Отрыв рабочих лопаток
1.7. Отрыв рабочих лопаток
1.7.1. Явление отрыва лопаток
Отрыв рабочей лопатки, не имеющей дефектов в виде трещин, происходит тогда, когда растягивающие напряжения в ее опасном сечении достигают предела прочности. Сами растягивающие напряжения возникают вследствие действия центробежных сил, постоянного изгиба аэродинамическими силами, вращающими рабочее колесо, и переменного изгиба, вызванного вибрацией. При нормальной работе в наиболее напряженных рабочих лопатках напряжения от изгиба и вибрации существенно меньше напряжений от центробежных сил.
Если лопатка имеет постоянную по высоте площадь сечения, то напряжения не зависят от площади сечения и максимальны в корневом сечении.
Рабочую лопатку, имеющую постоянный профиль по высоте нельзя выполнить слишком длинной, а если говорить строже, то так называемая ометаемая лопатками площадь Ω = πdсl определяется прочностью материала.
Для того чтобы уменьшить напряжения в лопатке, площади ее сечений выполняют уменьшающимся от корневого сечения к периферийному. В этом случае центробежная сила в наиболее нагруженных корневых сечениях оказывается меньше и соответственно меньше оказываются и напряжения.
1.7.2. Причина отрыва рабочих лопаток
За предельное состояние прочности при проектировании обычно принимают такое значение напряжений в лопатках, при котором напряжения достигают предела текучести σs. В действительности при достижении этого напряжения в наиболее опасном сечении возникает небольшая пластическая деформация, а фактический разрыв произойдет при напряжении равном пределу прочности σв, который несколько больше σs. Разрушение изготовленной лопатки может произойти при выполнении любого из следующих трех условий:
1) при повышении частоты вращения выше значения, при котором напряжения растяжения превосходят предел прочности;
Рекомендуемые материалы
2) при изготовлении лопатки из непредусмотренного материала, например при ремонте, а также при неправильной термообработке, когда предел прочности материала оказывается ниже предусмотренного;
3) при изготовлении лопатки из непредусмотренного материала и одновременно недопустимого превышения частоты вращения.
Следует иметь в виду, что обычно оценка опасности отрыва рабочих лопаток выполняется на основе средних значений характеристик материала. В действительности каждый материал имеет естественный разброс свойств, поэтому при большом числе рабочих лопаток вероятно их неблагоприятное сочетание и отрыв лопатки даже при незначительных отступлениях от технологии изготовления и режима эксплуатации.
1.7.3. Меры борьбы с отрывом рабочих лопаток
Меры борьбы с отрывом рабочих лопаток должны быть направлены на устранение причин отрыва. Для этого, прежде всего, должен быть обеспечен входной контроль рабочих лопаток при монтаже и ремонте, исключающий установку на диске лопаток из непроектного материала или с неправильной термообработкой.
В большинстве случаев причиной отрыва неповрежденных лопаток является недопустимое повышение частоты вращения турбоагрегата.
Когда турбоагрегат включен в сеть, его частота вращения близка к номинальной и опасности обрыва лопаток вследствие повышения частоты вращения не существует. Повышение частоты вращения происходит при отключении генератора турбоагрегата от сети и одновременной задержке прекращения поступления пара в цилиндры турбины.
Основной мерой борьбы с недопустимым повышением частоты вращения является поддержание в исправности системы автоматического регулирования и защиты.
Система автоматического регулирования является первым контуром защиты турбины от разгона. При самом тяжелом для нее режиме – сбросе полной нагрузки с отключением генератора от сети система защиты не должна вступать в работу, а система автоматического регулирования обязана вывести частоту вращения турбины на значение, соответствующее статической характеристике регулирования.
В лекции "4. Системы учета затрат для контроллинга" также много полезной информации.
Максимальное "статическое" повышение частоты вращения определяется неравномерностью системы регулирования и не превышает 4–5 %. Однако возникает и динамический заброс частоты вращения вследствие немгновенного прекращения поступления в турбину пара, разгоняющего турбину. Запаздывание начала закрытия сервомоторов (обычно оно находится в пределах 0,1 с) и соответственно время их перемещения (обычно 0,3–0,5 с) приводит к динамическому забросу частоты, однако в сумме со статическим забросом повышение частоты вращения не должно превысить частоту срабатывания автомата безопасности. Обычно при полном сбросе нагрузки частота вращения повышается не более 10–11 % при настройке срабатывания автомата безопасности 12–14 %.
Для обеспечения надежной работы системы автоматического регулирования при сбросах нагрузки турбина регулярно испытывается при таких режимах.
В случае, если система регулирования не удержала сброс нагрузки с отключением генератора от сети и частота вращения превысила частоту настройки автомата безопасности, в работу вступает система защиты турбины, задачей которой является прекращение подачи пара в турбину путем закрытия и стопорных, и регулирующих, и обратных клапанов на паропроводе отборов. Требования к быстродействию срабатывания системы защиты, учитывая, что к этому моменту уже достигнута частота вращения, на 12–14 % превышающая номинальную, еще более жесткие: время срабатывания не должно превышать 0,3–0,4 с.
Для надежной работы системы защиты от разгона необходима правильная настройка автомата безопасности: настройка на пониженную частоту вращения будет приводить к частому без необходимости выводу турбины (или энергоблока) из работы, а несрабатывание вовремя грозит снижением надежности ряда ответственных деталей. На турбине устанавливают два одинаковых автомата безопасности, причем непременным требованием к ним является полная исправность каждого из них. Если неисправен хотя бы один из автоматов безопасности, то турбина не может быть допущена к эксплуатации.
Для поддержания автомата безопасности в исправном состоянии их чувствительные элементы (бойки или кольца) подвергают расхаживанию при каждом пуске. Для этого с помощью специального устройства при частоте вращения, близкой к номинальной, обеспечивается их срабатывание без дальнейшей работы системы защиты в целом.
Надежное предотвращение турбины от разгона невозможно без достаточной плотности регулирующих, стопорных и обратных клапанов.
