Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Марисюк 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.
Опис
Ключові слова
теплоенергетика, ядерні енергоустановки, теплова електростанція, атомна електростанція, енергоблок, турбіна, парова турбіна, валопровід, ротор, крутильні коливання, режимні параметри, режими експлуатації, моделювання, математичне моделювання, чисельне дослідження, оптимізація, теплообмін, тепловий стан, напруженодеформований стан, міцність, надійність, пошкодження, індивідуальний ресурс, залишковий ресурс, thermal power engineering, nuclear power plants, thermal power plant, power unit, turbine, steam turbine, shaft, rotor, torsional vibrations, mode parameters, operating modes, simulation, mathematical modeling, numerical study, optimization, heat exchange, thermal state, stress-strain state, strength, reliability, damage, individual resource, residual life
Бібліографічний опис
Марисюк, Б. О. Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Марисюк Богдан Олександрович. – Київ, 2024. – 152 с.