3. Колебания и вибрационная надёжность роторов и валопровода

3.1. Причины, вызывающие колебания роторов

3.2. Неуравновешенность роторов

3.3. Критические частоты вращения роторов

3.3.1. Колебания вертикального вала с одним диском

3.3.2. Колебания горизонтального вала

3.3.3. Колебания многоопорного валопровода

3.4. Крутильные колебания валопровода

4. Тепломеханическая надёжность элементов паровых турбин

4.1. Усталость и термоусталость

4.2. Температурные напряжения в элементах корпуса и ротора

4.3. Изменение аксиальных и радиальных зазоров в проточной части

паровых турбин

Литература

Предметный указатель

Введение

Тенденция увеличения единичной мощности энергоблоков АЭС и усложнение конструкций турбомашин сопровождается увеличением требо-

ваний к их надёжности. Повышение ресурса турбомашин также является одной из основных задач повышения их качества. Известно, что наиболее напряжёнными элементами турбомашин являются лопатки проточной час-ти и роторы, о чём свидетельствуют систематические поломки сопловых, и, особенно, рабочих лопаток паровых турбин энергоблоков АЭС. Понима-ние причин таких поломок в значительной мере является основой для без-аварийной эксплуатации турбоагрегатов и правильной диагностики повре-ждений.

Ответственные детали турбин, такие как лопатки, ротры, корпуса ис-

пытывают нагрузки, обусловленные: центробежными силами инерции, разностями давлений и температур, а также появляются нагрузки при коле-баниях лопаток и роторов. Неравномерность температурных полей деталей вызывает в них неоднородные температурные деформации и связанные с ними температурные напряжения.

Нагрузки от центробежных сил и от разности давлений, а также от собственного веса принято называть силовыми воздействиями в отличие от

тепловых воздействий, вызываемых разностями температур.

Силовые и тепловые воздействия в турбомашинах по признаку их из-менения во времени можно подразделить на постоянные во времени (ста-ционарные), медленно меняющиеся и быстроменяющиеся.

Постоянные во времени воздействия характерны для установившего-ся режима работы турбомашины, при котором частота вращения ротора,

величины давлений рабочей среды и температурные поля конструктивных элементов практически не изменяются во времени. При умеренных темпе-ратурах такие воздействия вызывают стационарные напряжения в деталях.

При повышенных температурах появляется ползучесть, со временем нака-пливаются повреждения материала, что ограничивает время работы детали

из-за исчерпания запаса её длительной прочности.

Медленно меняющиеся воздействия связаны с переходными режима-ми: пуском, нагружением, разгрузкой и остановкой турбомашины. Повтор-ные переходные режимы вызывают повторно-переменные напряжения и

деформации в деталях, что сопряжено с возможностью появления т.н.

малоцикловой усталости. При этом возникают оганичения по допускаемо-му числу пусков турбомашины, так как при каждом пуске (и при каждом изменении режима) в материале накапливаются повреждения, которые при

определённом достаточном числе изменений режима приводят к разруше-нию детали вследствие проявления малоцикловой усталости.

В процессе работы турбомашины происходит чередование переход-

ных и стационарных режимов. При этом в опасных зонах деталей накапли-вается общее повреждение, которое обусловлено взаимодействием процес-са ползучести и малоциклового нагружения. Взаимодействие обоих типов

повреждений таково, что чем больше часов работы на стационарном режи-ме, тем меньше возможное число пусков и наоборот.

Быстро меняющиеся воздействия вызываются, в основном, следую-щими причинами: неуравновешенностью ротора, различными технологи-ческими отклонениями при изготовлении и сборке ротора (механические

причины и взаимодействием потока рабочей среды с элементами проточ-ной части турбомашины. Быстроменяющиеся воздействия вызывают коле-бания элементов турбомашин. При определённой интенсивности воздей-ствия возможно повреждение (разрушение) деталей турбомашин вслед-

ствие многоцикловой усталости.

Учебное пособие включает в себя четыре раздела. В первом разделе даётся классификация усилий, действующих на рабочие лопатки и рассма-триваются вопросы обеспечения и оценки прочности рабочих лопаток тур-бин под действием стационарных сил.

Во втором разделе излагаются наиболее сложные для понимания воп-росы свободных и вынужденных резонансных (в т.ч. самовозбуждающих-ся), колебаний рабочих лопаток и их пакетов, а также обеспечение их виб-рационной надёжности.

В третьем разделе рассмтрены вопросы изгибных колебаний и вибра-ционной надёжности отдельных роторов и особенности колебаний много-опорного валопровода; здесь также даются сведения по такому опасному

явлению для мощных турбоагрегатов как крутильные колебания валопро-

вода.

Четвёртый раздел посвящён основным вопросам тепломеханической

надёжности элементов паровых турбин, даётся классическое объяснение

явления термоусталости на примере трёхстержневой модели, выделяются факторы, влияющие на величину температурных напряжений, кроме того

рассматривается важные для эксплуатации вопросы изменения аксиальных и радиальных зазоров в проточной части паровых турбин.