Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань
| dc.contributor.advisor | Черноусенко, Ольга Юріївна | |
| dc.contributor.author | Марисюк, Богдан Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-07T14:08:47Z | |
| dc.date.available | 2024-06-07T14:08:47Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Marisyuk B.O.. Resource characteristics of steam turbines from the action of torsional vibrations. – Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 144 – Thermal Power Engineering. – National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute named after Igor Sikorsky" Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2024. The dissertation is dedicated to the investigation of the influence of torsional vibrations of the shaft arising from abnormal operation modes of the turbogenerator on the resource characteristics of steam turbines. In the introduction, the researcher justifies the state of the research problem under consideration, its relevance, and significance. The purpose and objectives of the scientific investigation are formulated. The scientific novelty and practical significance of the obtained results are indicated. Information regarding the publications and validation of research results is provided, along with the researcher's personal contribution. The structure and scope of the dissertation work are outlined. The first chapter of the dissertation work is dedicated to analyzing literary sources and revealing the current state of research related to the topic of the dissertation. The main factors influencing the fatigue damage of the metal in turbo unit shaft under various operating conditions are analyzed. During the operation of power equipment, stresses occur in its material that constantly change over time both in intensity and direction. With repeated application of these variable stresses, damage can accumulate in the equipment's material. As a result, fatigue cracks initiate and propagate, ultimately leading to the failure of the part. The main reasons for the occurrence of torsional vibrations in turbo unit shaft are identified. These include all transient operating modes of the turboset, short circuits in power lines, generator synchronization with insufficient (rough) synchronization, rubbing of rotating parts against stator, and all possible electromagnetic influences from the power system on the turbo-generator, leading to changes in the reactive torque on its rotor. The necessity for the development and implementation of continuous monitoring tools for metal damage in the rotors of steam turbine units is justified to accurately assess the remaining resource and the possibility of extending the service life. The analysis of literary sources indicates a lack of sufficient data regarding the determination of resource characteristics related to fatigue damage in steam turbines due to torsional vibrations. In the second chapter of the dissertation, an analysis is carried out on the metal damage of the turbine unit rotors resulting from the torsional vibrations of the shaft, which occur during the abnormal mode of operation of the electric generator. During normal operation of the turbo unit, the total torque acting on its shaft is determined by the sum of the moments created by the flow of steam in each working cylinder. The torque is summed up and reaches its maximum value in the section of the shaft between the steam turbine and the generator: (1) – torques occurring on the rotor of each working cylinder. Thus, the static torque causes the maximum values of the tangential stresses in the area of the coupling between the steam turbine and the turbogenerator. Accordingly, the magnitude of the tangential stresses decreases along the length of the shaft in the direction from the electric generator to the shaft turning device (the first support bearing). Transient processes often occur on the generator during its operation. They appear as a result of a sudden change in load, short circuits in electrical networks, closing and opening of electrical circuits of windings, as well as asynchronous connections to the network. This leads to the occurrence of torsional vibrations of the turbine shaft, which under certain conditions can cause its fatigue damage. Cyclic damage to the material occurs when its endurance limit is exceeded. This is the maximum stress that it can withstand with an unlimited number of load cycles, and at the same time, its structure is not damaged by the mechanism of multicycle fatigue. The total damage accumulated in the main metal of the turbo installation shaft is defined as the sum of static, cyclic damage and damage due to torsional vibrations: (2) – static damage of metal; – cyclic damage of metal; – metal damage due to torsional vibrations of the shafting accumulated in the rotor metal at the time of assessing the remaining service life; – duration of operation on j-th steady mode at the temperature of the metal and equivalent local creep stresses ; – time to the onset of the limit state of the metal under the action of equivalent stresses at temperatures according to the diagram of long-term strength of the material; – the number of different types of stable modes at the time of evaluation with temperature and constant equivalent local creep stresses ; – the number of l-type cycles; – the number of cycles before the appearance of fatigue cracks due to the action of l-type cyclic loads; max max max – the number of different types of cycles at the time of evaluation with different magnitudes of the given stresses or amplitude of deformations ; – number of load cycles with stress amplitude τаі (τаі – amplitude of the ith cycle of the decaying process); – number of cycles to failure under cyclic loading with stress amplitude ()max from torsional vibrations; – number of load levels (load blocks). The third chapter of the dissertation is devoted to the study of the stressstrain state of the K-200-130 steam turbine shaft during short-circuiting on the turbogenerator. In order to rationalize calculation resources in computer modeling, for the first time, the option of replacing working blades and band fasteners with disks of equivalent length and mass was proposed (the first point of scientific novelty). Torsional vibrations of the turbine shaft resulting from a three-phase short circuit were simulated by applying an additional reactive torque of biharmonic form to the generator rotor.. The magnitude and duration of its action are random variables. The tangential stresses were calculated with a surge duration of 0,02 s. The second point of scientific