Geum.ru
   Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

На правах рукописи

ЯРУЛЛИН РУСТАМ РАИСОВИЧ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСТАТОЧНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НАСАДНОГО ДИСКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ С ПОВРЕЖДЕНИЕМ В ШПОНОЧНОМ ПАЗУ 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2009

Работа выполнена в лаборатории Вычислительная механика деформирования и разрушения Исследовательского центра проблем энергетики Учреждения Российской академии наук Казанского научного центра РАН.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шлянников Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Колокольцев Владимир Андреевич кандидат технических наук, доцент Муратаев Фарид Исхакович

Ведущая организация: Институт машиноведения РАН им. А.А. Благонравова (г. Москва)

Защита состоится л_ 2009 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.06 при ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, д.77, корп.1, ауд.319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

С авторефератом можно ознакомиться на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан л__2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Попов В.С.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При оценке гарантированной продолжительности надежной работы турбинного оборудования применяется понятие паркового ресурса - наработки однотипных по конструкции, маркам стали и условиям эксплуатации элементов теплоэнергетического оборудования, которая обеспечивает их безаварийную работу при соблюдении требований инструкций по эксплуатации. Парковый ресурс для роторов паровых турбин составляет 100 тыс. часов. В настоящее время значительная часть роторов паровых турбин близка к исчерпанию паркового ресурса, либо полностью его выработала.

Критические с точки зрения несущей способности и ресурса элементы конструкций содержат технологические и конструктивные концентраторы напряжений. Именно в этих областях накапливаются повреждения, приводящие к образованию и развитию микро- и макротрещин. К таким элементам энергетического оборудования можно отнести насадные диски паровых турбин, которые являются наиболее напряженными и ответственными деталями ротора турбины.

В этой связи возникает необходимость оценки остаточной долговечности насадного диска паровой турбины с повреждением в зоне конструктивной концентрации напряжений.

Цель работы: разработка методики определения напряженнодеформированного состояния (НДС) и прогнозирования на его основе остаточного ресурса насадных дисков ротора паровой турбины с учетом образования и развития повреждений в зонах конструктивной концентрации напряжений. Цель исследования определяет следующие задачи:

Х обосновать модель НДС продольного шпоночного паза с уголковой несквозной трещиной с учетом посадки диска на вал турбины;

Х разработать порядок исследования и интерпретации количественных и качественных характеристик упругопластического состояния области вершины четвертьэллиптической трещины в зонах конструктивной концентрации напряжений насадного диска паровой турбины;

Х определить закономерности изменения параметров НДС вдоль фронта трещины в зависимости от формы дефекта и эксплуатационных условий нагружения диска;

Х рассчитать силовые и деформационные параметры разрушения для типовых повреждений шпоночного паза и условий нагружения диска в эксплуатации;

Х разработать и обосновать модель прогнозирования роста трещин и остаточной долговечности насадного диска паровой турбины.

Научная новизна работы состоит в:

Х разработке и численном обосновании топологии расчетной схемы метода конечных элементов (МКЭ) для трещины четвертьэллиптической формы в плане применительно к моделированию повреждений шпоночного паза;

Х количественной оценке влияния условий нагружения и формы дефекта на поля НДС в области вершины трещины при упругопластическом деформировании;

Х закономерностях изменения вдоль фронта трещины полей параметров НДС в зависимости от условий нагружения и формы дефекта;

Х разработке алгоритма и комплекса программ исследования количественных и качественных характеристик упругопластического состояния области вершины четвертьэллиптической трещины;

Х установлении влияния условий нагружения и формы трещины на остаточную долговечность насадного диска паровой турбины.

На защиту выносятся:

Х методика прогнозирования остаточной долговечности насадного диска паровой турбины с учетом образования и развития повреждений в зонах конструктивной концентрации напряжений;

Х модель НДС продольного шпоночного паза при наличии повреждений в виде уголковой несквозной трещины с учетом посадки диска на вал турбины;

Х алгоритм интерпретации численных результатов МКЭ в пластической области фронта трещины на эллиптической плоскости;

Х модель прогнозирования роста трещин и остаточной долговечности насадного диска паровой турбины;

Х результаты расчетов долговечности насадного диска паровой турбины в исходном и поврежденном состояниях;

Х обоснование вариантов ремонтной технологии диска в зоне конструктивной концентрации напряжений.

