Розрахункове прогнозування термоміцності та ресурсу елементів парових турбін

Автор(и)

  • Nikolay G. Shulzhenko Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), Україна
  • Pavel P. Gontarovskiy Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), Україна
  • Nataliya G. Garmash Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), Україна
  • Irina I. Melezhik Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), Україна

Ключові слова:

розрахункове прогнозування, термоміцність, ресурс, тріщиностійкість, елементи парових турбін

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.

Біографії авторів

Nikolay G. Shulzhenko, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10)

Доктор технічних наук

Pavel P. Gontarovskiy, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10)

Кандидат технічних наук

Nataliya G. Garmash, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10)

Кандидат технічних наук

Irina I. Melezhik, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10)

Кандидат технічних наук

Посилання

Shulzhenko, M.G., Gontarovskiy, P.P. & Zajtsev, B.Ph. (2011). Zadachi termoprochnosti, vibrodiagnostiki i resursa energoagregatov (modeli, metody, rezul'taty issledovanii): monogr. [Problems of thermal strength, vibrodiagnostics and resource of power units (models, methods, research results): monograph.]Saarbrücken,Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG [in Russian].

Shulzhenko, М.G., Gontarowsky, P.P. & Protasova, T.V. (2004). Primenenie poluanaliticheskogo metoda konechnykh elementov dlya resheniya trekhmernykh zadach termomekhaniki v tsilindricheskikh koordinatakh. [Employing the semi-analytical finite-element method for bodies of rotation thermalsStressed state design]. Vestn. NTU «KhPI». Ser. Dinamika i prochnost mashin [NTU 'KhPI' Bulletin. Series: Dynamics and Strength of Machines], iss. 20, pp. 151–160 [in Russian].

Shul`zhenko, N.G., Gontarovsky, P.P. & Matyukhin, Yu.I. (2007). Otsenka dlitel'noi prochnosti rotorov parovykh turbin na osnove analiza rasseyannykh povrezhdenii [Estimating the long-term strength of steam turbine rotors based on analysing scattered faults] Problemy mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 10, no. 4, pp. 71–80 [in Russian].

Shulzhenko, M.G., Gontarovskiy, P.P., Pozhidaev, А.V. & Mamontov N.I. (2006). Raschetnaya otsenka ostatochnogo resursa rotorov i korpusov parovykh turbin [Estimated evaluation of the residual life of rotors and hulls of steam turbines]. Energetika i elektrifikatsiya [Power and Electrification], no. 12, pp. 41–51 [in Russian].

Shulzhenko, M.G., Gontarowsky, P.P. & Melezhyk, I.I.(2004). Otsenka zhivuchesti vysokotemperaturnykh elementov turbomashin s treshchinami [The technique of estimating the life of high-temperature components of turbomachines with cracks]. Vestn. NTU «KhPI». Ser. Dinamika i prochnost mashin [NTU 'KhPI' Bulletin. Series: Dynamics and Strength of Machines], iss. 19, pp. 153–160 [in Russian].

Shulzhenko, M.G., Gontarowsky, P.P. & Melezhyk, I.I. (2005). Raschet treshchinostoikosti elementov konstruktsii metodom konechnykh elementov [Calculation of two-dimensional structure elements Crack resistance using FEM]. Vestn. NTU «KhPI». Ser. Dinamika i prochnost mashin [NTU 'KhPI' Bulletin. Series: Dynamics and Strength of Machines], iss. 21, pp. 127–132 [in Russian].

Shul’zhenko, M.G., Gontarovskyi, P.P., Garmash, N.G., Melezhyk, I.I. & Protasova, T.V. (2010). Thermostressed state and crack growth resistance of rotors of the NPP turbine K-1000-60/1500. Strength of Materials, vol. 42, iss. 1, pp. 114–119. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-010-9197-1

Shulzhenko, M., Gontarowsky, P., Garmash, N. & Melezhik, I.(2013). Rozrakhunkove otsinyuvannya rozvytku trishchyny pry tsyklichnomu navantazhenni z vykorystannyam parametriv rozsiyanykh poshkodzhen [Computation estimation of the crack development under cyclic loading using dissipated damages parameters]. Visn. Ternop. nats. tekhn. un-tu [Scientific Journal of theTernopilNationalTechnicalUniversity], no. 3(71), pp. 197–204 [in Ukrainian].

Podgorny, A.N., Gontarovskiy, P.P., Kirkach, B.N., Matyukhin, Yu.I. & Havin, G.L. (1989). Zadachi kontaktnogo vzaimodeistviya elementov konstruktsii [Problems of contact interaction of structural elements]. Kyiv: Nauk. dumka [in Russian].

Garmash, N.G. (1999). Modelirovanie termonapryazhennoi posadki turbinnogo diska na val [Modeling of a thermally stressed landing of a turbine disk on a shaft]. Vestn. NTU «KhPI». Novye resheniya v sovremennykh tekhnologiyakh [Vestn. NTU 'KhPI'. New Solutions in Modern Technologies], Kharkiv, iss. 47. pp. 13–15 [in Russian].

Shulzhenko, N.G., Gontarowsky, P.P. & Matyukhin, Y.I. (2001). Razvitie raschetnykh modelei rotorov turbomashin dlya otsenki ikh termonapryazhennogo i vibratsionnogo sostoyanii [Development of design models of turbomachine rotors for evaluating their thermostressed and vibration states]. Vibratsii v tekhnike i tekhnologiyakh [Vibration in engineering and technology], no. 4 (20), pp. 66–69 [in Russian].

Shlykov, Yu.P., Ganin, B.A. & Tsarevsky, S.N. (1977). Kontaktnoe termicheskoe soprotivlenie [Contact thermal resistance].Moscow: Energiya [in Russian].

Garmash, N.G. & Gontarovsky, V.P. (2001). Napryazhennoe sostoyanie zamkovogo soedineniya lopatok gazovoi turbiny v ramkakh termokontaktnoi zadachi [Tension of connection stiffness of vanes of a combustion turbine in the framework of the thermocontact task]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 4, no. 3-4, pp. 66–69 [in Russian].

Melezhyk, I.I., Gontarovsky, P.P. & Shulzhenko, M.G. (2011). Otsenka vliyaniya vlazhno-parovoi sredy na kinetiku treshchin v sosudakh energooborudovaniya [Estimation of influence of wet-steam environment on cracks kinetics in energy equipment vessels]. Vestn. dvigatelestroeniya [Herald of Aeroenginebuilding], no. 2, pp. 175–178 [in Russian].

Shulzhenko, M., Gontarovsky, P. & Melezhyk, I.(2011). Otsinyuvannya vplyvu ahresyvnoho seredovyshcha na kinetyku trishchyn v elementakh enerhoobladnannya [Estimation of influence of a hostile environment on cracks kinetics in power equipment elements]. Mashynoznavstvo [Mechanical Engineering], no. 3–4 (165–166), pp. 45–49 [in Russian].

Shulzhenko, N.G., Gontarovskiy, P.P., Garmash, N.G. & Melezhik, I.I. (2015). Otsenka razvitiya treshchiny pri mnogorezhimnom tsiklicheskom nagruzhenii na osnove analiza rasseyannykh povrezhdenii materiala [Assessment of crack evolution under multi-mode cyclic loading based on material scattered damage analysis]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 18, no. 4/2, pp. 54–58 [in Russian].

Shulzhenko, M., Gontarovskiy, P., Garmash, N. & Melezhyk, I.(2017). Otsinka rozvytku trishchyny pry tsyklichnomu navantazhenni plastynchatykh elementiv iz vykorystannyam parametriv rozsiyanykh poshkodzhen materialu [Evaluation of the crack development at a cyclic loading of plate elements using the parameters of scattered damages of the material]. Visn. NTU «KHPI»: Enerhetychni ta teplotekhnichni protsesy y ustatkuvannya [Bulletin of NTU 'KhPI': Power and Heat Engineering Processes and Equipment], no. 9 (1231), pp. 41–44 [in Ukrainian]. doi: https://doi.org/10.20998/2078-774X.2017.09.06.

Shulzhenko, N.G., Gontarovskiy, P.P., Garmash, N.G. & Melezhyk, І.І. (2017). Rozrakhunkova otsinka rozvytku trishchyny z kontaktuyuchymy berehamy v ploskykh elementakh konstruktsiy [Computation estimation of the crack development with crack edges contact of plane structural elements]. Visn. Zaporiz. nats. un-tu. Fizyko-matematychni nauky [Bulletin of Zaporizhzhya National University. Physical and Mathematical Sciences], no. 1, pp. 365–373 [in Ukrainian].

Shulzhenko, N., Gontarovskiy, P., Garmash, N. & Melezhyk, I.(2018). Modelirovanie rosta kol'tsevoi treshchiny v tsilindricheskom elemente konstruktsii pri tsiklicheskom nagruzhenii [Modeling the growth of the ring crack in the cylindrical elements of the construction under cyclic loading]. Visn. NTU «KHPI». Ser. Enerhetychni ta teplotekhnichni protsesy y ustatkuvannya [Bulletin of NTU 'KhPI'. Series: Power and Heat Engineering Processes and Equipment], no. 12 (1288), pp. 62–66 [in Russian] doi: https://doi.org/10.20998/2078-774X.201812.11.

Shulzhenko, M.G., Gontarovskiy, P.P., Matyukhin, Yu.I., Melezhyk, І.І. & Pozhidaev, А.V. (2011). Vyznachennya rozrakhunkovoho resursu ta otsinka zhyvuchosti rotoriv i korpusnykh detaley turbin [Determination of the calculated resource and evaluation of the viability of the rotors and body parts of the turbines] Methodological guidelines: normative document. SOU-N MEV 0.1–21677681–52:2011: approved by the Ministry of Energy and Coal Mining of Ukraine: effective as of 07.07.11. Kyiv: Ministry of Energy and Coal Mining ofUkraine [in Ukrainian].

Shul’zhenko, N.G, Gontarovskii, P.P., Matyukhin, Yu.I. & Garmash, N.G. (2010). Numerical Analysis of the Long-Term Strength of the Rotor Disks of Steam Turbines. Strength of Materials, vol. 42, iss. 4, pp. 418–425. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-010-9232-2.

Shulzhenko, N.G., Pozhidaev, А.V., Glyadya, А.А. & Dedov, V.G. (2004). Raschetnaya otsenka ostatochnogo resursa rotorov vysokogo i srednego davleniya turbin K-300-240 KhTGZ st. № 1–4 Zaporozhskoi TES [Numeical evaluation of the residual life for high-pressure and intermediate-pressure of the turbines K-300-240 KhTGZ at stage No. 1–4 of the Zaporizhia steam power plant]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 7, no. 4, pp. 3–11 [in Russian].

Shul’zhenko, N. G., Matyukhin, Yu.I., Garmash, N.G., Pozhidaev, A.V. & Gontarovskiy, V.P. (2011). Metodyka operatyvnoyi otsinky poshkodzhenosti materialu rotora turbiny pry tsyklichnomu navantazhenni i povzuchosti [Methodology of operative estimation of damage a material of the turbine rotor at cyclic loading and creep]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 14, no. 5, pp. 17–23 [in Ukrainian].

Shulzhenko, N.G., Matyukhin, Yu.I. & Gontarowsky, V.P. (2002). O dlitelnoi prochnosti vysokotemperaturnoi zony osevogo kanala rotorov parovykh turbin [On the long-term creep strength for steam turbines rotors axial channel high-temperature zone]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 5, no. 1, pp. 9–16 [in Russian].

Shulzhenko, M.G., Gontarovskiy, P.P. & Matiukhin, I.I. (2015). Resurs diska parovoi turbiny s nachal'nymi defektami v oblasti razgruzochnykh otverstii pri polzuchesti [Steam turbine disk resource with initial defects of discharge openings area under creep]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 18, no. 2, pp. 3–10 [in Russian].

Shul`zhenko, N.G., Gontarovsky, P.P. & Protasova, T.V. (2006). Vliyanie teplovykh kanavok na deformatsiyu tsel'nokovanogo rotora pri mestnykh neosesimmetrichnykh peregrevakh [Effect of thermal grooves on strain of the solid-forged rotor at local nonaxisymmetric overheating]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 9, no. 4, pp. 84 – 89 [in Russian].

Shul’zhenko, N.G., Gontarovskii, P.P. & Protasovsa, T.V. (2014). Influence of the Circumferential Non-Uniformity in the Material Mechanical Properties on the Deformation of the Rotors of Power-Generating Units. Strength of materials, vol. 46, iss. 4, pp. 483–492. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-014-9573-3.

Shul`zhenko, N.G., Matyukhin, Yu.I., Gontarowsky, P.P. & Grishin, N.N. (2004). Otsenka razrushayushchego chisla oborotov rotora turboagregata AES [Estimation of destructive rotational speed of nuclear power plant turbo-set rotor]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 7, no. 1, pp. 55–60 [in Russian].

Melezhyk, I.I., Gontarovsky, P.P. & Shulzhenko, M.G. (2008). Raschetnaya otsenka treshchinostoikosti gribovidnogo zamkovogo soedineniya lopatki s diskom parovoi turbiny [A calculation crack resistance estimation of mushroom type root joint of steam turbine]. Physical and computer technologies: Proceedings 14-th international. scientific-techn. Conf. Kharkiv: Kharkiv. Mashinostroyit. factory 'FED', pp. 478–481 [in Russian].

Getsov, L.B., Shulzhenko, N.G., Gontarovsky, P.P. & Melezhyk, I.I. (2009). Otsenka treshchinostoikosti mnogoopornykh zamkovykh soedinenii lopatok gazoturbinnoi ustanovki GTK-10-4 [Evaluation of the crack resistance of multi-pivot lock joints in the blades of a GTK-10-4 gas turbine unit]. Strength of materials and life of elements of power equipment. Tr NPO CKTI.St. Petersburg, iss. 296, pp. 355 – 363 [in Russian].

Shulzhenko, N.G., Gontarowsky, P.P., Matyukhin, Yu.I. & Garmash, N.G. (2008). Analiz formoizmeneniya vysokotemperaturnoi chasti korpusa turbiny posle dlitel'noi ekspluatatsii [Analysis of forming of the high-temperature part of the turbine case after long-term operation]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 11, no. 3, pp. 15–23 [in Russian].

Zaitsev, B.F., Shul`zhenko, N.G. & Asaienok, А.V. (2006). Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie i kontaktnye yavleniya v opiranii diafragmy parovoi turbiny [Stress-strained state and contact phenomena in the bearing of a steam turbine diaphragm]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 9, no. 3, pp. 35–45 [in Russian].

Shul’zhenko, N.G., Zaitsev, B.F., Asaenok, A.V. & Protasova, T.V. (2017). Deformation and vibration-induced stress intensity of a high-temperature turbine rotor with a breathing transverse crack. Strength of Materials, vol. 49, iss. 6, pp. 751–759. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-018-9920-x.

Shulzhenko, M., Gontarowsky, P., Matyukhin, J., Garmach, N. & Gontarowsky, V. (2013). Systema diahnostyky termonapruzhenoho stanu i spratsyuvannya resursu rotora vysokoho tysku turbiny T-250/300-240 na statsionarnykh ta zminnykh rezhymakh roboty [The system of diagnostic of a thermostressed state and operation of a resource for a rotor of a high pressure of turbine T-250/300-240 on stationary and variable operating modes]. Problemy Mashinostroyeniya [Journal of Mechanical Engineering], vol. 16, no. 6, pp. 8–14 [in Ukrainian].

Shulzhenko, M.G., Gontarovskiy, P.P., Matiukhin, Yu.I., Garmash, N.G. & Gontarovskiy, V.P. (2014). Avtomatizirovannaya otsenka srabatyvaniya resursa vysokotemperaturnogo rotora turbiny [Computer-aided estimation of the resource-wear of the high-temperature turbine rotor]. Visn. NTU «KHPI». Ser. Enerhetychni ta teplofizychni protsesy y ustatkuvannya [Bulletin of NTU 'KhPI'. Series: Power and Heat Engineering Processes and Equipment], no. 13 (1056), pp. 39–45 [in Russian].

Shulzhenko, M.G., Gontarovskiy, P.P., Garmash, N.G. & Iefremov, I.G. (2015). Diagnostirovanie termonapryazhennogo sostoyaniya i otsenka srabatyvaniya resursa rotorov vysokogo i srednego davleniya turbiny T-250/300-240 [Diagnosing the thermally stressed state and estimating the resource wear out for the rotors of high and low pressure turbine T-250/300-240]. Visn. NTU «KHPI». Ser. Enerhetychni ta teplotekhnichni protsesy y ustatkuvannya [Bulletin of NTU 'KhPI'. Series: Power and Heat Engineering Processes and Equipment], no. 16 (1125), pp. 32–37 [in Russian].

Shulzhenko, N.G., Garmash, N.G. & Gontarowsky, V.P. (2012). Otsenka shchadyashchikh rezhimov ekspluatatsii po termonapryazhennomu sostoyaniyu vysokotemperaturnogo rotora [The estimation of partial load modes exploitation of turbines on the thermostressed state of the high-temperature rotor]. Aviats.-kosm. tekhnika i tekhnologiya [Aerospace Technic and Technology], no. 8 (95), pp. 160–164 [in Russian].

Shul’zhenko, N.G, Gontarovskii, P.P., Garmash, N.G. & Grishin, N.N. (2015). Torsional vibrations and damageability of turboset shaftings under extraordinary generator loading. Strength of Materials, vol. 47, iss. 2, pp. 227–234. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-015-9652-0.

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-10-11

Номер

Том 21 № 3 (2018)

Розділ

Динаміка і міцність машин

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Nikolay G. Shulzhenko, Pavel P. Gontarovskiy, Nataliya G. Garmash, Irina I. Melezhik

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.

Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи і передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензійного договору (угоди).
  • Автори мають право самостійно укладати додаткові договори (угоди) з неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати в складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
  • Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установи або на персональних веб-сайтах) рукопису роботи як до подачі цього рукопису в редакцію, так і під час її редакційної обробки, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії і позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).