напруження, яке він здатен витримати при необмеженій кількості циклів навантаження, і при цьому в його структурі не відбувається пошкоджень за механізмом багатоциклової втоми. Сумарна пошкоджуваність, накопичена в основному металі валопроводу турбоустановки, визначається як сума статичної, циклічної пошкоджуваності та пошкоджуваності внаслідок крутильних коливань: (2) де – статична пошкоджуваність металу; – циклічна пошкоджуваність металу; – пошкоджуваність металу через дію крутильних коливань валопроводу, накопичена в металі ротору на момент оцінки залишкового терміну експлуатації; – тривалість роботи на j-му сталому режимі при температурі металу та еквівалентних місцевих напружень повзучості max; – час до настання граничного стану металу під дією еквівалентних напружень при температурах згідно із діаграмою тривалої міцності матеріалу; – число різних типів сталих режимів на момент оцінки з температурою й сталими еквівалентними місцевими напруженнями повзучості ; – кількість циклів l-го типу; – кількість циклів до появи утомних тріщин внаслідок дії тільки циклічних навантажень l-го типу; – кількість різних типів циклів на момент оцінки з різними розмахами наведених напружень або амплітуд деформацій ; – кількість циклів навантаження з амплітудою напружень ( – амплітуда і-го циклу затухаючого процесу); – кількість циклів до руйнування при дії циклічного навантаження з амплітудою напружень (τаі)max від крутильних коливань; – кількість рівнів (блоків) навантаження. Третій розділ дисертаційної роботи присвячено дослідженню напружено-деформованого стану валопроводу парової турбіни К-200-130 при короткому замиканні на турбогенераторі. З метою раціоналізації розрахункових ресурсів при комп’ютерному моделюванні вперше запропоновано варіант заміни робочих лопаток та бандажних кріплень на диски еквівалентної довжини та маси (перший пункт наукової новизни). Крутильні коливання валопроводу турбіни, що виникають внаслідок трьохфазного короткого замикання, моделювалися шляхом прикладанням додаткового реактивного крутного моменту бігармонійної форми на бочку ротора електрогенератора. Величина та тривалість його дії є випадковими max max величинами. Було проведено розрахунок дотичних напружень при тривалості сплеску 0,02 с. Сформульовано другий пункт наукової новизни. Реактивний сплеск на роторі турбогенератора спричинив появу крутильних коливань по всій довжині валопроводу. Але інтенсивність максимальних дотичних напружень не перевищила границю втоми роторної сталі 25Х1М1ФА, тим самим не призвівши до пошкодження металу. В четвертому розділі досліджено напружено-деформований стан валопроводу турбоагрегату К-1000-60/3000 при нештатних режимах роботи електрогенератора. На основі отриманого напружено-деформованого стану валопроводу оцінено вплив крутильних коливань валопроводу турбоагрегату на його ресурсні характеристики. При нештатних режимах роботи турбогенератора на його роторі виникають реактивні крутні моменти. Моделювання методом кінцевоелементного аналізу показало, що внаслідок даних сплесків, по всій довжині валопроводу виникають крутильні коливання. Після припинення дії реактивного моменту, вільні коливання поступово згасають. В першу чергу це забезпечується завдяки демпфуючим властивостям системи. Високий рівень демпфування призводить до швидшого згасання вільних коливань. Сформульовано третій пункт наукової новизни – удосконалено розрахункову модель напружено-деформованого стану та оцінки залишкового ресурсу валопроводу турбоустановки К-1000-60/3000 для дослідження впливу крутильних коливань. Розрахунки циклічного пошкодження при короткому замиканні та асинхронному включенні турбогенератора показали, що найбільший рівень пошкодження при крутильних коливаннях виникає на ділянці валопроводу між паровою турбіною та електрогенератором. Віддаляючись від джерела збудження зменшуються дотичні напруження і відповідно зменшується рівень пошкодження металу. Будь яка зміна крутного моменту між турбогенератором та паровою турбіною викликає появу крутильних коливань всього валопроводу. Але при цьому не завжди виникають дотичні напруження, що призводять до втомного пошкодження металу. Інтенсивність крутильних коливаннь валопроводів турбоагрегатів не виявилась достатньою для миттєвого крихкого руйнування валопроводу. Проте багатократне повторення нештатних режимів роботи турбогенератора призводить до суттєвого рівня пошкодження металу. Сформульовано четвертий пункт наукової новизни – вперше проведено порівняльну оцінку пошкодження металу валопроводу внаслідок крутильних коливань, що виникають при підключенні турбогенератора до енергосистеми з грубою синхронізацією, для проєктного валопроводу та валопроводу після відновлення (без одного робочого ступеня). В п’ятому розділі дисертації наведено результати дослідження теплового та напружено-деформованого стану ротора циліндру високого тиску після пошкодження, для номінального та пускових режимів роботи енергоблоку, які були виконані на кафедрі теплової та альтернативної енергетики за участі здобувача. На номінальному режимі роботи турбоагрегату найбільша температура металу спостерігається на диску першого ступеня та становить 264,5 С. Температура металу на ділянках кінцевих ущільнень становить від 151,1 до 115,3 С. Найбільший градієнт температур (gradT = 952 K/м) при пуску турбіни з холодного стану спостерігається в області діафрагмового ущільнення 4-го ступеня, в момент синхронізації турбогенератора з енергосистемою (4400 с). Максимальний градієнт температур при пуску з гарячого стану металу становить gradT = 958 K/м. Він також зосереджений в області діафрагмового ущільнення 4-го ступеня тиску, але в момент часу 3300 с, що відповідає роботі на електричній потужності 400 МВт. Визначено найбільш напружені ділянки ротора. Ними виявилися області розвантажувальних отворів 3-го та 4-го робочого ступеня, а також осьовий канал під цими ж ступенями. При пуску з холодного стану металу найбільше розтягуюче напруження в роторі ЦВТ становить = 296,4 МПа, а найбільше стискаюче – = -190,2 МПа. При пуску з гарячого стану металу найбільше розтягуюче – = 298,9 МПа, а найбільше стискаюче – = -205,9 МПа. На основі результатів розрахунку напружено-деформованого стану при номінальному та пускових режимах експлуатації визначено статичну та циклічну пошкоджуваність ротора, які відповідно становлять 51,66 % та 5,38 %. Сумарне пошкодження металу валопроводу внаслідок 156-ти асинхронних підключень турбогенератора до мережі становить 10,06 %, що є співставною величиною з циклічними пошкодженнями металу ротора циліндру високого тиску, що відбулися за весь час експлуатації енергоблоку.