Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Надежность работы турбинного оборудования - файл 1.doc


Лекции - Надежность работы турбинного оборудования
скачать (5652 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc5652kb.17.11.2011 07:09скачать

содержание

1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9
НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ ТУРБИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ


Содержание


Глава первая. Аварии и износ рабочих лопаток.............................................4

1.1. Ущерб от аварий паровых турбин..................................................................4

1.2. Причины аварий рабочих лопаток..................................................................5

1.3. Усталость рабочих лопаток.............................................................................6

1.4. Коррозионная усталость рабочих лопаток...................................................43 1.5. Капельная эрозия рабочих лопаток..............................................................65

1.6. Абразивный износ лопаточного аппарата....................................................84

1.7. Отрыв рабочих лопаток.................................................................................90

1.8. Излом рабочих лопаток..................................................................................94

1.9. Разрушение хвостовиков рабочих лопаток..................................................99

Контрольные вопросы.........................................................................................110

Глава вторая. Разрушения и повреждения роторов и

их предупреждение............................................................................................113

2.1. Классификация повреждений и разрушений роторов..............................113

2.2. Хрупкие внезапные разрушения цельнокованых роторов........................113

2.3. Исчерпание ресурса длительной прочности..............................................119

2.4.Термическая усталость роторов...................................................................124

2.5. Повреждения и разрушения насадных дисков и валов.............................129

Контрольные вопросы.........................................................................................141

Глава третья. Повреждения и разрушения элементов

статора турбины................................................................................................143

3.1. Повреждения корпусов............................................................................... 143

3.2. Прогибы диафрагм.......................................................................................151

3.3. Аварии и неполадки подшипников.............................................................153

3.4. Аварии и неполадки систем парораспределения, автоматического регулирования и защиты ....................................................................................156

Контрольные вопросы.........................................................................................162

Глава четвертая. Вибрационная надежность турбоагрегата ..................164

4.1. Вибрация турбоагрегата и ее последствия ................................................164

4.2. Вибрация оборотной частоты......................................................................168

4.3. Низкочастотная вибрация............................................................................185

4.4. Высокочастотная вибрация турбоагрегатов............................................. 204

4.5. Нормы допустимой вибрации турбоагрегатов..........................................206

4.6. Стеснение тепловых расширений турбины на фундаменте и его предупреждение...................................................................................................209

Контрольные вопросы.........................................................................................218


Глава 1. Аварии и износ рабочих лопаток


1.1. Ущерб от аварий паровых турбин


Теплоэлектроцентраль представляет собой круп­ное промышленное предприятие, продукцией кото­рого являются электрическая и тепловая энергия, отпускаемая потребителю в виде горячей воды или пара требуемых параметров. Паровая турбина пред­ставляет собой элемент турбоагрегата, приводящий электрический генератор, преобразующий механи­ческую энергию вращения валопровода турбоагре­гата в электрическую энергию, и одновременно – источник пара для теплового потребителя. Поэтому отказ турбины из–за аварии автоматически означает невыполнение электростанцией планов по выработ­ке электроэнергии и тепла и серьезное ухудшение ее экономических показателей.

Действительно, электростанция, как всякое про­мышленное предприятие, имеет планы выработки электроэнергии и тепла, установленные на основе оптимизации работы энергохозяйства района в це­лом. Недовыработка плановой энергии конкретной электростанцией означает, что в лучшем случае эта энергия будет выработана другими электростанция­ми, имеющими худшие экономические показатели, чем та, на которой произошла авария. Поэтому, ес­ли авария произошла по вине персонала электро­станции, последняя понесет убытки, связанные с удорожанием электроэнергии из–за подключения источников энергии с меньшей экономичностью.

Кроме того, исключение из работы части обору­дования электростанции неизбежно приводит к удо­рожанию производства энергии из–за уменьшения коэффициента использования оборудования, так как при тех же капиталовложениях энергии выраба­тывается меньше.

Конечно, в некоторых случаях электростанции удается покрыть дефицит электроэнергии, однако, это может быть только при использовании ее менее экономичного оборудования, т.е. за счет перерасхо­да топлива на самой электростанции.

Наконец, необходимо учитывать и ремонтные затраты на восстановление оборудования, претер­певшего аварию, зависящие от ее масштаба.

В энергосистеме в какой–то период после аварии или систематически в периоды максимального по­требления энергии вследствие недостатка резерва мощностей будет возникать дефицит мощности. Ущерб, возникающий при этом, следует оценивать не по стоимости непроданной (и непроизведенной) электроэнергии, а по ущербу тех предприятий, кото­рые не получили энергию. Он может быть во много раз больше, чем себестоимость электроэнергии.

Трудно оценить, но ущерб весьма велик при вне­запной остановке электрического транспорта и свя­занных с этим опозданий людей на работу, при пе­рерывах в зрелищных мероприятиях, при отключе­нии холодильников, вызывающих ухудшение каче­ства продуктов, при внезапном отключении других токоприемников.

Не менее серьезные последствия могут иметь длительные перерывы в теплоснабжении жилых до­мов и предприятий.


^ 1.2. Причины аварий рабочих лопаток


Проточная часть представляет наиболее доро­гую и уязвимую часть паровой турбины. Наиболее частыми причинами аварий рабочих лопаток являются:

  1. усталость материала, вызванная вибрацией, приводящая к зарождению трещин усталости, их росту и последующему хрупкому разрушению;

  2. коррозионная усталость – усталость в коррозионно–активных средах, характерная для зон фазо­вого перехода, где действуют механизмы концентрирования растворов высокой агрессивности;

  3. капельная эрозия, приводящая к износу рабо­чих лопаток, появлению концентрации напряжений и снижению их конструкционной прочности;

  4. абразивный износ рабочих и сопловых лопа­ток первых ступеней цилиндров, в которые посту­пает пар из котла;

  5. отрыв рабочих лопаток, вызванный чрезмер­ными центробежными силами;

  6. излом рабочих лопаток, вызванный чрезмер­ными изгибающими напряжениями в них;

  7. разрушения хвостовиков и связей (бандажей и проволок).


^ 1.3. Усталость рабочих лопаток


1.3.1. Явление усталости рабочих лопаток


Под усталостью материала понимают процесс постепенного накопления повреждений под дейст­вием переменных во времени напряжений, приво­дящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению.

При приложении к материалу напряжений, изме­няющихся во времени, из–за структурной неодно­родности материала, обусловленной его кристаллической структурой, в некоторых кристаллографиче­ских плоскостях отдельных зерен возникает цикли­ческая упруго–пластическая деформация даже при напряжениях, меньших предела упругости. В ре­зультате по мере накопления числа циклов нагру­жения чаще всего на поверхности детали возникает небольшая начальная макротрещина. Она является фокусом последующего усталостного разрушения (рис. 1.1).



Рис. 1.1. Схема усталостного излома рабочей лопатки:

1 – фокус излома и очаг разруше­ния; 2 – усталостные линии; 3 – зона ускоренного развития трещи­ны; 4 – фронт трещины; 5 – зона быстрого хрупкого разрушения


Чаще всего в турбинных лопатках фокус появляется в зонах максимальных напряжений, вызванных концентрацией напряжений: в галтелях перехода от пера лопатки к хвостовику (рис. 1.2), в отверстиях под проволочную связь (рис. 1.3), реже – на гладких поверхностях (чаще всего, на кромках лопатки, рис. 1.4) в зоне поверхностных дефектов (рисок, царапин, не­металлических включений).



Рис. 1.2. Усталостные трещины в корневых галтелях рабочих ло­паток



Рис. 1.2. Усталостные трещины в корневых гантелях рабочих лопаток





Рис. 1.4. Усталостная трещина на гладкой поверхности лопатки


Около фокуса разруше­ния формируется (рис. 1.1) очаг раз­рушения – зона с гладкой и блестящей поверх­ностью, образованной многократным соприкосно­вением и относительным смещением поверхностей разрушения. К очагу разрушения прилегает основная усталостная трещина – зона разделения материала, на которой видны следы продвижения фронта усталостной трещины (уста­лостные линии), являющиеся следствием изменения направления развития трещины или изменения уровня переменных напряжений. Поверхность основной усталостной трещины обычно гладкая и блестящая. Развитие усталостной трещины проис­ходит, как правило, неравномерно, и определяется соотношением напряжений и глубиной трещины. С ростом глубины трещины скорость ее продвиже­ния увеличивается и, как следствие, при достаточ­ной длине непосредственно перед разрушением об­разуется зона ускоренного развития. При достиже­нии трещиной критического размера происходит практически мгновенное хрупкое разрушение. Обра­зующаяся зона отрыва (зона долома) имеет макрохрупкий характер и грубую зернистую структуру.

Как правило, идентификация усталостных тре­щин не представляет особого труда.

^ 1.3.2. Причины вибрации рабочих лопаток


1.3.2.1. Понятие о вибрации. Вибрацией, или колебаниями, тела называют его небольшие пе­ремещения во времени относительно положения равновесия.

На рис. 1.5, а показана простейшая колеблю­щаяся система, состоящая из твердого тела, подве­шенного на пружине. Если тело сместить, напри­мер, вниз и отпустить, то оно начнет совершать ко­лебания.

Если тело поместить в пустоту, где трение о сре­ду и трение в материале пружины предположить отсутствующими, то тело будет совершать свободные незатухающие гармонические колебания (рис. 1.5, б).




Рис. 1.5. Виды вибрации:

а – простейшая колеблющаяся система; б – гармонические незатухающие колебания; в – гармонические затухающие ко­лебания; г – произвольные колебания


Свободными эти колебания называются потому, что на тело при колебаниях не действуют никакие силы, незатухающими потому, что их амплитуда не изменяется во времени, гармоническими потому, что смещения во времени происходят по гармони­ческому закону, например,

.

Величина в этой формуле представляет собой число колебаний за время , т.е. за 6,28 с, и пото­му называется круговой частотой собственных колебаний.

Действительно, если , то одно полное коле­бание будет совершено за период . Если , то для одного полного колебания потребуется время , а для произвольной круговой частоты– время . Следовательно, , т.е. – число колебаний за время 6,28 с.

Величину , представляющую собой число колебаний за 1 с, называют просто частотой колебаний и измеряют ее в герцах (1 Гц – это 1 колебание за 1 с).

Необходимо подчеркнуть, что частота собст­венных колебаний – это характеристика системы, зависящая от ее параметров (в нашем случае – от массы тела и податливости пружины) и совершен­но не зависящая от того, колеблется эта система или остается неподвижной.

Чем больше масса и податливость системы (это относится к любой системе), тем меньше частота собственных колебаний, и наоборот.

Рассмотренные свободные незатухающие коле­бания являются идеализированными, поскольку всегда имеются силы сопротивления, которые приводят к постепенному уменьшению амплитуды ко­лебаний (рис. 1.5, в). Колебания с уменьшающейся амплитудой называют затухающими. Быстрота за­тухания определяется логарифмическим дек­рементом колебаний:

, (1.1)

где и амплитуды двух соседних колеба­ний. Чем выше , тем быстрее затухают колебания.

Незатухающие колебания при наличии сил со­противления можно создать, если к телу приложить гармоническую силу любой частоты. Эту силу на­зывают возмущающей, так как она вызывает ко­лебания, а возникающие колебания – вынуж­денными. При действии возмущающей силы те­ло колеблется с частотой, равной частоте воз­мущающей силы, независимо от значения своей собственной частоты колебаний. Амплитуда сме­щений при вынужденных колебаниях зависит в пер­вую очередь от близости частоты возмущающей силы к частоте собственных колебаний . Ес­ли и различаются лишь на 10 %, то эта воз­мущающая сила не может "раскачать" систему, т.е. возникающие колебания будут иметь неболь­шую амплитуду.