novelty is formulated. Reactive torque on the rotor of the turbogenerator caused the appearance of torsional vibrations along the entire length of the shaft. But the intensity of the maximum tangential stresses did not exceed the fatigue limit of rotor steel 25X1M1FA, thus not leading to metal damage. In the fourth chapter, the stress-strain state of the shaft of the K-1000-60/3000 turbo unit is investigated under abnormal operating conditions of the electric generator. Based on the obtained stress-strain state of the shaft, the impact of torsional vibrations of the turbo unit shaft on its resource characteristics has been assessed. Reactive torques occur on the rotor of the turbogenerator during its abnormal operating modes. Finite element analysis modeling showed that as a result of these surges, torsional vibrations occur along the entire length of the shaft. After the termination of the reactive moment, the free vibrations gradually disappear. First of all, this is ensured thanks to the damping properties of the system. A high level of damping leads to a faster decay of free vibrations. The third point of scientific novelty has been formulated: the stress-strain state calculation model and residual resource estimation for the turbine shaft of the K-1000-60/3000 turbo installation have been enhanced to investigate the impact of torsional vibrations. Calculations of cyclic damage during short-circuiting and asynchronous start-up of the turbogenerator showed that the greatest level of damage during torsional vibrations occurs in the section of the shaft between the steam turbine and the electric generator. Moving away from the excitation source, tangential stresses decrease and, accordingly, the level of metal damage decreases. Any change in the torque between the turbogenerator and the steam turbine causes torsional vibrations of the entire shaft line. However, it is not always the case that tangential stresses arise, leading to fatigue damage of the metal. The intensity of the torsional vibrations of the shafts of the turbine units was not sufficient for the instantaneous brittle destruction of the shafts. However, multiple repetitions of abnormal modes of operation of the turbogenerator lead to a significant level of metal damage. The fourth point of scientific novelty was formulated: for the first time, a comparative assessment of shaft metal damage due to torsional vibrations occurring when the turbogenerator is connected to the power system with rough synchronization was carried out for a project shaft and a shaft after restoration (without one operating stage). In the fifth chapter of the dissertation, the results of the investigation into the thermal and stress-strain state of the high-pressure cylinder rotor after damage are presented for both nominal and startup modes of power unit operation. This research was performed at the Department of Thermal and Alternative Energy by the applicant in co-authorship. Under nominal operating conditions of the turbo unit, the highest metal temperature is observed on the first-stage disk, reaching 264,5 C. The metal temperature at the end seals ranges from 151,1 to 115,3 C. The greatest temperature gradient (gradT = 952 K/m) during startup of the turbine from cold conditions is observed in the region of the fourth-stage diaphragm seal, at the moment of turbine-generator synchronization with the power system (4400 seconds). The maximum temperature gradient during startup from a hot metal state is gradT = 958 K/m. It is also concentrated in the area of the fourth-stage diaphragm seal, but at a time moment of 3300 seconds, corresponding to operation at an electrical power of 400 MW. The most stressed areas of the rotor have been determined. These are found to be the regions around the relief holes of the 3rd and 4th stages, as well as the axial channel beneath these stages. During startup from a cold metal state, the maximum tensile stress in the turbine rotor is = 296,4 MPa, and the maximum compressive stress is = -190,2 MPa. During startup from a hot metal state, the maximum tensile stress is = 298,9 MPa, and the maximum compressive stress is = -205,9 MPa. Based on the results of the calculation of the stress-strain state at the nominal and start-up modes of operation, the static and cyclic damage of the rotor was determined, which are 51,66% and 5,38%, respectively. The total damage to the shaft metal as a result of 156 asynchronous connections of the turbogenerator to the network is 10,06%, which is comparable to the cyclic damage to the metal of the rotor of the high-pressure cylinder that occurred during the entire operation of the power unit. | |
| dc.format.extent | 152 с. | |
| dc.identifier.citation | Марисюк, Б. О. Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Марисюк Богдан Олександрович. – Київ, 2024. – 152 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67072 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | теплоенергетика | |
| dc.subject | ядерні енергоустановки | |
| dc.subject | теплова електростанція | |
| dc.subject | атомна електростанція | |
| dc.subject | енергоблок | |
| dc.subject | турбіна | |
| dc.subject | парова турбіна | |
| dc.subject | валопровід | |
| dc.subject | ротор | |
| dc.subject | крутильні коливання | |
| dc.subject | режимні параметри | |
| dc.subject | режими експлуатації | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | чисельне дослідження | |
| dc.subject | оптимізація | |
| dc.subject | теплообмін | |
| dc.subject | тепловий стан | |
| dc.subject | напруженодеформований стан | |
| dc.subject | міцність | |
| dc.subject | надійність | |
| dc.subject | пошкодження | |
| dc.subject | індивідуальний ресурс | |
| dc.subject | залишковий ресурс | |
| dc.subject | thermal power engineering | |
| dc.subject | nuclear power plants | |
| dc.subject | thermal power plant | |
| dc.subject | power unit | |
| dc.subject | turbine | |
| dc.subject | steam turbine | |
| dc.subject | shaft | |
| dc.subject | rotor | |
| dc.subject | torsional vibrations | |
| dc.subject | mode parameters | |
| dc.subject | operating modes | |
| dc.subject | simulation | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | numerical study | |
| dc.subject | optimization | |
| dc.subject | heat exchange | |
| dc.subject | thermal state | |
| dc.subject | stress-strain state | |
| dc.subject | strength | |
| dc.subject | reliability | |
| dc.subject | damage | |
| dc.subject | individual resource | |
| dc.subject | residual life | |
| dc.subject.udc | 621.165.62-192 | |
| dc.title | Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: