Вібродіагностика пошкоджень конструктивних елементів парової турбіни при її експлуатації і ремонті
| dc.contributor.advisor | Бовсуновський, Анатолій Петрович | |
| dc.contributor.author | Носаль, Олександр Юрійович | |
| dc.date.accessioned | 2025-07-11T13:13:44Z | |
| dc.date.available | 2025-07-11T13:13:44Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Nosal O.Yu. Vibration diagnosis of damage to structural elements of a steam turbine during its operation and repair. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the scientific degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 14 – Electrical engineering, program subject area 144 – Heat power engineering – National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» of the the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to the study of the influence of damage to the structural elements of a steam turbine on the vibration parameters that arise during its operation and repair. Many elements of power equipment, in particular turbine blades and rotors, in real operating conditions are subjected to joint or separate actions of mechanical load (static and dynamic), temperature, and aggressive environment. The consequence of such loading is the gradual accumulation of scattered fatigue damage, which leads to the appearance of fatigue and thermal fatigue cracks, corrosion cracking and other types of damage. When a crack reaches a critical size, there is a danger of destruction of a particular structural element with catastrophic consequences for the entire turbine. Therefore, the development of methods that allow timely diagnosis of such a crack is an urgent practical problem. Detection of damage in the structural elements of a steam turbine is a complex task, the solution of which is accompanied by significant theoretical and practical difficulties. The use of local non-destructive methods of damage diagnosis is possible only during repair work and requires significant time. Vibration diagnostic methods for detecting damage in rotating shafts of steam turbines are practically the only way to prevent a technical catastrophe. Vibration diagnostics of damage, which is based on the fact that the dynamic characteristics of an undamaged body and a body with broken continuity differ significantly, has an advantage over local diagnostic methods, since it is integral, i.e. it characterizes the state of the object as a whole and therefore requires significally less time to obtain the result of the diagnosis of dimensional structures (turbine rotors) or numerous structural elements (turbine blades). The difference in the dynamic characteristics of the body, due to a change in its stiffness, can be used to diagnose damage (for example, fatigue cracks) and determine its parameters (size and location). The dissertation consists of an introduction, four sections, which outline the main scientific results of the work, general conclusions, a list of sources used, and appendices. In the introduction substantiates the current state of the problem considered in the dissertation, its relevance and significance, formulates the goal and objectives, object, subject and methods of scientific research. The first section is devoted to an overview of the problem and justification of the direction of research in the dissertation. An analysis of literary sources is carried out and the current state of research related to the topic of the dissertation is revealed. In particular, modern and classical approaches to vibration methods for diagnosing damage to structural elements of various purposes are given, the results of analytical and experimental studies of the sensitivity of vibration characteristics of damage, for example, natural frequencies and forms of oscillations, antiresonant frequencies, impedance, damping characteristics, nonlinear effects, etc. are presented. According to the results of the literature review, it is concluded that the proposed variants of local damage models have a number of significant shortcomings that prevent the creation of reliable and effective methods for vibration diagnostics of damage. The need to develop criteria for assessing the effectiveness of the practical use of various methods of vibration diagnostics of damage to structural elements of steam turbines during their operation and repair is substantiated, which will be based on a comparative analysis of the sensitivity of vibration diagnostics methods and an assessment of the influence of equipment operating conditions on selected vibration characteristics. In the second section of the dissertation, a numerical-analytical model of a turbine blade with a crack is proposed, which allows predicting the influence of the parameters of the edge surface crack and the geometric parameters of the blade on its natural frequencies of oscillations, damping characteristics and oscillation spectrum. The adequacy of the model is confirmed by comparison with the results of experiments. Based on analytical studies performed using the proposed model, a sufficiently high level of sensitivity of the considered vibration diagnostics methods for detecting relatively small cracks, the size of which does not pose a threat to the integrity of the blade has been demonstrated. A comparative analysis of the sensitivity of the vibration characteristics of damage to turbine blades, based on the relative change in its natural frequencies of oscillations, damping characteristics and oscilation spectrum at the main resonance, has been performed. The influence of the crack parameters, namely its size and location along the blade, as well as the stiffness of the blade, which changed due to the change in its length, on the studied vibration characteristics has been shown. The method of vibration diagnostics of blades and the prospects of the studied vibration characteristics for reliable and effective diagnostics of damage in turbine blades during the repair period have been demonstrated. In the third section of the dissertation, a numerical-analytical calculation model is proposed to determine the change in the natural frequencies of transverse vibration of steam turbine rotors. Based on analytical studies performed using the proposed model, the results of modeling the transverse vibration of rotors and turbine shafting with an edge transverse crack are presented. The influence of crack parameters (size and location) on the natural frequencies of oscillations of high, medium and low pressure rotors, as well as the turbine shafting, is studied. The peculiarities of the influence of an edge transverse crack with its different orientation relative to the axis of rotation on the natural frequencies of oscillations of turbine rotors are established. The natural forms of vibrations that arise when the turbine shafting passes through critical speeds of rotation are determined, and those natural forms of vibrations that are most appropriate for conducting reliable and effective vibration diagnostics are also established. Based on these studies, methods for vibration diagnostics of damage to turbine rotors at the stage of their repair and to the turbine shafting during operation have been developed. The fourth section of the dissertation presents a methodology for assessing the effectiveness of the proposed methods of vibration diagnostics of damage to turbine blades and rotors, based on a predetermined value of the change in the information characteristic of the damage, which must exceed the test error and random factors of the experimental method. A comparative analysis of the sensitivity of the studied methods of vibration diagnostics of damage to steam turbine blades is performed and the features and limits of application of the change in the natural frequencies of oscillations, the damping characteristics and spectral analysis of resonant vibrations of the blades are determined. The dependence of the efficiency of vibration diagnostics of an edge crack in turbine rotors on the relative location of the crack along the length of the rotor, the stiffness of the rotor, as well as the total error of the test method is shown. The degree of influence of the error on the efficiency of vibration diagnostics of damage in turbine rotors and shafting is demonstrated. The main results of the study submitted for defense are new. They have been approved through the applicant's participation in scientific conferences of various levels. Based on the materials of the dissertation, 5 articles have been published in scientific professional publications of Ukraine and 6 abstracts of reports in collections of materials of international conferences (1 - indexed in Scopus databases), which fully reflect its content. | |
| dc.format.extent | 238 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74889 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | вібродіагностика | |
| dc.subject | парова турбіна | |
| dc.subject | ротор | |
| dc.subject | лопатки турбіни | |
| dc.subject | чисельно-аналітична модель | |
| dc.subject | власні частоти | |
| dc.subject | демпфування | |
| dc.subject | спектральний аналіз | |
| dc.subject | втомне пошкодження | |
| dc.subject | експериментальна верифікація | |
| dc.subject | коефіцієнт ефективності напружень | |
| dc.subject | пластична деформація | |
| dc.subject | напружено-деформований стан | |
| dc.subject | vibration diagnostics | |
| dc.subject | steam turbine | |
| dc.subject | rotor | |
| dc.subject | turbine blades | |
| dc.subject | numericalanalytical model | |
| dc.subject | natural frequencies | |
| dc.subject | damping | |
| dc.subject | spectral analysis | |
| dc.subject | fatigue damage | |
| dc.subject | experimental verification | |
| dc.subject | stress intensity factor | |
| dc.subject | plastic strain | |
| dc.subject | stress-strain state | |
| dc.subject.udc | 620.178;620.179 | |
| dc.title | Вібродіагностика пошкоджень конструктивних елементів парової турбіни при її експлуатації і ремонті | |
| 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: