Ви є тут

Сопротивление деформированию и разрушению материала диска ротора паровой турбины с учетом наработки в эксплуатации

Автор: 
Топоров Денис Валерьевич
Тип роботи: 
Кандидатская
Рік: 
2011
Артикул:
324171
179 грн
Додати в кошик

Вміст

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................4
ГЛАВА 1. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ДИСКОВ
ПАРОВЫХ ТУРБИН.......................................8
1.1. Характерные условия работы и типовые повреждения роторов паровых турбин..........................................8
1.2. Модели и критерии механики малоциклового деформирования и разрушения.............................................16
1.3. Обзор решения задач малоцикловой усталости и кинетики упругопластического деформирования методами компьютерного моделирования..........................................28
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ............................................33
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКА С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ....................................35
2.1. Расчет параметров нагружения диска...................35
2.2. Определение контактного давления от натяга , .!
инженерным и МКЭ методами.................................38
д
2.3. Построение расчетной схемы, определение общего НДС, зон концентрации напряжений и деформаций диска и обоснование сходимости результатов.................................45
2.4. Установка для экспериментальных исследований характеристик сопротивления деформированию и разрушению при статическом и циклическом нагружении.................................56
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
КИНЕТИКИ МАЛОЦИКЛОВОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ В КРИТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ДИСКА ТУРБИНЫ.....................60
3.1. Характеристики прочности и пластичности при статическом деформировании гладких и надрезанных образцов
из критических зон диска..................................60
2
3.2. Параметры малоцикловой выносливости и упруго-пластического деформирования гладких и надрезанных образцов из критических зон диска при гармоническом нагружении............................66
3.3. Характеристики малоциклового деформирования образцов при программном нагружении......................................74
3.4. Параметры скорости развития трещин в образцах из критических
зон диска при гармоническом и программном нагружении..........77
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАРАБОТКИ В ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДИСКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ............................................83
4.1. Верификация нелинейной модели кинематического упрочнения в вычислительном комплексе АЫБУБ на модели гладкого цилиндрического образца.....................................83
4.2. Анализ изменения характеристик прочности, пластичности, долговечности и трещиностойкости материала диска турбины по стадиям наработки в эксплуатации............................89
4.3. Рекомендации по анализу напряженно-деформированного состояния и прогнозированию долговечности дисков паровых турбин
с учетом наработки в эксплуатации.............................97
ВЫВОДЫ..........................................................103
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................105
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Основными несущими элементами любого турбоагрегата являются роторы, в которых высокие скорости вращения и температура рабочей среды создают значительные напряжения в металле от действия эксплуатационных нагрузок.
Прогнозирование фактического ресурса роторов паровых турбин в настоящее время является одной из основных задач в сочетании с диагностикой по обеспечению безопасной и надежной эксплуатации роторов с большой наработкой (сверх паркового ресурса). Парковый ресурс роторов, который определяет минимальный гарантированный срок их эксплуатации, составляет от 100 до 270 тысяч часов в зависимости от типа турбины.
При назначении остаточного ресурса и получении показателей надежности ротора исходят из запасов прочности и долговечности основных его деталей, одной из которых является насадной диск - промежуточный элемент комбинированного ротора низкого (среднего) давления (РНД, РСД).
Насадные диски, работая в условиях коррозионно-активной среды, воспринимают передачу крутящего мо кента ротор а и несут нагрузку* от ^
I I
центробежных сил собственной массы, контурную нагрузку от рабочих лопаток и контактную нагрузку, обусловленную натягом.
В период средних и капитальных ремонтов, при проведении типовых регламентных работ по неразрушающему контролю металла, достаточно часто имеют место случаи обнаружения дефектов типа трещин в зонах конструктивных концентраторов напряжений.
Ресурс элемента турбомашины оценивается как время его работы до наступления предельного состояния, при котором дальнейшее его применение становится недопустимым или нецелесообразным. Предельным состоянием для роторов является появление в нем макротрещины, размеры которой превышают нормы, после чего эксплуатация без выполнения специальных мероприятий по восстановлению надежности недопустима.
4
В связи с этим в данной работе поставлена цель оценки изменения характеристик сопротивления статическому и циклическому деформированию и разрушению материала насадного диска с учетом положения критических зон и наработки турбины в эксплуатации.
Достижение поставленной цели состоит в:
• проведении анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) диска для определения положения критических зон накопления и развития повреждений;
• получении характеристик прочности, пластичности и трсщиностойкости при статическом и малоцикловом гармоническом нагружениях на основе экспериментальных исследований образцов из критических зон диска турбины с наработкой в эксплуатации и образцов с исходными свойствами материала;
• проведении анализа влияния истории нагружения, положения критических зон и концентраторов напряжений на комплекс упругопластических характеристик сопротивления деформированию и разрушению материала диска;
• разработке рекомендаций по оценке НДС и прогнозированию остаточного ,ч , ресурса с учетом наработки в эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в:
• установлении закономерности изменения ширины петли упругопластического гистерезиса при однородном и неоднородном напряженном состоянии для материала диска с наработкой в экс-плуатацни;
• оценке влияния положения критической зоны диска на комплекс характеристик сопротивления статическому и малоцикловому деформированию и разрушению материала диска турбины с учетом наработки в эксплуатации;
• закономерностях влияния эксплуатационного профиля нагружения на изменение характеристик долговечности материала диска в критических зонах;
• установлении взаимосвязи между истинными задаваемыми и разрушаю-
5
щими деформациями в зоне концентрации напряжений;
• разработке модели прогнозирования остаточной долговечности диска, с учетом наработки турбины в эксплуатации.
На защиту выносятся:
• результаты численных расчетов НДС диска по определению положения критических зон и экспериментальные данные статического и упругопластического деформирования образцов, вырезанных из областей концентраторов напряжений диска и образцов с исходными свойствами материала;
• обоснование изменения долговечности материала из критических зон диска при наложении программно-блочного нагружения;
• результаты экспериментальных данных по определению параметров скорости развития трещин в образцах, вырезанных из ободной части диска с наработкой в эксплуатации для гармонического и эксплуатационного профиля нагружения;
• модель прогнозирования остаточной долговечности диска, с учетом наработки турбины в эксплуатации.
Результаты работы представлялись на: •>.
I г *
• аспирантских семинарах Академэнерго Казанского НЦ РАН (Казань, 2006 -2011 гг.);
• итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, КазНЦ РАН - 2006-2011 гг.);
• V, VI, VII Школах-семинарах молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН - 2006, 2008, 2010 гг.);
• XVI, XVII Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2009, 2011) (Алушта, Крым 2009, 2011гг.);
• Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские
6
чтения» (Москва, 2009 г.);
• Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и конструкций» (Киев, 2010 г.);
• итоговой молодежной научно-практической конференции компаний энергосистемы Республики Татарстан (Казань, 2010 г.);
В полном объеме диссертация докладывалась в Институте машиноведения им. А.А.Благонравова РАН и Исследовательском центре проблем энергетики Учреждения Российской Академии наук Казанского научного центра РАН.
7
ГЛАВА 1. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ДИСКОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН
1.1. Характерные условия работы и типовые повреждения роторов паровых турбин
Сборный ротор (рис. 1.1.1), или ротор с насадными дисками, представляет собой конструкцию, состоящую из вала и посаженных на него дисков с рабочими лопатками.
Ротор является наиболее ответственной частью турбины. В условиях эксплуатации он подвергается действию центробежных сил, крутящего и изгибающего моментов, растягивающих осевых сил, нагрузки от собственного веса и температурных напряжений при переходных режимах работы.
Рис. 1.1.1. Ротор низкого давления паровой турбины
При расчете полей температур, напряжений и деформаций в роторах необходимо учитывать факторы, характеризующие особенности работы, геометрии, накопления и развития повреждений.
К таким факторам относят: разнообразный спектр термомеханических нагрузок, изменяющихся во времени случайным образом и содержащих стационарные и
X
нестационарные температурные воздействия (пуски-остановы, колебания нагрузки, разгрузки, сбросы нагрузок), механические малоцикловыс (поле центробежных сил, изменение давления среды) и многоцикловые (давление пара) нагрузки;
-изменение теплофизических и прочностных свойств металла в зависимости от температуры и времени работы, учет кинетики изменения прочностных и электромеханических характеристик детали при длительном циклическом термомеханическом нагружении [4].
В период средних и капитальных ремонтов, при проведении типовых регламентных работ но неразрушающему контролю металла, достаточно часто имеют место случаи обнаружения дефектов типа трещин в зонах конструктивных концентраторов напряжений (рис. 1.1.2).
а) б)
Рис. 1.1.2. Эксплуатационные повреждения диска: а) осевой шпоночный паз, б) заклепочные отверстия
В практике эксплуатации известны случаи, когда появление трещин в шпоночных канавках длиной в несколько миллиметров приводили к внезапному хрупкому разрыву диска и к аварии всей турбины.
Определение эксплуатационной надежности роторов связано с наличием в них нескольких высоконагруженных зон, в которых повреждаемость накапливается по разным механизмам.
9