Моделювання теплового стану ротора низького тиску турбіни К-200-130 під час пуску

Автори

О. Ю. Черноусенко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, вул. Політехнічна, 6), e-mail: chernousenko20a@gmail.com, ORCID: 0000-0002-1427-8068

В. А. Пешко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, вул. Політехнічна, 6), e-mail: vapeshko@gmail.com, ORCID: 0000-0003-0610-1403

Д. В. Риндюк, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, вул. Політехнічна, 6), e-mail: reletive@gmail.com, ORCID: 0000-0001-7770-7547

А. П. Бовсуновський, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, вул. Політехнічна, 6), e-mail: apbovsunovsky@gmail.com, ORCID: 0000-0001-9562-0250

Анотація

У сучасних умовах функціонування Об’єднаної енергосистеми України критичного значення набувають надійність і безпека експлуатації устаткування теплових електростанцій. З огляду на це для оцінки індивідуального ресурсу відповідальних елементів турбоагрегатів після механічних пошкоджень і ремонтних відновлень і забезпечення їх тривалої роботи необхідно комплексно вивчити їхній термомеханічний стан. Мета написання статті полягає у проведенні розрахункового дослідження просторового теплового стану ротора низького тиску парової турбіни К-200-130 для науково-технічного обґрунтування можливості продовження терміну його надійної експлуатації. Методи дослідження ґрунтуються на фундаментальних положеннях нестаціонарної теплопровідності й механіки суцільних середовищ із використанням методу скінченних елементів у середовищі SolidWorks. Побудовано просторову 3D-модель симетричної половини РНТ (близько 6,2 млн елементів) з адаптивним згущенням сітки у зонах концентрації напружень. У моделі враховано фактичні геометричні зміни після ремонту – зменшення діаметра шийки валу в зоні підшипника № 5 з 435 мм до 420 мм. Граничні умови теплообміну II та III роду визначено за допомогою критеріальних рівнянь теорії подібності з урахуванням термо- й гідродинамічних характеристик потоку пари у проточній частині. Визначено тривимірні температурні поля ротора для номінального режиму потужністю 200 МВт і нестаціонарного пуску з холодного стану. Встановлено, що при стаціонарній роботі метал перебуває в термічно стабілізованому стані з температурами від 160–170 °C у зоні паровпуску до 40–65 °C в області останніх ступенів. Під час холодного пуску виявлено значну нестаціонарність: у період поштовху ротора й набрання обертів спостерігається екстремальний радіальний температурний градієнт, коли зовнішня поверхня нагрівається до 130–150 °C, тоді як внутрішні шари прогріваються лише до 30–40 °C. Зафіксовано суттєве теплове запізнення прогріву осі симетрії валу через масивні геометричні розміри ротора й теплофізичні властивості сталі 25Х1М1ФА. Отримані поля температур і градієнтів слугуватимуть базою для чисельного розрахунку напружено-деформованого стану ротора, оцінки накопиченої пошкоджуваності від малоциклової втоми, а також прогнозування залишкового індивідуального ресурсу енергоблоку.

Ключові слова: теплова електростанція, парова турбіна К-200-130, ротор низького тиску, температура, ресурс, нестаціонарна теплопровідність, тепловий стан.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. СОУ-Н МПЕ 40.17.401:2021. Контроль металу і продовження терміну експлуатації основних елементів котлів, турбін і трубопроводів теплових електростанцій. Типова інструкція. Офіц. вид. Київ: ГРІФРЕ: Міністерство палива та енергетики України, 2021. 214 с.
2. Li H., Xiao S., Sun M., Zheng Y., Xu Y., Mi K., Zhang F. Life damage evaluation of 600MW supercritical condensing steam turbine rotor under start-up schedule. Journal of Physics: Conference Series. 2025. Vol. 3086. Article 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/3086/1/012004.
3. Mazur Z., Herna´ndez-Rossette A., Garci´a-Illesoas R. L-0 blades failure investigation of a 110 MW geothermal turbine. Proceedings of the ASME 2006 Power Conference (Atlanta, Georgia, USA, May 2–4, 2006). Paper no. POWER2006-88024. P. 281–289. https://doi.org/10.1115/POWER2006-88024.
4. Suzuki T., Matsuura T., Sakuma A., Kodama H., Takagi K., Curtis A. Recent upgrading and life extension technologies for existing steam turbines. Proceedings of the ASME 2005 Power Conference (Chicago, Illinois, USA, April 5–7, 2005). 2005. Paper no. PWR2005-50342. P. 577–582. https://doi.org/10.1115/PWR2005-50342.
5. Balitskii A. I., Syrotyuk A. M., Havrilyuk M. R., Balitska V. O., Kolesnikov V. O., Ivaskevych L. M. Hydrogen cooling of turbo aggregates and the problem of rotor shafts materials degradation evaluation. Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 23. Article 7851. https://doi.org/10.3390/en16237851.
6. Gharehbaghi H., Aghaei M. Investigation of creep-fatigue interaction in steam turbine rotor. Forces in Mechanics. 2025. Vol. 19. Article 100314. https://doi.org/10.1016/j.finmec.2025.100314.
7. Chernousenko O., Rindyuk D., Peshko V. Research on residual service life of automatic locking valve of turbine K-200-130. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 5. No. 8 (89). P. 39–44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112284.
8. Chernousenko O., Peshko V., Rindyuk D. The system for planning cost-efficient and resource-saving operating modes of TPP. In: Altenbach H., et al. Advances in Mechanical and Power Engineering. CAMPE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, 2023. P. 88–97. https://doi.org/10.1007/978-3-031-18487-1_9.
9. Chernousenko O., Rindyuk D., Peshko V. Technical assessment of district heating pipelines under variable thermal loads with consideration of installation deformations. Theory and Building Practice. 2025. Vol. 7. No. 2. P. 1–10. https://doi.org/10.23939/jtbp2025.02.001.
10. Chernousenko O. Yu., Peshko V. A., Ryndiuk D. V. Determination of the thermal and stress-strain state of the medium-pressure rotor of the T-100/120-130 turbine after damage to the blades. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2024. Vol. 27. No. 2. P. 6–17. https://doi.org/10.15407/pmach2024.02.006.
11. Визначення розрахункового ресурсу та оцінка живучості роторів і корпусних деталей турбін. Методичні вказівки: СОУ- Н МЕВ 40.1–21677681– 52:2011 / М. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровський, Ю. І. Матюхін, І. І. Мележик, О. В. Пожидаєв. Київ: ОЕП «ГРІФРЕ»: М-во енергетики та вугільної пром-сті України, 2011. 42 с.

Надійшла до редакції 22.08.2026
Прийнята 02.09.2026
Опублікована 30.09.2026