РОЗРАХУНКОВЕ ПРОГНОЗУВАННЯ ТЕРМОМІЦНОСТІ ТА РЕСУРСУ ЕЛЕМЕНТІВ ПАРОВИХ ТУРБІН

Автори

М. Г. Шульженко, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: shulzh@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-1386-0988

П. П. Гонтаровський, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: gontarovskijpavel@gmail.com

Н. Г. Гармаш, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: garm.nataly@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4890-8152

І. І. Мележик, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: melezhyk81@gmail.com, ORCID: 000-0002-8968-5581

Анотація

Ефективна і надійна робота енергетичних агрегатів тісно пов’язана із забезпеченням термоміцності й довговічності їх елементів і вузлів. Потреби сучасного енергоринку призводять до експлуатації обладнання на змінних режимах, що викликає прискорене спрацювання його ресурсу. Проблема продовження ресурсу енергомашин набуває все більшого значення у зв’язку з тим, що процеси старіння обладнання випереджають темпи його заміни. Тому для забепечення надійної експлуатації енергетичних агрегатів важливе значення має розрахункова оцінка термоміцності й довговічності їхніх елементів ,що грунтується на застосуванні нових методик і розрахункових моделей з урахуванням ряду важливих факторів (пошкоджуваність, неоднорідність властивостей матеріалу, контактність взаємодій, наявність тріщин, вплив нестаціонарних температурних полів і т.д.). У роботі наведено огляд методичного і програмного забезпечення та результатів розрахункових досліджень термоміцності, ресурсу й тріщиностійкості елементів парових турбін, які виконані в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України протягом останніх 15 років. Розрахункова оцінка ресурсу елементів і вузлів енергомашин та обґрунтування можливості його продовження проводилися в рамках розробленого авторами нормативного документа для визначення розрахункового ресурсу й живучості роторів і корпусних деталей турбін з більш обґрунтованими коефіцієнтами запасу. Розроблене методичне забезпечення дозволило провести розрахунки елементів парових турбін у нових уточнених постановках з урахуванням особливостей реальних умов експлуатації. Розроблена комп’ютеризована система діагностування термонапруженого стану та спрацювання ресурсу високотемпературних роторів парових турбін, враховуючи реальні режими роботи турбоагрегатів, одержані на основі параметрів автоматичної системи керування технологічними процесами, дозволяє більш точно оцінити час їхньої безаварійної експлуатації. Наведено постановки та короткий аналіз результатів розглянутих задач термоміцності й ресурсу елементів турбін.

Ключові слова: розрахункове прогнозування, термоміцність, ресурс, тріщиностійкість, елементи парових турбін

Література

1. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Зайцев Б. Ф. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергоагрегатов (модели, методы, результаты исследований): моногр. Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2011. 370 c.
2. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Протасова Т. В. Применение полуаналитического метода конечных элементов для решения трехмерных задач термомеханики в цилиндрических координатах. Вестн. НТУ «ХПИ». Серия: Динамика и прочность машин. 2005. Вып. 20. C. 151–160.
3. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Матюхин Ю. И. Оценка длительной прочности роторов паровых турбин на основе анализа рассеянных повреждений. Проблемы машиностроения. 2007. Т. 10. № 4. С. 71–80.
4. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Пожидаев А. В., Мамонтов Н. И. Расчетная оценка остаточного ресурса роторов и корпусов паровых турбин. Энергетика и электрификация. 2006. № 12. С. 41–51.
5. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Мележик И. И. Оценка живучести высокотемпературных элементов турбомашин с трещинами. Вестн. НТУ «ХПИ». Серия: Динамика и прочность машин. 2004. Вып. 19. C. 153–160.
6. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Мележик И. И. Расчет трещиностойкости элементов конструкций методом конечных элементов. Вестн. НТУ «ХПИ». Серия: Динамика и прочность машин. 2005. Вып. 21. C. 127–132.
7. Shulzhenko M. G., Gontarovskyi P. P., Garmash N. G., Melezhyk I. I., Protasova T. V. Thermostressed state and crack growth resistance of rotors of the NPP turbine K-1000-60/1500. Strength of Materials. 2010. Vol. 42. Iss. 1. P. 114–119. https://doi.org/10.1007/s11223-010-9197-1
8. Шульженко М., Гонтаровський П., Гармаш Н., Мележик І. Розрахункове оцінювання розвитку тріщини при циклічному навантаженні з використанням параметрів розсіяних пошкоджень. Вісн. Терноп. нац. техн. ун-ту. 2013. № 3 (71). С. 197–204.
9. Подгорный А. Н., Гонтаровский П. П., Киркач Б. Н., Матюхин Ю. И., Хавин Г. Л. Задачи контактного взаимодействия элементов конструкций. Киев: Наук. думка, 1989. 232 с.
10. Гармаш Н. Г. Моделирование термонапряженной посадки турбинного диска на вал. Вестн. НТУ «ХПИ». Серия: Новые решения в современных технологиях. 1999. Вып. 47. С. 13–15.
11. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Матюхин Ю. И. Развитие расчетных моделей роторов турбомашин для оценки их термонапряженного и вибрационного состояний. Вибрации в технике и технологиях. 2001. № 4 (20). С. 66–69.
12. Шлыков Ю. П., Ганин Б. А., Царевский С. Н. Контактное термическое сопротивление. М: Энергия, 1977. 328 с.
13. Гармаш Н. Г., Гонтаровский В. П. Напряженное состояние замкового соединения лопаток газовой турбины в рамках термоконтактной задачи. Проблемы машиностроения. 2001. Т. 4. № 3–4. С. 66–69.
14. Мележик И. И., Гонтаровский П. П., Шульженко Н. Г. Оценка влияния влажно-паровой среды на кинетику трещин в сосудах энергооборудования. Вестн. двигателестроения. 2011. № 2. С. 175–178.
15. Шульженко М., Гонтаровський П., Мележик І. Оцінювання впливу агресивного середовища на кінетику тріщин в елементах енергообладнання. Машинознавство. 2011. № 3–4 (165–166). С. 45–49.
16. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Гармаш Н. Г., Мележик И. И. Оценка развития трещины при многорежимном циклическом нагружении на основе анализа рассеянных повреждений материала. Проблемы машиностроения. 2015. Т. 18. № 4/2. С. 54–58.
17. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Гармаш Н. Г., Мележик І. І. Оцінка розвитку тріщини при циклічному навантаженні пластинчатих елементів із використанням параметрів розсіяних пошкоджень матеріалу. Вісн. НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. 2017. № 9 (1231). С. 41–44. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2017.09.06
18. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Гармаш Н. Г., Мележик І. І. Розрахункова оцінка розвитку тріщини з контактуючими берегами в плоских елементах конструкцій. Вісн. Запоріз. нац. ун-ту. Фізико-математичні науки. 2017. № 1. С. 365–373.
19. Гонтаровский П. П., Шульженко Н. Г., Гармаш Н. Г., Мележик И. И. Моделирование роста кольцевой трещины в цилиндрическом элементе конструкции при циклическом нагружении. Вісн. НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. 2018. № 12 (1288). С. 62–66. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2018.12.11
20. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Матюхін Ю. І., Мележик І. І., Пожидаєв О. В. Визначення розрахункового ресурсу та оцінка живучості роторів і корпусних деталей турбін. Методичні вказівки: СОУ- Н МЕВ 40.1–21677681– 52:2011. К.: ОЕП «ГРІФРЕ»: М-во енергетики та вугільної пром-сті України, 2011. 42 с.
21. Shulzhenko N. G., Gontarovskii P. P., Matyukhin Yu. I., Garmash G. Numerical analysis of the long-term strength of the rotor disks of steam turbines. Strength of Materials. 2010. Vol. 42. Iss. 4. P. 418–425. https://doi.org/10.1007/s11223-010-9232-2
22. Шульженко Н. Г., Пожидаев А. В., Глядя А. А., Дедов В. Г. Расчетная оценка остаточного ресурса роторов высокого и среднего давления турбин К-300-240 ХТГЗ ст. № 1–4 Запорожской ТЭС. Проблемы машиностроения. 2004. Т. 7. № 4. С. 3–11.
23. Шульженко М. Г., Матюхін Ю. І., Гармаш Н. Г., Пожидаєв О. В., Гонтаровський В. П. Методика оперативної оцінки пошкодженості матеріалу ротора турбіни при циклічному навантаженні і повзучості. Проблемы машиностроения. 2011. Т. 14. № 5. С. 46–52.
24. Шульженко Н. Г., Матюхин Ю. И., Гонтаровский В. П. О длительной прочности высокотемпературной зоны осевого канала роторов паровых турбин. Проблемы машиностроения. 2002. Т. 5. № 1. С. 9–16.
25. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Матюхин Ю. И. Ресурс диска паровой турбины с начальными дефектами в области разгрузочных отверстий при ползучести. Проблемы машиностроения. 2015. Т. 18. № 2. С. 3–10.
26. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Протасова Т. В. Влияние тепловых канавок на деформацию цельнокованого ротора при местных неосесимметричных перегревах. Проблемы машиностроения. 2006. Т. 9. № 4. С. 84–89.
27. Shul’zhenko N. G., Gontarovskii P. P., Protasovsa T. V. Influence of the circumferential non-uniformity in the material mechanical properties on the deformation of the rotors of power-generating units. Strength of Materials. 2014. Vol. 46. Iss. 4. P. 483–492. https://doi.org/10.1007/s11223-014-9573-3
28. Шульженко Н. Г., Матюхин Ю. И., Гонтаровский П. П., Гришин Н. Н. Оценка разрушающего числа оборотов ротора турбоагрегата АЭС. Проблемы машиностроения. 2004. Т. 7. № 1. С. 55–60.
29. Мележик И. И., Гонтаровский П. П., Шульженко Н. Г. Расчетная оценка трещиностойкости грибовидного замкового соединения лопатки с диском паровой турбины. Физические и компьютерные технологии: тр. 14-й междунар. науч.-техн. конф. Харьков: Харьк. машиностроит. завод «ФЭД». 2008. С. 478–481.
30. Гецов Л. Б., Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П. Мележик И. И. Оценка трещиностойкости многоопорных замковых соединений лопаток газотурбинной установки ГТК-10-4. Прочность материалов и ресурс элементов энергооборудования. Труды НПО ЦКТИ. 2009. Вып. 296. С. 355–363.
31. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Матюхин Ю. И., Гармаш Н. Г. Анализ формоизменения высокотемпературной части корпуса турбины после длительной эксплуатации. Проблемы машиностроения. 2008. Т. 11. № 3. С. 15–23.
32. Зайцев Б. Ф., Шульженко Н. Г., Асаенок А. В. Напряженно-деформированное состояние и контактные явления в опирании диафрагмы паровой турбины. Проблемы машиностроения. 2006. Т. 9. № 3. С. 35–45.
33. Shulzhenko N. G., Zaitsev B. F., Asaenok A. V., Protasova T. V. Deformation and vibration-induced stress intensity of a high-temperature turbine rotor with a breathing transverse crack. Strength of Materials. 2017. Vol. 49. Iss. 6. P. 751–759. https://doi.org/10.1007/s11223-018-9920-x
34. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Матюхін Ю. І., Гармаш Н. Г., Гонтаровський В. П. Система діагностики термонапруженого стану і спрацювання ресурсу ротора високого тиску турбіни Т-250/300-240 на стаціонарних та змінних режимах роботи. Проблемы машиностроения. 2013. Т. 16. № 6. С. 8–14.
35. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Матюхин Ю. И., Гармаш Н. Г., Гонтаровский В. П. Автоматизированная оценка срабатывания ресурса высокотемпературного ротора турбины. Вісн. НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплофізичні процеси й устаткування. 2014. № 13 (1056). С. 39–45.
36. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Гармаш Н. Г., Ефремов Ю. Г. Диагностирование термонапряженного состояния и оценка срабатывания ресурса роторов высокого и среднего давления турбины Т-250/300-240. Вісн. НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. 2015. № 16 (1125). С. 32–37. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2015.16.05
37. Шульженко Н. Г., Гармаш Н. Г., Гонтаровский В. П. Оценка щадящих режимов эксплуатации по термонапряженному состоянию высокотемпературного ротора. Авиац.-косм. техника и технология. 2012. № 8 (95). С. 160–164.
38. Shulzhenko N. G., Gontarovskii P. P., Garmash N. G., Grishin N. N. Torsional vibrations and damageability of turboset shaftings under extraordinary generator loading. Strength of Materials. 2015. Vol. 47. Iss. 2. P. 227–234. https://doi.org/10.1007/s11223-015-9652-0

Надійшла до редакції 23 травня 2018 р.