Исследование термопрочности диафрагм паровой турбины при уменьшении осевых габаритов

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.02.037
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 24, № 2, 2021 (июнь)
Страницы 37–49

 

Авторы

Б. Ф. Зайцев, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: b.zajtsev@gmail.com, ORCID: 0000-0003-2411-0370

В. Л. Швецов, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: shvetsov@turboatom.com.ua, ORCID: 0000-0002-2384-1780

А. Н. Губский, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199)

С. А. Пальков, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: sergpalkov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-2215-0689

Т. В. Протасова, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: tatyprotasova@gmail.com, ORCID: 0000-0003-1489-2081

 

Аннотация

Постановка задачи уменьшения осевых габаритов диафрагм паровых турбин связана с проблемой их модернизации, которая выполняется путем увеличения количества ступеней с реактивным облопачиванием и использованием существующих фундаментов. Оценка пригодности вариантов конструкций диафрагм с установленными характеристиками потока пара проведена с ограничениями на выполнение условий кратковременной и длительной прочности, а также накопления осевых прогибов вследствие ползучести. Для расчетных исследований принята методология, использующая метод конечных элементов и деформационную теорию ползучести старения Ю. Н. Работнова. Расчет ползучести сведен к решению упруго-пластической задачи с диаграммой деформирования, представленной изохронной кривой ползучести для выбранного времени. Использовано программное обеспечение, предусматривающее автоматизацию построения исходной компьютерной модели диафрагмы с привлечением чертежей профиля направляющих лопаток, осевых сечений тела и обода и нескольких геометрических параметров. Расчетная модель сварной диафрагмы отображает основные существенные особенности ее конструкции, свойств материалов ее элементов и нагружения паром. Поисковые исследования диафрагм с уменьшенными осевыми размерами выполнены на примере диафрагм 2-й и 3-й ступеней цилиндра высокого давления паровой турбины К-325-23,5. Исходные конструкции 2-й и 3-й ступеней рассмотрены как базовые, по отношению к которым по параметрам прочности и жесткости сопоставлялись конструкции диафрагм, которые считались альтернативными. Получены расчетные данные для базовых вариантов конструкции диафрагм для времени эксплуатации 100 тысяч часов. Согласно расчетам максимальные прогибы достигаются на краях диафрагмы, а напряжения, максимальные в местах крепления лопаток к ободу и телу, претерпевают значительное перераспределение из-за ползучести. Задействованы различные подходы к уменьшению осевых габаритов конструкции диафрагмы 2-й ступени цилиндра высокого давления. При первом подходе уменьшение габаритов достигнуто пропорциональным уменьшением профиля направляющих лопаток с соответствующим увеличением их количества. При втором – профиль оставался неизменным, но уменьшены осевые размеры тела и обода диафрагмы. Исследованы параметры прочности в упругом состоянии в начале эксплуатации и в условиях ползучести, а также накопление осевых прогибов. На основании сравнений с базовой конструкцией установлено, что более действенным является второй подход. Приведены дополнительные рекомендации по использованию более жаропрочных сталей в крайних направляющих лопатках и условий крепления диафрагм в корпусе турбины.

 

Ключевые слова: паровая турбина, диафрагма, осевые габариты, ползучесть, осевой прогиб, кратковременная и длительная прочность.

 

Литература

  1. Прочность паровых турбин / под ред. Л. А. Шубенко-Шубина. М.: Машиностроение, 1973. 456 с.
  2. Taylor V. L. Stress and deflection tests of steam-turbine diaphragm. Trans. ASME. 1951. No. 7. P. 877–890.
  3. Наумов В. К. Расчет диафрагм паровых и газовых турбин. Исследования элементов паровых и газовых турбин и осевых компрессоров. Л.: Машгиз, 1960. С. 310–312.
  4. Сенцов Н. Д. О некоторых результатах исследования прогибов и напряжений в сварных диафрагмах паровых турбин. Энергомашиностроение. 1958. № 8. С. 6–11.
  5. Ингульцов В. Л. Расчет диафрагмы как полукольца на упругом опорном контуре. Энергомашиностроение. 1961. № 11. С. 1–5.
  6. Кулагина Г. Ф. Экспериментальное исследование напряжений и прогибов диафрагм. Исследование элементов паровых и газовых турбин и осевых компрессоров. Л.: Машгиз, 1960. С. 333–346.
  7. Зайцев Б. Ф., Шульженко Н. Г., Асаенок А. В. Напряженно-деформированное состояние и контактные явления в опирании диафрагмы паровой турбины. Пробл. машиностроения. 2006. Т. 3. № 3. С. 35–45.
  8. Розенблюм В. И. Расчет ползучести турбинных диафрагм ступеней высокого давления. Инж. сб. 1954. Т. 20. С. 49–54.
  9. Цейтлин И. З. Расчет ползучести диафрагм паровых турбин. Энергомашиностроение. 1974. № 12. С. 6–11.
  10. Виноградов Н. Н. Исследование ползучести натурных диафрагм мощных паровых турбин. Тепловые напряжения в элементах конструкций. 1970. Вып. 10. С. 35–43.
  11. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.
  12. Турбины паровые стационарные. Нормы расчета на прочность корпусов цилиндров и клапанов: ОСТ 108.020.132-85. М.: Мин-во энерг. машиностроения, 1986. 31 с.
  13. Shul’zhenko N. G., Zaitsev B. F., Asaenok A. V., Grishin N. N., Gubskii A. N. Creep of steam-turbine diaphragm under variable loading conditions. Strength Materials. 2016. Vol. 48. Iss. 6. P. 733–739. https://doi.org/10.1007/s11223-017-9819-y.
  14. Шабров Н. Н., Знаменская М. В. Расчет диафрагмы паровой турбины методом суперэлементов. Тр. Центр. котлотурбин. ин-та. 1991. № 265. С. 43–47.
  15. Shulzhenko N. G., Asaenok A. V., Zaitsev B. F., Grishin N. N., Gubskii A. N. Creep analysis of steam turbine welded diaphragm. Strength Materials. 2012. Vol. 44. Iss. 4. P. 419–428. https://doi.org/10.1007/s11223-012-9396-z.
  16. Шахматов М. В., Шахматов Д. М. Прочность механически неоднородных сварных соединений. Челябинск: ООО «ЦПС Сварка и контроль», 2009. 223 с.
  17. Винокуров В. А., Куркин С. А., Николаев Г. А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. М.: Машиностроение, 1996. 576 с.
  18. Диафрагмы паровых стационарных турбин. Расчеты на прочность. ОСТ 108.210.01-86. М.: Мин-во энерг. машиностроения, НПО Центр. котлотурбин. ин-т, 1987. 39 с.

 

Поступила в редакцию 22 марта 2021 г.