Термическая усталость роторов

2.4. Термическая усталость роторов

Трещины в роторах турбин могут образовывать­ся не только на внутренней расточке, но и на по­верхности вследствие малоцикловой (термической усталости).

Выше отмечалось, что высокие температурные напряжения в сочетании с напряжениями от цен­тробежных сил могут привести к недопустимому возрастанию напряжений на расточке ротора и его внезапному хрупкому разрушению. Однако при пуске еще большие температурные напряжения возникают в роторе на его поверхности, которая имеет непосредственный контакт с паром. Эти напряже­ния многократно усиливаются концентрацией на­пряжения. Даже при умеренных скоростях пуска турбин в местах концентрации напряжений возни­кают столь значительные напряжения, что происхо­дит пластическое течение материала. Это приводит к тому, что при выходе агрегата на стационарный режим в роторе появляются остаточные напряже­ния, которые релаксируют и вызывают накопление повреждений в материале за счет ползучести. При многократном повторении таких пусковых напря­жений в роторе возникают трещины малоцикловой (термической) усталости.

Трещины термической усталости обычно возни­кают в тех местах турбины, где температура изме­няется наиболее значительно, где она достигает максимальных значений, и имеются резкие перехо­ды, надрезы, галтели и т.д. Как правило, это об­ласть первой ступени ЦВД и ЦСД и зона уплотне­ний первой диафрагмы или ближайшего отсека кон­цевого уплотнения. Особую опасность представля­ют тепловые (компенсационные) канавки. В этих местах напряжения могут в 5–6 раз превышать так называемые номинальные напряжения (в предполо­жении отсутствия тепловых канавок). Другим сла­бым местом является галтель между диском первой ступени и валом (рис. 2.6), которая подвергается тщательной профилировке для уменьшения концен­трации температурных напряжений.

Пример 2.7. На рис. 2.6 показан ротор ЦВД с тре­щинами термической усталости, возникшими в придисковых галтелях первых ступеней японской турбины.

Рис. 2.6. Трещины термической усталости в турбине мощ­ностью 125 МВт после 369 пусков

Рекомендуемые материалы

В настоящее время считается общепринятым, что температурные напряжения в роторах ЦВД и ЦСД – главный фактор, ограничивающий скорость пусков и нагружения турбины.

Меры предупреждения образования трещин тер­мической усталости диктуются причинами, кото­рые ее вызывают. Основная причина – это циклические пластические деформации, вызываемые стесненностью тепловых расширений отдельных зон ротора из–за его неравномерного прогрева, главным образом, по радиусу.

Возникающая по радиусу разность температур определяется двумя основными факторами: разно­стью температур пара и поверхности детали (темпе­ратурным напором) и интенсивностью теплообмена между паром и поверхностью металла. Интенсив­ность теплообмена определяется характером тепло­обмена и скоростью пара относительно ротора.

Очень велика интенсивность теплообмена, когда пар попадает на поверхность ротора с температурой, меньшей температуры насыщения. В этом случае происходит конденсация пара на поверхности рото­ра, идущая до тех пор, пока поверхность ротора не достигнет температуры насыщения и не превысит ее. Процесс конденсации на поверхности вращаю­щегося ротора практически не изучен, по–видимому, он имеет нестабильный характер. Чаще всего кон­денсация пара происходит при пуске турбины из хо­лодного состояния и других нестационарных режи­мов, когда металл имеет низкую температуру, а дав­ление увеличивается чрезмерно быстро, вместе с ко­торым растет температура насыщения.

При течении сухого насыщенного и перегретого пара интенсивность теплообмена в основном опре­деляется скоростью пара относительно ротора. В диафрагменных уплотнениях она в первую оче­редь зависит от протечки пара, которая, как извест­но из теории паровых турбин, определяется мощно­стью турбины: с ростом мощности от холостого хо­да до максимальной интенсивность теплообмена увеличивается в 8–10 раз.

Основная мера, предупреждающая появление трещин термической усталости в роторах – это поддержание в процессе пусков, разгружении–на­гружении и остановок температуры пара, мало отличающейся от температуры металла, что обеспечивает малые переходные температурные на­пряжения. В свою очередь для этого требуется тща­тельное выполнение инструкции по эксплуатации, в частности, графиков пуска, остановки и скоростей разгружения–нагружения, поскольку они составле­ны прежде всего из соображения исключения высо­ких температурных напряжений.

Пример 2.8. На рис. 2.7 и 2.8 показаны графики из­менения температур, мощности и разностей температур по радиусу роторов в первых ступенях ЦВД и ЦСД турби­ны мощностью 300 МВт для двух случаев ночного разгру­жения и утреннего нагружения. На рис. 2.9 приведены вероятности появления трещины термической усталости в наиболее напряженном роторе ЦВД в зависимости от числа разгружении–нагружении для этих двух режимов.

Рис. 2.7. Режимы разгружения–нагружения турбины мощностью 300 МВт в соответствии с инструкцией

а – изменение температур пара КРС (сплошные) и перед ЦСД (штриховые); б – изменение мощностей турбины; в – возникающие разности температур по радиусу в РВД (сплошные) и РСД (штриховые)

Рис. 2.8. Режимы разгружения–нагружения турбины мощностью 300 МВт при отклонении от графиков-заданий

а – изменение температур пара КРС (сплошные) и перед ЦСД (штриховые); б – изменение мощностей турбины; в – возникающие разности температур по радиусу в РВД (сплошные) и РСД (штриховые)

В первом случае (см. рис. 2.7) разгружение и нагру­жение осуществлялось плавно со скоростями соответст­венно 3,8 и 2,6 МВт/мин с поддержанием постоянной температуры пара на входе в цилиндр и без глубокого ох­лаждения ротора ЦВД. Соответственно вероятность появ­ления трещин в роторах (рис. 2.8) весьма мала. Даже если турбина будет разгружаться и нагружаться ежеднев­но (что для теплофикационной турбины нереально), то она может проработать более 40 лет.

Ещё посмотрите лекцию "82 Психофизиологическая проблема" по этой теме.

Во втором случае (рис. 2.8) при разгружении, да­же несмотря на то, что его скорость была меньше, чем в первом случае, разности температур по радиусу оказались вдвое больше и связано это с глубоким уменьшением тем­пературы в камере регулирующей ступени. Далее, нагру­жение турбины на отдельных этапах велось с совершенно недопустимыми скоростями (максимально допустимая заводом–изготовителем скорость находится на уровне 4,5 МВт/мин) и, главное, с большой скоростью повыше­ния температуры пара. Если такое ведение режима будет нормой, то, как видно из рис. 2.9, уже после 9000 пусков  (30 лет при 300 разгружениях–нагружениях в год) прак­тически все турбины будут иметь трещины. Приведенный пример очень ярко иллюстрирует, что для предупреждения образования трещин важна не столько скорость изме­нения мощности (которая является косвенным, но очень удобным параметром, характеризующим возникающие температурные напряжения), сколько скорость изменения температуры пара. Кроме того, он отвергает широко бы­тующее мнение о безопасности, в отличие от пусков и остановок, любых изменений нагрузки. Это справедливо только при грамотном ведении этих режимов.

Рис. 2.9. Зависимость вероятности непоявления трещины в РВД от качества ведения режимов

1 – режимы, показанные на рис. 2.7; 2 – режимы, показан­ные на рис 2.8; N – число разгружении–нагружении

Следует подчеркнуть, что исключить полностью температурные напряжения путем сдерживания ско­рости изменения температуры пара невозможно, в этом нет необходимости и даже вредно. Дело в том, что медленное изменение температуры пара в пере­ходных режимах приводит к увеличению их дли­тельности и к большим экономическим потерям из–за работы оборудования в нерасчетных условиях.

Основная термоусталостная поврежденность вносится в материал ротора при пусках турбины, и она определяется двумя основными условиями: тем­пературным состоянием турбины и состоянием оборудования турбоустановки перед пуском и измене­нием начальных параметров пара в процессе пуска.