Усовершенствованная методика расчетов напряженно-деформированного состояния и частотных характеристик рабочих лопаток паровых турбин

Паротурбинные энергетические установки, работающие на органическом или ядерном топливе, являются основой современной энергетики. В настоящее время в эксплуатации на электростанциях находятся паровые турбины различной мощности от 25 МВт до 1200 МВт, спроектированные на параметры пара от низких (давление 4−6 МПа, температура 250−300°С) до сверхкритических параметров (давление 24−30 МПа, температура 560−650°С). Широкое применение паровые турбины находят в судовых паротурбинных установках, используются в качестве приводов и т. д.

Одним из основных элементов конструкции турбины является лопаточный аппарат. Конструкция лопаток в значительной мере влияет на экономичность работы турбоустановки и ее мощность. Особенно это относится к рабочим лопаткам последних ступеней ЦНД, работающим в условиях предельных нагрузок. Например, центробежная сила лопатки длиной 1200 миллиметров, изготовленной из титанового сплава, составляет около 200 тонн, а линейная скорость на периферии достигает 660м/с. Помимо высоких статических нагрузок, большое значение имеют динамические напряжения, которые могут быть очень опасны в случае возникновения резонанса. Поэтому вибрационная отстройка лопаток является одним из необходимых условий их надежной работы.

По статистике, около трети всех отказов в турбомашинах возникают из-за поломок рабочих лопаток, а изменение на 5−10% собственных частот колебаний рабочих лопаток полностью меняет вибрационное состояние облопаченного диска и может привести к разрушению ступени.

Традиционными подходами, используемыми при расчете лопаток, являются методики, основанные на соотношениях теории стержней. К основным недостаткам этих методов следует отнести использование упрощенных моделей рабочих лопаток и введение различного рода допущений в расчетные схемы, приводящие к дополнительным погрешностям вычислений. Дополнительные трудности создает отсутствие единой методики для расчета всех рабочих лопаток, от коротких лопаток первых ступеней цилиндра высокого давления до лопаток предельной длины последних ступеней, а также необходимость учета контактных взаимодействий и нелинейных свойств материалов.

Таким образом, традиционно используемые методы расчета в силу своих недостатков и ограничений не позволяют предсказать с необходимой точностью частотные характеристики на этапе проектирования. На практике вибрационная настройка всегда была сопряжена с большими трудностями и осуществлялась в основном экспериментально. Поэтому внедрение новых, более точных расчетных методов в процесс проектирования рабочих лопаток, является актуальной научно-технической задачей, которой и посвящена настоящая диссертационная работа.

Альтернативным методом расчетов, свободным от перечисленных недостатков традиционных подходов, является метод конечных элементов (МКЭ). Однако, несмотря на все известные преимущества решения задачи с помощью МКЭ в трехмерной постановке, точность расчета частотных характеристик полностью зависит от поставленных граничных условий, то есть от корректного описания физических взаимодействий в системе диск-лопатка и между соседними лопатками облопаченного диска.

Стандартные граничные условия, используемые в МКЭ, а именно ограничение степеней свободы, накладываемые на узлы контактирующих поверхностей, существенно повышают жесткость системы и не всегда адекватно описывают контактные взаимодействия различных элементов конструкции. Помимо этого, необходимо также учитывать то, что условия закрепления не являются чем-то постоянным, а могут изменяться в процессе работы турбины. Таким образом, основной проблемой, затрудняющей точное определение частотных характеристик рабочих лопаток паровых турбин, является существенная неопределенность в постановке граничных условий.

Целью работа является усовершенствование методики расчета напряженно-деформированного состояния и частотных характеристик рабочих лопаток паровых турбин на основе метода конечных элементов.

Основу методики составляют разработанный метод постановки граничных условий для конечно-элементных моделей лопаток и расчеты напряженно-деформированного состояния лопаток в случаях, требующих нелинейного анализа конструкций. Проводится анализ и сравнение различных конструкций рабочих лопаток.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, в которое вынесены не включенные в основные главы результаты расчетов.

В первой главе дается обзор традиционных методов расчета рабочих лопаток паровых турбин на основе стержневой теории. У каждого из этих методов есть свои области применимости, свои принятые допущения и соответствующие погрешности вычислений. Далее формулируется необходимость перехода от существующих методик, использующих соотношения стержневой теории, к методу конечных элементов и рассматривается сам метод применительно к решению задач определения напряженно-деформированного состояния рабочих лопаток и частотных характеристик.

Во второй главе сформулированы основные положения предложенной методики расчета рабочих лопаток паровых турбин применительно к отдельным лопаткам без связей. В этом случае рассматривается система лопатка-диск и для каждого из трех основных типов конструкций хвостовиков, используемых на ЛМЗ, формируются граничные условия и анализируется особенности их напряженно-деформированного состояния и влияние на частотные характеристики.

Третья глава посвящена расширению описанной в предыдущей главе методики постановки граничных условий на класс лопаток, замкнутых на круг различного рода связями.

Самым широким классом конструкций рабочих лопаток паровых турбин являются лопатки, объединенные между собой различного рода связями, причем большая часть приходится на лопатки, замкнутые на круг. В качестве таких связей выступают демпферные и паяные проволочные связи, цельнофрезерованные бандажи со вставками и без вставок, а также другие варианты конструкций связей, с помощью которых лопатки объединяются в пакеты или замыкаются на круг (т.е. образовывают кольцевую замкнутую систему). В этой главе представлены основные типы связей, применяющиеся для соединения рабочих лопаток паровых турбин АО «ЛМЗ», и граничные условия, описывающие физические взаимодействия в связях и лопатках. Проводится сравнение результатов расчетов по предложенной методике с результатами, полученными с использованием стержневой теории, а также с экспериментальными данными.

В четвертой главе приведены результаты расчетных исследований напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки с учетом нелинейных свойств материала и контактных взаимодействий.

Заключение

содержит основные результаты выполненной работы и вытекающие из нее выводы и рекомендации.

Достоверность предложенной методики подтверждена результатами экспериментальных исследований по определению частотных характеристик отдельных лопаток и облопаченных дисков, которые проводились в АО «ЛМЗ» на установке вибрационной настройки УВН-2.

С точки зрения практической значимости, применение усовершенствованной методики расчета рабочих лопаток паровых турбин позволяет повысить эффективность процесса проектирования новых лопаток и модификации используемых конструкций. Увеличивается точность проводимых расчетов, уменьшается время, затраченное на этапы проектирования и настройки рабочих лопаток.

Методика применена при проектировании новой конструкции бандажированной рабочей лопатки длиной 610 мм. Расчетные значения собственных частот, полученные на этапе проектирования лопатки, практически совпали с результатами эксперимента, т. е. дополнительной отстройки не понадобилось вообще.

На основе расчетных исследований разработаны мероприятия по модификации конструкции рабочих лопаток турбин К-100−90−5 ТЭС «Нейвели» (Индия), К-225−12.8−3 ТЭС «Минтия-Дева» (Румыния) — К-165−130 ТЭС «Марица-Восток» (Болгария) — К-1000−60/3000 АЭС «Бушер» (Иран) — К-255−160 ТЭС «Алхольма» (Финляндия) — К-110−140 ТЭС «Вояны» (Словакия) и др.

Заключение

.

По результатам выполненной диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. На базе экспериментальных и расчетных исследований разработана методика постановки граничных условий для различных конструкций рабочих лопаток.

2. Смоделированы граничные условия для основных типов конструкций рабочих лопаток паровых турбин (применяемых на АО «ЛМЗ»), описывающие физические взаимодействия между контактирующими частями рабочих лопаток и дисков.

3. Применение методики расчета рабочих лопаток паровых турбин позволяет повысить эффективность процесса проектирования новых лопаток и модификации используемых конструкций. Увеличивается точность проводимых расчетов, уменьшается время, затраченное на этапы проектирования и настройки рабочих лопаток.

4. Разработанная методика применялась при проектировании новой лопатки длиной 610 мм (2-ая ступень ЦНД турбины К-165−130 ТЭС «Марица-Восток» (Болгария)) и ряде модернизаций существующих конструкций лопаток 3-ей ступени ЦНД К-100−90−5 ТЭС «Нейвели» (Индия), 12-ой ступени ЦСД и 1 -ой ступени ЦНД К-225−12.8−3 ТЭС «Минтия-Дева» (Румыния), последней ступени ЦНД К-165−130 ТЭС «Марица-Восток» (Болгария), 5-ой ступени ЦВД К-1000−60/3000 АЭС «Бушер» (Иран), 11-ой ступени ЦСД турбины К-255−160 ТЭС «Алхольма» (Финляндия), 4-ой ступени ЦНД К-110−140 ТЭС «Вояны» (Словакия)и др.

5. На основании расчетов напряженно-деформированного состояния рабочих лопаток, с учетом нелинейного поведения материала, определены допустимые пределы отклонений механических свойств материалов и предельные величины технологических допусков на изготовление рабочих лопаток, при соблюдении которых обеспечивается надежная работа.

6. Предложенная методика апробирована при проведении расчетов частотных характеристик рабочих лопаток паровых турбин и подтверждена результатами экспериментальных исследований в Кемпбелл машине.

7. Разработанная методика расчета рабочих лопаток паровых турбин внедрена и используется в повседневной практике расчетов в акционерном обществе «Ленинградский Металлический Завод» .