При возникает явление резонанса, при котором направление скорости движения постоян­но совпадает с направлением действия возмущаю­щей силы. Вследствие этого возмущающая сила ра­ботает очень эффективно и сильно "раскачивает" систему. Амплитуда при резонансе пропорцио­нальна , поэтому чем выше демпфирование, тем меньше прогибы при резонансе.

Ясно, что чем сильнее колеблется система, тем большие напряжения появляются в ее деталях и тем больше вероятность усталостных поломок. Поэто­му в турбинах стараются избегать резонанса либо путем изменения характеристик системы, т.е. час­тоты собственных колебаний, либо путем измене­ния частоты возмущающих сил.

1.3.2.2. Виды колебаний рабочих лопаток. Ус­талостные поломки рабочих лопаток возникают только при интенсивной вибрации.

Различают три основных вида колебаний лопа­ток: свободные, вынужденные и самоподдержи­вающиеся.

^ Свободные колебания – это колебания, которые происходят без воздействия на лопатку ка­ких–либо активных сил. При наличии сил сопротивления интенсивность свободных колебаний умень­шается, и они со временем исчезают. Поэтому с точ­ки зрения возможности вызвать поломку турбинных лопаток свободные колебания не представляют опасности. Однако закономерности свободных коле­баний позволяют судить о поведении конструкции при других видах колебаний. В частности, в этой связи особое значение приобретает такая характери­стика колеблющейся конструкции, как упомянутый выше логарифмический декремент коле­баний , определяющий скорость затухания сво­бодных колебаний вследствие рассеяния энергии.

^ Вынужденные колебания – это колеба­ния, возникающие вследствие периодического дей­ствия внешних активных (возмущающих) сил. Они являются основной причиной усталостных поломок рабочих лопаток.

^ Самоподдерживающиеся колебания (автоколебания) могут возникнуть и при отсутствии в системе периодических возмущающих сил. Этот вид колебаний характерен для длинных рабочих ло­паток последних ступеней паровых турбин при ра­боте в режимах малых объемных пропусков пара.

1.3.2.3. Вынужденные колебания рабочих лопа­ток. Интенсивность вынужденных колебаний опре­деляется тремя основными факторами:

  1. близостью колеблющейся системы к состоя­нию резонанса;

  2. амплитудой возмущающих сил;

  3. демпфированием в системе.

Любая механическая система обладает набором вибрационных характеристик – тонов ко­лебаний. Каждый тон – это совокупность собственной частоты и главной формы коле­баний.

Наиболее просто объяснить эти характеристики можно при рассмотрении свободных колебаний.

В общем случае прогиб лопатки при сво­бодных колебаниях в зависимости от времени и координаты (рис. 1.6) для лопатки постоянного сечения определяется соотношением:

, (1.2.)

т.е. прогиб лопатки в некоторой точке пред­ставляет собой сложение бесчисленного числа ко­синусоид, каждая из которых имеет свою частоту , свою начальную фазу , свою начальную ам­плитуду и свою амплитуду:

, (1.3.)

убывающую во времени по закону экспоненты (ве­личина характеризует сопротивление колеба­ниям лопатки).




Рис. 1.6. Перемещение сечений рабочей части лопатки при колебаниях



Аналогичным образом, в некоторый момент времени форма прогиба лопатки определя­ется наложением функций с весовыми коэффициентами:

, (1.4.)

Функции и числа зависят от размеров лопатки, ее формы, условий закрепления на диске, наличия бандажа и проволочных связей, т.е. явля­ются характеристиками системы лопатка диск и не зависят от того, колеблются лопатки или нет. Функции называют главными формами, а числа – собственными частота­ми лопаток.

