ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИЧИН НАРУШЕНИЯ БАЛАНСА ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
ИНДИКАТОРОМ МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИН-01М

 

Монтаж  рабочих колес на вал газовой турбины производится путем запрессовки вала, охлаждаемого жидким азотом, в ступицы рабочих колес, нагреваемых горячим воздухом. В результате данной технически сложной сборочной операции между окружностью вала и ступицей рабочего колеса создается натяг, за счет которого рабочее колесо надежно удерживается на валу при частоте вращения газовой турбины в десятки тысяч оборотов в минуту.

При неравномерном натяге во время работы газотурбинного агрегата возникают вынужденные колебания, которые приводят к повышенному износу и скорому выходу из строя его узлов.

Поэтому сборка турбины обязательно завершается проведением испытаний, задача которых состоит в измерении основных технических характеристик агрегата, параметров колебаний турбины и т.д. В случае если амплитуда продольных либо поперечных колебаний вала газовой турбины при испытаниях превышает значения, указанные в нормативно-технической документации, турбина не допускается к эксплуатации.

На рис.1 приводится пример ротора низкого давления (РНД), который не прошел испытания из-за наличия значительных поперечных (радиальных) колебаний вала после планового ремонта, включающего снятие с вала старых рабочих колес, фрезеровку поверхности вала и установку на него новых рабочих колес.

Рис.1. Ротор низкого давления после замены рабочих колес

 

Величина натяга в каждой точке сопряжения деталей турбины определяет напряженное состояние металла: чем больше величина натяга, тем выше уровень напряжений металла; чем меньше величина натяга, тем ниже уровень напряжений металла. Поэтому распределение натяга рабочих колес роторов низкого давления контролировалось по напряженному состоянию металла в области ступиц рабочих колес, непосредственно примыкающих к поверхности вала (рис.2).

Рис.2. Ступица рабочего колеса РК-35 РНД-1

 

Существуют две основные причины формирования напряженно-деформированного состояния стального изделия: воздействие на него механических нагрузок и изменение механических свойств металла из-за структурных или фазовых превращений, отклонений в элементном составе сплава и т.д.

Известно, что структура металла существенно определяет его физические (в частности, электрические) свойства. Например, изменения элементного состава и структуры металла приводят к существенному изменению его электропроводности: увеличение зернистости металла от 10 до 690 единиц в 1 см³ приводит к увеличению удельного электрического сопротивления металла на 10-12%, которое может быть обнаружено с помощью обычного портативного вихретокового структуроскопа.

В результате проведенных экспериментальных исследований совместно с Центральной Лабораторией Судебной Экспертизы РФ были разработаны и утверждены методические указания по контролю напряженного состояния стальных изделий и определения причин образования областей с повышенным уровнем напряжений, в которых, наряду с индикаторами механического напряжения ИН-01м, рекомендуется применение вихретоковых структуроскопов типа ВЭ-26НП (рис.3).

ИН-01м

ВЭ-26НП

Рис.3. Комплекс приборов для выявления областей с повышенным уровнем напряжений металла и определения причин их образования

 

Алгоритм определения причин образования областей с повышенным уровнем напряжений металла при проведении судебной экспертизы приводится здесь.

На рис.4-5 показаны результаты контроля напряженного состояния (индикатором механического напряжения ИН-01м) и удельной электрической проводимости металла (вихретоковым структуроскопом ВЭ-26НП) ступиц рабочих колес роторов низкого давления РНД-1 и РНД-2.

 

 

 

Рис.4. Распределение напряжений и удельной электрической проводимости металла ступицы рабочего колеса РК-35 РНД-1

 

 

Рис.5. Распределение напряжений и удельной электрической проводимости металла ступицы рабочего колеса РК-45 РНД-2

 

Исходные данные результатов контроля, а также программное обеспечение для их обработки можно скачать здесь.

Индикатором механического напряжения ИН-01м были выявлены локальные области с повышенным уровнем напряжений металла. При сопоставлении их месторасположения с результатами вихретоковой структуроскопии было установлено, что:

1. Повышенное напряженное состояние металла РНД-2 связано с неточностью расточки вала РНД и ступицы рабочего колеса РК-45, где электропроводность металла не меняется (рис.5);

2. Напряженное состояние металла РНД-1 связано с существенными отклонениями в элементном составе сплава рабочего колеса РК-35, где имеет место локальное повышение удельной электропроводности металла (рис.4).

По результатам спектрального анализа металла рабочих колес РНД в областях с повышенным уровнем напряжений и удельной электропроводности металла в элементном составе сплава были выявлены отклонения от требований ТУ 108.11.847-87 «Заготовки газотурбинных установок и других изделий из стали марки 26ХН3М2ФАА. Технические условия» по следующим химическим элементам: Cr (от 5% до 25%), Cu (до 10%), Ni (от -62% до 10%), Si (до 8.5 раз), V (до 11%), Mn (до 25%) и Мо (до 37%).