Вібродіагностика пошкоджень конструктивних елементів парової турбіни при її експлуатації і ремонті
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Носаль О.Ю. Вібродіагностика пошкоджень конструктивних елементів парової турбіни при її експлуатації і ремонті. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 14 – Електрична інженерія за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2025. Дисертаційну роботу присвячено дослідженню впливу пошкоджень конструктивних елементів парової турбіни на параметри вібрації, що виникають під час її експлуатації та ремонті. Багато елементів енергетичного обладнання, зокрема лопатки і ротори турбін, в реальних умовах експлуатації зазнають спільної або роздільної дії механічного навантаження (статичного і динамічного), температури та агресивного середовища. Наслідком такого навантаження є поступове накопичення розсіяного втомного пошкодження, що призводить до виникнення втомних і термовтомних тріщин, корозійного розтріскування та інших видів пошкоджень. При досягненні тріщиною критичного розміру виникає небезпека руйнування того чи іншого елемента конструкції з катастрофічними наслідками для всієї турбіни. Тому розроблення методів, які дають змогу вчасно діагностувати таку тріщину, є актуальною практичною проблемою. Виявлення пошкоджень в конструктивних елементах парової турбіни є складним завданням, розв’язання якого супроводжується значними теоретичними і практичними труднощами. Використання локальних неруйнівних методів діагностики пошкоджень можливе лише під час проведення ремонтних робіт і потребує значних витрат часу. Вібраційні методи діагностики для виявлення пошкоджень в обертових валах парових турбін є практично єдиним способом запобігання технічній катастрофі. Вібраційна діагностика пошкодження, яка ґрунтується на тому, що динамічні характеристики непошкодженого тіла та тіла з порушеною суцільністю суттєво відрізняються, має перевагу над локальними методами діагностики, оскільки вона є інтегральною, тобто характеризує стан об’єкта в цілому і тому потребує значно менше часу для отримання результату діагностики габаритних конструкцій (ротори турбіни) або численних конструктивних елементів (лопатки турбіни). Різниця динамічних характеристик тіла, зумовлена зміною його жорсткості, може використовуватися для діагностування пошкодження (наприклад, тріщини втоми) та визначення його параметрів (розмірів та місцеположення). Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, у яких викладено основні наукові результати роботи, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. У вступі обґрунтовано сучасний стан проблеми, що розглядається в дисертаційній роботі, її актуальність та значущість, сформульовано мету та завдання, об’єкт, предмет і методи наукового дослідження. Перший розділ присвячено огляду стану проблеми та обґрунтуванню напряму досліджень дисертаційної роботи. Проведено аналіз літературних джерел і розкрито сучасний стан досліджень, що стосуються теми дисертаційної роботи. Зокрема, наведено сучасні та класичні підходи до вібраційних методів діагностики пошкоджень конструктивних елементів різного призначення, представлено результати аналітичних та експериментальних досліджень чутливості вібраційних характеристик пошкодження, наприклад, власних частот і форм коливань, антирезонансних частот, імпедансу, характеристики демпфування коливань, нелінійних ефектів тощо. За результатами проведеного літературного огляду зроблено висновок, що запропоновані варіанти моделей локального пошкодження мають низку істотних недоліків, що перешкоджають створенню надійних та ефективних методів вібродіагностики пошкодження. Обґрунтовано необхідність розроблення критеріїв оцінки ефективності практичного використання різних методів вібраційної діагностики пошкодження конструктивних елементів парових турбін при їх експлуатації та ремонті, яка буде ґрунтуватися на порівняльному аналізі чутливості методів вібродіагностики та оцінці впливу умов експлуатації обладнання на вибрані вібраційні характеристики. У другому розділі дисертаційної роботи запропоновано чисельноаналітичну розрахункову модель лопатки турбіни з тріщиною, яка дає змогу прогнозувати вплив параметрів крайової поверхневої тріщини та геометричних параметрів лопатки на її власні частоти коливань, характеристику демпфування і спектр коливань. Адекватність моделі підтверджено порівнянням з результатами експериментів. На основі аналітичних досліджень, виконаних із використанням запропонованої моделі, продемонстровано достатньо високий рівень чутливості розглянутих методів вібродіагностики для виявлення порівняно невеликих тріщин, розмір яких не становить загрози для цілісності лопатки. Виконано порівняльний аналіз чутливості вібраційних характеристик пошкодження лопаток турбін, що ґрунтуються на відносній зміні її власних частот коливань, характеристики демпфування та спектра коливань при основному резонансі. Показано вплив параметрів тріщини, а саме її розмірів і місцеположення вздовж лопатки, а також жорсткості лопатки, що змінювалась завдяки зміні її довжини, на досліджувані вібраційні характеристики. Продемонстровано методику вібраційної діагностики лопаток і перспективність досліджених вібраційних характеристик для проведення надійної та ефективної діагностики пошкоджень у лопатках турбін під час ремонтного періоду. У третьому розділі дисертаційної роботи запропоновано чисельноаналітичну розрахункову модель для визначення зміни власних частот поперечних коливань роторів парової турбіни. На основі аналітичних досліджень, виконаних із використанням запропонованої моделі представлено результати моделювання поперечних коливань роторів і валопроводу турбіни з крайовою поперечною тріщиною. Досліджено вплив параметрів тріщини (розмірів і місцеположення) на власні частоти коливань роторів високого, середнього та низького тиску, а також валопроводу турбіни. Встановлено особливості впливу крайової поперечної тріщини за різної її орієнтації відносно осі обертання на власні частоти коливань роторів турбіни. Визначено власні форми коливань, які виникають при проходженні валопроводу турбіни через критичні швидкості обертання, а також встановлено ті власні форми коливань, що є найбільш доцільними для проведення надійної та ефективної вібродіагностики. На основі цих досліджень розроблено методики вібраційної діагностики пошкоджень роторів турбіни на етапі їхнього ремонту та валопроводу турбіни під час експлуатації. У четвертому розділі дисертаційної роботи представлено методику оцінки ефективності запропонованих методів вібродіагностики пошкодження лопаток і роторів турбін, що ґрунтується на попередньо заданій величині зміни інформаційної характеристики пошкодження, яка повинна перевищувати похибку тесту та випадкові чинники методики експерименту. Виконано порівняльний аналіз чутливості досліджених методів вібродіагностики пошкоджень лопаток парової турбіни та визначено особливості й межі застосування зміни власних частот коливань, характеристики демпфування і спектрального аналізу резонансних коливань лопаток. Показано залежність ефективності вібродіагностики крайової тріщини у роторах турбіни від відносного місцеположення тріщини вздовж довжини ротора, жорсткості ротора, а також від загальної похибки методики випробувань. Продемонстровано ступінь впливу похибки на ефективність вібродіагностики пошкодження у роторах і валопроводі турбіни. Основні результати дослідження, що виносяться на захист, є новими. Вони апробовані завдяки участі здобувача в наукових конференціях різного рівня. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей у наукових фахових виданнях України та 6 тез доповідей у збірниках матеріалів міжнародних конференцій (1 - проіндексована в базах даних Scopus), які повною мірою відображають її зміст.
Опис
Ключові слова
вібродіагностика, парова турбіна, ротор, лопатки турбіни, чисельно-аналітична модель, власні частоти, демпфування, спектральний аналіз, втомне пошкодження, експериментальна верифікація, коефіцієнт ефективності напружень, пластична деформація, напружено-деформований стан, vibration diagnostics, steam turbine, rotor, turbine blades, numericalanalytical model, natural frequencies, damping, spectral analysis, fatigue damage, experimental verification, stress intensity factor, plastic strain, stress-strain state
Бібліографічний опис
Носаль, О. Ю. Вібродіагностика пошкоджень конструктивних елементів парової турбіни при її експлуатації і ремонті : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Носаль Олександр Юрійович. – Київ, 2025. – 238 с.