Как видно из соотношения (1.2), частота имеет размерность рад/с, т.е. она показывает число радиан в единицу времени. Поэтому ее называют круговой частотой. Если в единицу времени происходит полных колебаний, измеряемых, как известно в герцах (Гц), то

Собственные частоты и главные формы всегда "выступают в паре", т.е. собственной частоте соответствует вполне определенная главная форма. Совокупность собственной частоты и глав­ной формы называется тоном колебаний.

Тон колебаний, имеющий самую низкую собст­венную частоту, называют первым тоном, следую­щую – вторым тоном и т.д. Рабочая лопатка имеет бесчисленное множество собственных частот, одна­ко для обеспечения ее вибрационной надежности, как правило, достаточно знать только несколько первых значений.

Хотя, как уже подчеркивалось, главные формы и собственные частоты не зависят от того, колеблется лопатка или нет, на практике можно создать сво­бодные колебания соответствующей формы. Если, например, установленную на диске лопатку предва­рительно изогнуть так, чтобы форма ее изгиба соот­ветствовала в любом масштабе главной форме, а затем лопатку мгновенно и без ускорения отпустить, то она будет колебаться по главной форме с собственной частотой. При этом прогиб лопат­ки будет определяться формулой:

, (1.5.)

Собственные частоты необходимо знать для то­го, чтобы определить возможность возникновения резонанса, а главные формы – форму прогиба лопатки при нем.

^ Резонансом называется явление совпадения час­тоты возмущающей силы и собственной частоты колебаний лопатки. При резонансе форма изгиба лопатки при колебаниях всегда совпадает с соответ­ствующей главной формой.

^ Резонансные колебания основная причина ус­талостных поломок лопаток. Для того чтобы ус­тановить, может или не может возникнуть резо­нанс, надо знать собственные частоты лопаток, т.е. числа рк, и частоты возмущающих сил.

Собственные частоты лопаток зависят от многих факторов: материала лопатки, жесткости, т.е. сопро­тивления изгибу, плотности набора на рабочем ко­лесе, наличия проволочных связей и бандажа, часто­ты вращения. Поэтому, если в условиях эксплуата­ции лопатки теряют бандаж или проволоку, если ослабляется посадка на диске, то лопатки приобретают другую частоту вращения. При этом действует про­стое правило: если конструкция облопачивания ста­новится более жесткой, то частота собственных ко­лебаний конструкции увеличивается и наоборот.

При перевязке рабочих лопаток в пакеты с помо­щью бандажа возможны несколько видов колебаний.

Во–первых, возможны колебания типа А (рис. 1.7, а, б), при которых рабочие лопатки паке­та колеблются синхронно и синфазно в плоскости колеса, т.е. с одинаковой частотой и одновремен­ным достижением всеми ее сечениями максималь­ного прогиба, недеформированного состояния и т.д. Примерно такие же формы колебаний имеет и еди­ничная лопатка, не перевязанная бандажом. Однако численное значение собственных частот колебаний пакетов будет отличаться от собственных частот от­дельных лопаток.





Рис. 1.7. Формы колебаний пакета лопаток:

а – тип Ао; б – тип А1


Во–вторых, появляются формы типа В (рис. 1.8, а, б, в), или внутрипакетные колебания, при которых рабочие лопатки пакета смещаются в плоскости колеса несинхронно и несинфазно, при­чем вершины лопаток практически не смещаются, а только несколько поворачиваются.



Рис. 1.8. Внутрипакетные формы колебаний лопаток (тип В0)


В–третьих, появляются изгибно–крутиль­ные колебания (рис. 1.9), при которых проис­ходит смещение бандажа в плоскости оси турбины, а сами лопатки в общем случае изгибаются и закручиваются. Первая форма А00 соответствует форме осевых колебаний пакета лопаток, вторая А01 – колебаниям при одном узле на бандаже, но без уз­лов на лопатке и т.д. Форме А11 соответствует по одному узлу на бандаже и на лопатках.





Рис. 1.9. Изгибно–крутильные формы колебаний пакета лопаток:

а – пакет лопаток; 15 – формы колебаний


Таким образом, облопачивание на колесе имеет бесчисленное множество собственных частот и главных форм колебаний. Но сами колебания возни­кают только при воздействии на систему сил, из­меняющихся во времени. Теоретическое рассмотре­ние и экспериментальные исследования показыва­ют, что при вращении на конкретную лопатку дей­ствует переменная аэродинамическая сила q, зави­сящая от угла поворота лопатки φ (рис. 1.10).





Рис. 1.10. Изменение силы, действующей со стороны паро­вого потока на рабочую лопатку в процессе ее поворота на 1 оборот


Ее характерная особенность – строгая периодичность, определяемая одним оборотом колеса. Возникнове­ние неравномерной аэродинамической нагрузки связано со многими причинами, главными из кото­рых являются следующие.

1. Неодинаковость каналов сопловой решетки (технологическая неоднородность), вследствие кото­рой поток из ее различных каналов выходит с разной скоростью и под различными углами α1. Поэто­му каждая конкретная лопатка, вращаясь и проходя за различными сопловыми каналами, будет испыты­вать различную нагрузку. Эта нагрузка периодиче­ская и поэтому ее можно представить в виде беско­нечной суммы членов:

. (1.6)

Каждый член этого ряда называется гармоникой возмущающей силы. Величины и – относительными амплитудами гармо­ник, величина кратностью гармоники.

В этих соотношениях это средняя нагруз­ка за время одного оборота колеса (рис. 1.10). Она создает постоянный во времени изгиб рабочей лопатки, на фоне которого происходят ее колеба­ния. Относительные амплитуды гармоник возму­щающих и сил уменьшается по мере увеличения номера гармоники. При существующей тех­нологии производства диафрагм реальную опас­ность представляют только первые шесть гармоник (точнее – кроме первой), в которой величины и не могут быть определены с большой точно­стью, так как они зависят от конкретного исполне­ния диафрагмы. Приближенно можно считать что .

Частным случаем технологической неоднород­ности сопловых решеток может считаться наруше­ние потока пара в зоне разъема диафрагмы из–за несовпадения частей разрезанных профилей, рас­положенных в верхней и нижней половинах диа­фрагмы, из–за недостаточной плотности горизонтального разъема диафрагмы, при которой струи пара проходят по горизонтальному разъему. В этом случае в возникающей возмущающей силе наибольшую амплитуду будет иметь гармоника с номером .

  1. Неодинаковость параметров пара по окружно­сти перед или за ступенью, вследствие которой уси­лия, действующие со стороны пара на некоторую рабочую лопатку, оказываются разными при различ­ных углах поворота колеса φ. Чаще всего неодина­ковость параметров по окружности возникает в зо­нах подвода и отбора пара через патрубки, где соот­ветственно давление пара больше или меньше. И в этом случае амплитуда гармоник возмущающих сил также быстро убывает с увеличением их номера.

  2. Парциальный подвод пара, характерный в ос­новном для регулирующих ступеней. В этом случае амплитуда возмущающих сил особенно велика, так как конкретная лопатка то попадает под действие полного аэродинамического усилия в активной дуге подвода, то нагрузка с нее полностью снимается в зоне, где пар не подводится. Верхняя оценка относительной амплитуды возмущающей силы при пар­циальном подводе:

.

Из этого соотношения видно, что первая гармо­ника составляет 64 %, от полного статического уси­лия, вторая 32 % и т.д., т.е. интенсивность возбуждения, вызванная парциальным подводом пара весьма значительна.

4. Неравномерность потока пара вдоль окружно­сти сопловой решетки из–за наличия выходных кро­мок и кромочных следов (рис. 1.11). В зоне выход­ной кромки, в зависимости от ее ширины наблюда­ется "провал" скоростей потока и соответственно усилия, действующего на рабочие лопатки.




  1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (5652 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации