Дослідження термоміцності діафрагм парової турбіни при зменшенні осьових габаритів

Автори

Б. П. Зайцев, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: b.zajtsev@gmail.com, ORCID: 0000-0003-2411-0370

В. Л. Швецов, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: shvetsov@turboatom.com.ua, ORCID: 0000-0002-2384-1780

О. М. Губський, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199)

С. А. Пальков, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: sergpalkov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-2215-0689

Т. В. Протасова, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: tatyprotasova@gmail.com, ORCID: 0000-0003-1489-2081

Анотація

Постановка задачі зменшення осьових габаритів діафрагм парових турбін пов’язана з проблемою їхньої модернізації, що виконується шляхом збільшення кількості ступенів з реактивним облопаченням та використанням існуючих фундаментів. Оцінку придатності варіантів конструкцій діафрагм з встановленими характеристиками потоку пари проведено з обмеженнями на виконання умов короткочасної та довготривалої міцності, а також накопичення осьових прогинів внаслідок повзучості. Для розрахункових досліджень запроваджено методологію, що використовує метод скінченних елементів та деформаційну теорію повзучості старіння Ю. М. Работнова. Розрахунок повзучості зведено до розв’язання пружно-пластичної задачі з діаграмою деформування, яку подано ізохронною кривою повзучості для вибраного часу. Використано програмне забезпечення, де передбачено автоматизацію побудови вихідної комп’ютерної моделі діафрагми з залученням креслень профілю напрямних лопаток, осьових перерізів тіла і обода та декількох геометричних параметрів. Розрахункова модель зварної діафрагми відтворює основні суттєві особливості її конструкції, властивостей матеріалів її елементів та навантаження парою. Пошукові дослідження діафрагм зі зменшеними осьовими розмірами проведено на прикладі діафрагм 2-го та 3-го ступенів циліндра високого тиску парової турбіни К-325-23,5. Вихідні конструкції 2-го та 3-го ступенів розглянуто як базові, по відношенню до яких за параметрами міцності і жорсткості співставлялись конструкції діафрагм, які вважалися за альтернативні. Отримано розрахункові дані для базових варіантів конструкції діафрагм для часу експлуатації 100 тисяч годин. Згідно з розрахунками максимальні прогини досягаються на краях діафрагми, а напруження, що є максимальними в місцях кріплення лопаток до обода і тіла, зазнають значного перерозподілу через повзучість. Задіяно різні підходи до зменшення осьових габаритів конструкції діафрагми 2-го ступеня циліндра високого тиску. При першому підході зменшення габаритів досягнуто пропорційним зменшенням профілю напрямних лопаток з відповідним збільшенням їх кількості. При другому – профіль залишився незмінним, але зменшено осьові розміри тіла і обода діафрагми. Досліджено параметри міцності в пружному стані на початку експлуатації і в умовах повзучості, а також накопичення осьових прогинів. На підставі порівнянь з базовою конструкцією встановлено, що більш дієвим є другий підхід. Наведено додаткові рекомендації щодо використання більш жароміцних сталей в крайніх напрямних лопатках та умов кріплення діафрагм в корпусі турбіни.

Ключові слова: парова турбіна, діафрагма, осьові габарити, повзучість, осьовий прогин, короткочасна і довготривала міцність.

Повний текст: завантажити PDF

Література

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.

Надійшла до редакції 22 березня 2021 р.