Практическая значимость заключается в возможности определения остаточного ресурса насадных дисков паровых турбин на стадии образования и роста трещин в зонах конструктивной концентрации напряжений, а также в оценке малоцикловой усталости насадных дисков после применения ремонтных технологий. Результаты исследования позволяют назначать интервалы регламентных ремонтных работ в зависимости от накопленных эксплуатационных повреждений.

Достоверность результатов подтверждается совпадением частных численных решений с литературными данными и с данными диагностики технического состояния дисков роторов, полученными в процессе проведения регламентных работ на тепловых электростанциях.

Методы исследований. Численные исследования выполнялись на основе метода конечных элементов, методов компьютерного моделирования и программирования.

Реализация работы. Работа поддерживалась госконтрактами с ФАНИ №02.516.11.6025, ФАНИ №02.516.11.6040, ФАНИ №02.516.11.6071, хоздоговором НЧТЭ - №1/2008-163 от 17.03.2008 с актом внедрения работы по договору на выполнение НИОКР (акт №34 от 02.12.08).

Апробация работы. Результаты работы представлялись на аспирантских семинарах (Казань, Академэнерго, 2005-2009 гг.), итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, КазН - РАН, 2005 - 2009 гг.), Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, Исследовательский центр проблем энергетики КазН - РАН, 2006 г.), V и VI школах-семинарах молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении (Казань, Исследовательский центр проблем энергетики КазН - РАН - 2006, 2008 гг.), XIX и XX Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий (Казань, КазВАКУ - 2007, 2008 гг.), XV Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, 2007 г.), Seventh International ASTM/ESIS Symposium on Fatigue and Fracture Mechanics (36th ASTM National Symposium on Fatigue and Fracture Mechanics) (Tampa, Florida, USA, 2007 г.), Международной конференции молодых ученых XXXIV Гагаринские чтения (Москва, 2008 г.), Sixth International Conference on Low Cycle Fatigue (Berlin, Germany, 2008 г.), Пятнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 2009 г.), Second International Conference on Material and Component Performance under Variable Amplitude Loading (Darmstadt, Germany, 2009 г.). В полном объеме диссертация докладывалась в Исследовательском центре проблем энергетики КазН - РАН, Институте машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, в ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 13 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения.

Материал изложен на 158 страницах, содержит 71 рисунок, 12 таблиц, список литературы состоит из 150 наименований, приложение на 4 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, дается ее общая характеристика.

В первой главе дан анализ современного состояния по предмету и направлениям исследований, рассматриваемых в диссертации.

Сборный ротор представляет собой конструкцию, состоящую из вала и посаженных на него дисков с рабочими лопатками. Крутящий момент с диска на вал в нормальных условиях передается трением, создаваемым контактным давлением, которое возникает за счет натяга. В условиях эксплуатации возможны случаи временного ослабления посадки, например, из-за более быстрого прогрева диска по сравнению с валом. Для гарантированной передачи крутящего момента между диском и валом устанавливают шпонку. Это резко увеличивает напряженность диска из-за возникновения в зонах радиусных сопряжений шпоночного паза местной концентрации напряжений, превышающей номинальные напряжения в 2 - 3 раза.

Анализ повреждаемости 145 дисков обследованных турбин Т-100-130 ПО ТМЗ в зоне фазового перехода показал, что наиболее распространенными местами повреждений являются зоны продольного шпоночного паза, разгрузочных отверстий, заклепочных соединений, ступичной части и полотна диска.

Многостадийность процесса разрушения требует корректного выбора определяющих параметров, контролирующих процессы зарождения и роста трещин и установления границы их применимости. Стадия роста трещин в конструкциях составляет половину и более от полной долговечности, и надежное ее прогнозирование представляет собой важную самостоятельную задачу. Механика разрушения получила развитие в трудах А. Гриффитса, Дж. Ирвина, П. Пэриса, Г. Либовица, Н.И. Мусхелишвили, Г.И. Баренблата, Г.П. Черепанова, В.В. Панасюка, В.С. Ивановой и других исследователей.

Н.А. Махутовым разработаны методы прогнозирования несущей способности, основанные на силовых, деформационных и энергетических критериях распространения трещин статического и малоциклового нагружения.

Проведенный анализ условий эксплуатации и повреждений турбинного оборудования показал, что:

- повреждения дисков и рабочих лопаток в процессе эксплуатации происходят чаще всего на ступенях турбин, работающих в зоне фазового перехода;

- традиционные методы ремонтных технологий позволяют удалить только поверхностные дефекты небольшой глубины;

- существующие подходы прогнозирования несущей способности не позволяют достаточно точно оценить остаточный ресурс паровых турбин при наличии повреждений.

На основе литературного анализа была сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Во второй главе представлен порядок расчетов по предложенной методике определения НДС и оценки остаточной долговечности насадных дисков турбин с учетом накопленных эксплуатационных повреждений. Алгоритм решения показан на рис.1 в виде блок-схемы и состоит в следующем.

На первом этапе необходимо провести расчет штатной геометрии диска в упругопластической постановке. В эксплуатации на диск действуют центробежная сила от собственной массы диска, контурная нагрузка от воздействия рабочих лопаток на обод диска, которая передается через замковое соединение, контактное давление на расточку диска, вызванное натягом при посадке диска на вал. Для такого сочетания условий нагружения при определении НДС дисков задача решается в трехмерной постановке с привлечением МКЭ. Результатом является определение основных высоконагруженных зон диска: к ним относятся заклепочные отверстия обода диска, разгрузочные отверстия и радиусные сопряжения продольного шпоночного паза.

Исходные данные E R, t, a, c, P,,, 0.2, n,, f f Решение задачи в ANSYS Считывание параметров (компонент на- Считывание параметров (компонент напряпряжений) по узлам окружности радиуса ri жений) по узлам в плоскости расположения сечения i. Сохранение полученных компо- трещины (=0) для радиуса ri сечения i.

Сохранение полученных компонент в файл нент в файл со списком параметров (, X, со списком параметров (r, X, Y, Z, XY, Y, Z, XY, YZ, ZX, INT, e) YZ, ZX, INT, e) Перевод в локальную прямоугольную систему координат и нормировка на предел текучести FEM FEM FEM = cos2 p + sin2 p + sin 2p;

zz xx zx FEM FEM FEM FEM = zz sin2p +xx cos2p -zx sin2p; ij = ij 0.FEM FEM FEM = 0.5( - )sin 2p + cos2p;

zz zz xz Перевод в полярную систему координат в заданном сечении = cos2 + sin2 + y sin 2, = sin2 + cos2 -y sin2, yy yy = ( -)sin cos + y cos2 y = xy sinp +zy cosp, yy Поля напряжений Уравнение малоцикловой усталости ij ~ ij (, r) = dW -m SK = 4 (2N ) f f f dV c Размер зоны процесса разрушения нет max интенсивность безразмерных на- K n f = пряжений -m ~ e 4E (2N ) (,r)=1 f f f Координаты фронта трещины да xi = ( + ri ) cos ei i ~ ij (,r) yi = ( + ri ) sin ei i Упругопластический КИН Остаточная долговечность 2 2 2 i l l K - Kth ij n f th n+ N = Ki = r fi j j j ~ j=1 4 E f f j (; n) ij Рис.1. Блок-схема расчета остаточной долговечности насадных дисков В зонах радиусных сопряжений осевого шпоночного паза, как показывает практика, возникают зоны локальных необратимых деформаций, и накапливаются повреждения, приводящие к образованию и развитию микро - и макротрещин.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам