Излом рабочих лопаток
1.8. Излом рабочих лопаток
1.8.1. Явление излома рабочих лопаток
Излом рабочих лопаток происходит вследствие появления в некотором опасном сечении лопатки настолько высоких напряжений изгиба, что они превосходят предел прочности материала.
Окружные усилия изгибают лопатку в плоскости колеса и создают растягивающие напряжения в кромках. Осевые усилия изгибают лопатку в плоскости оси турбины, создавая растягивающие напряжения во входной кромке и сжимающие в выходной. Таким образом, на входной кромке растягивающие напряжения изгиба складываются, поэтому, как правило, она является опасной точкой сечения: именно с нее чаще всего начинается излом лопатки.
Наибольшие изгибающие моменты возникают в корневом сечении рабочей лопатки, однако это не означает, что в этом сечении возникают и максимальные напряжения. Связано это с тем, что сечения лопатки также увеличиваются к корневому сечению, и, как это часто бывает в рабочих лопатках большой длины, максимальные напряжения изгиба возникают в сечении, расположенном несколько выше корневого.
Именно в опасном сечении в опасной точке, чаще всего на входной (или выходной кромке) возникает трещина излома, которая, быстро распространяясь, приводит к излому лопатки.
1.8.2. Причины излома рабочих лопаток
Изгибающие напряжения, возникающие в рабочих лопатках при самых опасных режимах, не превосходят 30–40 МПа. Даже с учетом растягивающих напряжений от центробежных сил и увеличения изгибающих напряжений вследствие вибрации, эти напряжения при нормальной работе турбины не могут достичь предела прочности. Излом возникает только при серьезных нарушениях режима работы, вызванных аварийными ситуациями или грубыми ошибками эксплуатационного персонала.
К числу основных причин, вызывающих излом лопаток, можно отнести:
Рекомендуемые материалы
1) попадание в турбину большого количества воды;
2) попадание в проточную часть посторонних предметов;
3) сильные радиальные задевания вращающегося ротора о статорные детали.
При попадании в турбину большого количества воды вследствие вращения в нижней части корпуса возникает пароводяная эмульсия. При этом не только резко возрастает сопротивление вращению, но и при входе лопаток в эмульсию на них действует ударная нагрузка. Тем самым возникает опасность излома в плоскости вращения. Одновременно с этим может произойти закупорка части каналов решетки водой. При этом возрастет давление перед рабочей решеткой и увеличивается осевая нагрузка. Поэтому попадание в турбину большого количества воды почти всегда приводит к поломке рабочих лопаток.
Имеется три основных источника попадания воды в цилиндр турбины: из основных паропроводов, из паропроводов отбора пара на регенеративные и сетевые подогреватели и, наконец, влага может возникать в самой турбине вследствие конденсации.
Наиболее вероятной причиной попадания воды в цилиндр из паропроводов свежего пара и промежуточного перегрева является их недостаточный предпусковой прогрев. Недостаточная длительность прогрева, малые дренажные сечения трубопроводов, не обеспечивающие отвод образующегося конденсата и достаточный расход греющего пара, чрезмерно быстрое повышение давления в паропроводах, при котором температура металла становится ниже температуры насыщения – все эти факторы способствуют образованию влаги в паропроводах, которая при подаче пара в турбину может попасть в нее. Значение этих обстоятельств усиливается при неправильной прокладке паропроводов, когда в них возникнут зоны со скоплением конденсата, при неисправной арматуре на дренажах. Поэтому особенно внимательным к прогреву паропроводов следует быть при первом пуске (после монтажа турбоустановки или ее капитального ремонта).
Попадание воды из регенеративных и сетевых подогревателей происходит при переполнении их паровых пространств конденсатом и подъемом этого конденсата по паропроводу отбора в нижнюю часть корпуса турбины. В свою очередь заполнение корпуса подогревателя водой происходит из–за разрушения трубной системы и выхода питательной воды в корпус подогревателя или из-за накопления конденсата греющего пара, поступающего из турбины.
Наконец, при чрезмерно быстрых пусках холодной турбины, когда образующийся конденсат не успевает отводится из корпуса турбины, а частота вращения растет быстро, возникает особенно опасная ситуация из–за большой скорости встречи рабочих лопаток со скапливающейся в корпусе водой.
Попадание в проточную часть турбины посторонних предметов даже малого размера чревато самыми серьезными последствиями. Можно считать большой удачей, когда посторонний предмет, например, гайка или болт сразу же заклинится внутри какого–либо неподвижного элемента, например, в сопловой решетке и сохранится до следующего осмотра проточной части. В большинстве случаев, хотя такое заклинивание и происходит, возникают очень сильные задевания выступающего постороннего предмета о вращающиеся лопатки (если заклинивание произошло в сопловом аппарате) или о сопловые лопатки (если предмет заклинился в рабочих каналах). В обоих случаях происходит выкрашивание кусков лопаток, которые начинают играть роль "вторичных" посторонних предметов. В результате происходит заклинивание крупных кусков разрушенных деталей в зазоре между сопловыми и рабочими лопатками, что приводит к практически полному разрушению всех лопаток ступеней. В свою очередь элементы разрушенной ступени становятся "посторонними предметами" для следующей ступени, и авария развивается лавинообразно вплоть до полного разрушения проточной части всего цилиндра.
Основным источником попадания посторонних предметов в проточную часть является небрежно выполняемый ремонт и монтаж, при котором в подводящем паропроводе и нижней половине корпуса остаются забытые или оброненные гайки, болты, гаечные ключи, отходы сварочных работ и т.д. Большую помощь в улавливании таких предметов оказывает паровое сито, установленное на входе пара в стопорные клапаны, однако оно не может уберечь проточную часть от предметов, забытых в пространстве между ситом и турбиной и в самой турбине.
Вторым источником являются продукты повреждений элементов пароподводящего тракта и турбины. Куски парового сита, разрушенного ударами посторонних предметов, куски всякого рода разрушившихся тепловых экранов, установленных за регулирующими клапанами, крепеж, например, горизонтального разъема направляющего козырька регулирующей ступени, – все эти предметы могут стать причиной излома рабочих лопаток.
Сильные радиальные задевания, ведущие к поломке рабочих лопаток, могут возникнуть по следующим причинам:
1) из–за сильного внезапного прогиба вала, вызванного внезапной разбалансировкой (например, из–за отрыва рабочей лопатки достаточной массы) или попаданием на ротор воды. Даже сравнительно небольшие прогибы, вызванные этими причинами, могут быть многократно усилены динамическим характером возникающих сил при вращении на критической частоте;
2) из–за сильного прогиба корпуса при появлении большой разности температур верхней и нижней образующей корпуса Δtв–н и одновременном сравнительно небольшом прогибе ротора. Большая разность Δtв–н возникает вследствие плохой изоляции нижней части корпуса турбины, большого отвода тепла по металлу трубопровода отбора (особенно плохо изолированных), неправильной установке металлического корпуса турбины;
3) из–за попадания воды или пара высокой влажности на наружную поверхность тонкостенных корпусных элементов, чаще всего внутренних обойм корпусов ЦНД. Местное охлаждение обоймы приводит к ее короблению, потере осесимметричности и сильным задеваниям.
1.8.3. Предупреждение излома рабочих лопаток
Обратите внимание на лекцию "10 Социальная адаптация как технология социальной работы".
Предупреждение излома рабочих лопаток основано на исключении вызывающих его причин.
Для исключения попадания воды из паропроводов свежего пара и пара промежуточного перегрева необходимо, прежде всего, обеспечить их правильную прокладку: паропроводы выполняются с уклоном в сторону дренажных трубопроводов, без тупиковых и недренируемых участков, где может скапливаться конденсат. Дренажи паропроводов должны быть исправны, т.е. обеспечивать надежный отвод конденсата на всех режимах работы, и иметь достаточные проходные сечения не только для отвода конденсата во время прогрева, но и для пропуска достаточного количества пара на этапе прогрева паропроводов «пролетным» паром.
Для исключения попадания воды из регенеративных подогревателей должны быть в исправности система защиты от недопустимого повышения уровня конденсата в подогревателях и арматура (обратные клапаны) на линиях отбора пара.
Для исключения поломки лопаток вследствие образующегося и скапливающегося в корпусе турбины конденсата должна быть исправна не только дренажная система, но и четко выдерживаться график повышения частоты вращения: при медленном вращении ротора изламывающие усилия, действующие на лопатки при их входе в конденсат, будут, конечно, меньше.
Для исключения попадания в проточную часть посторонних предметов, прежде всего, требуется соблюдение дисциплины проведения монтажных и ремонтных работ, исключение попадания инструментов, крепежа, мелких деталей в проточную часть. После монтажа и ремонта паропроводы должны тщательно продуваться.
Сильные задевания, приводящие к излому рабочих лопаток, обычно возникают не вдруг, а начинаются с незначительных задеваний, увеличения вибрации корпусов подшипников и т.д. Поэтому основной мерой борьбы с изломами по этой причине является внимательная и грамотная эксплуатация с анализом тех отклонений в режимах и показаниях приборов, которые возникают в процессе эксплуатации.