28 Апреля 2024 г. Нечетная неделя
ruРусский
Версия для слабовидящих
Прочность, надежность и диагностика турбинных двигателей и установок

Прочность, надежность и диагностика турбинных двигателей и установок

Основные направления исследований:

Научная группа проводит теоретические, расчетные и экспериментальные работы в следующих областях:

  • Расчет напряженного состояния элементов конструкции паротурбинных, газотурбинных и авиационных двигателей.
  • Измерение напряженного состояния элементов конструкции паротурбинных, газотурбинных и авиационных двигателей.
  • Оценка надежности паротурбинных, газотурбинных и авиационных двигателей.
  • Разработка элементов систем диагностики паротурбинных, газотурбинных и авиационных двигателей.
  • Мы заинтересованы в современных приборах для измерения вибрации, например, в лазерных доплеровских измерителях вибрации. Особый интерес представляют следующие направления: системы измерения вибрации рабочих лопаток паровых и газовых турбин с помощью дискретно-фазового метода, измерение акустических полей в элементах проточной части турбинных двигателей и установок.
  • Мы заинтересованы в приобретении расчетных программ: ANSYS, DyRoBeS , Dynamics R4, ЛОГОС, ROTLAT.

Проекты

Завершённые проекты:

1. НИР «Концептуальная разработка перспективных конструкций диафрагм направляющих аппаратов (НА) частей высокого давления паровых турбин» №887 от 13.01.2020 г. для ПАО «Силовые машины» 2019-2020 гг. (авторы: Лапшин К.Л., Суханов А.И., Матвеев Ю.В.).

Рис.1. Традиционная конструкция НА; Рис.2. Конструкция сборного НА; Рис.3. Предлагаемая конструкция сборной диафрагмы НА
Состояние вопроса
Применяемые на сегодняшний день конструкции сварных диафрагм паровых турбин концептуально созданы около 60 лет назад (Рис.1). Тогда же разработаны принципиально технологические схемы изготовления диафрагм. Данные узлы используются в составе большого парка отечественных и зарубежных турбин. В процессе эксплуатации они показали высокую надежность. Существующие в ПАО “Силовые машины” технологии изготовления диафрагм в абсолютном большинстве случаев обеспечивают соответствие требованиям действующих отраслевых стандартов по точности изготовления.
В то же время условия конкуренции на мировом рынке энергетических машин предъявляют требования роста технического уровня продукции с точки зрения повышения экономичности. Одним из резервов решения этой задачи является совершенствование диафрагм, как ответственных элементов проточной части, работа которых существенно влияет на КПД турбины. В этой связи представляется целесообразным пересмотр действующих требований в сторону повышения точности и стабильности геометрических характеристик диафрагм в процессе эксплуатации (сохранение плотности разъемов, плотности по посадочным местам, сохранение правильной центровки диафрагм в проточной части и др.). Достижение этой задачи невозможно без совершенствования конструкции диафрагм и технологии их изготовления. Актуальным является также вопрос снижения себестоимости диафрагм.
В связи с появлением в последние годы новых технологий в машиностроении, а также новых методов расчетно-аналитического и экспериментального исследования деталей и узлов машин появляются резервы для совершенствования, как конструкции диафрагм, так и технологии их изготовления.
Цель работы
Разработка конструкции диафрагм нового типа для частей высокого давления паровых турбин, отличающихся повышенной точностью геометрических размеров, технологичностью, а также приемлемой стоимостью изготовления по сравнению со сварными диафрагмами традиционной конструкции ПАО “Силовые машины”.
Задачи работы
Анализ существующих конструкций диафрагм частей высокого давления паровых турбин отечественных и зарубежных фирм, выбор вариантов конструкций, оптимальных с точки зрения точности, надежности, технологичности и себестоимости (рис.2 и 3).

2. В лаборатории турбиностроения им. И.И.Кириллова созданы экспериментальные стенды для исследований вибрационного состояния моделей «гибких» и «жестких» роторов турбин. Для учебных целей разработаны:
а) методическое видео-пособие к лабораторной работе по изучению вибрации роторов турбин. (Опубликовано в 2017 г. на сайте http://elib.spbstu.ru).
б) методические рекомендации к лабораторной работе по изучению вибрации роторов турбомашин. (Опубликовано в 2017 г. на сайте http://elib.spbstu.ru).


Ротор турбомашины является одним из основных элементов конструкции паровых и газовых турбин. В учебном курсе «Динамика и прочность турбомашин» раздел вибрационной надежности роторов является одним из важнейших. Лабораторная работа позволяет на простейшей модели c помощью современной цифровой системы измерения наглядно продемонстрировать вибрацию, критическую скорость вращения и собственные формы ротора. Высокому уровню наглядности способствует возможность сопоставления экспериментальных данных с результатами численных расчетов вибрации моделей роторов в пакете программ ANSYS WB.

3. Исследование собственных частот и форм колебаний элементов ротора турбины 100 кВт с помощью лазерного измерителя PSV-400. (опубликовано в 2017 г.)

Высокая точность эксперимента позволяет сопоставить формы колебаний рабочего колеса турбины, измеренные с помощью PSV-400, с результатами соответствующего расчета в пакете ANSYS. Работа опубликована в Базе Scopus: «Study of the vibration state (natural frequency spectrum) of the rotor of a microturbine unit with a capacity of 100 kW». Conference Series: Materials Science and Engineering : 3rd International Scientific-Practical Conference on Quality Management and Reliability of Technical Systems, St. Petersburg, 27–29 августа 2020 года. – BRISTOL, 2021. – P. 012055. – DOI 10.1088/1757-899X/986/1/012055. https://elibrary.ru/item.asp?id=45045541 (Авторы: Cуханов А.И,, Рассохин В.А., Барсков В.В. и др.).

 

4. Исследования вибрации турбин с помощью пъезодатчиков, исследование деформаций с помощью тензорезисторов, исследование акустических полей в проточной части с помощью микрофонов.
Спектральный анализ шума турбинной ступени, выполненный виброизмерительным комплексом К5000, позволил уточнить причины разрушения рабочего колеса турбины.

Виброизмерительный комплекс К5000; Рабочее колесо турбины; Результаты спектрального анализа шума за рабочим колесом турбины


5. Диагностика задеваний в концевых уплотнениях паровых турбин (ПТ)


Рис.1. Интегральная обойма концевых уплотнений ПТ и схема измерений для определения места задевания ротором.
Сегмент уплотнения, вибрирующий в результате контакта с ротором и соединенный замком с интегральной обоймой, излучает в металл обоймы продольные упругие волны. Указанные волны, распространяясь в металле, регистрируются двумя пъезоакселерометрами, установленными на внешней торцевой поверхности обоймы. Принципиальная схема таких измерений приведена на рис.1. Работа выполнена инициативно для ООО «Силовые машины» и частично опубликована в 2009 г.

 


Текущие проекты:

Расчеты вибрации роторов в программах ANSYS(USA), DyRoBeS(USA), ROTLAT(USA), Dynamics R4 (Россия), ЛОГОС (Россия).
Результаты расчетов могут быть представлены в виде, подобном изображению на рисунке снизу.
Некоторые результаты расчетов роторов опубликованы в 2019 г. в учебном пособии «Контроль и диагностика вибрации роторов паровых турбин». Имеются на сайте: http://elib.spbstu.ru/ DOI:10.18720/SPBPU/2/s19-5

Результаты расчета колебаний валопровода паротурбинной энергетической установки (ROTLAT)

Описание расчетной динамической модели АГТД (Dynamics R4)

Состав научной группы

Суханов Александр Игоревич

Окунев Егор Ильич

Лаптев Михаил Александрович

Список публикаций:

1.Ползучесть и длительная прочность деталей паровых и газовых турбин. Основные понятия и метод расчета в ANSYS WB. Суханов А.И., Тарабащук Д.А., Королева Н.А. Учебное пособие. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Институт энергетики, Высшая школа энергетического машиностроения. Опубликование в elibrary СПбПУ. 2021 г. DOI: 10.18720/SPBPU/5/tr21-30
2. Контроль и диагностика вибрации роторов паровых турбин. Суханов А.И. Учебное пособие. Опубликовано в 2019 г. на сайте: http://elib.spbstu.ru ; DOI: 10.18720/SPBPU/2/s19-5
3. «Study of the vibration state (natural frequency spectrum) of the rotor of a microturbine unit with a capacity of 100 kW» V. Rassokhin, A. Sukhanov [et al.] // IOP . Conference Series: Materials Science and Engineering : 3rd International Scientific-Practical Conference on Quality Management and Reliability of Technical Systems, St. Petersburg, 27–29 августа 2020 года. – BRISTOL, 2021. – P. 012055. – DOI 10.1088/1757-899X/986/1/012055. База Scopus.
4. Прочность энергетических машин. Малоцикловая усталость элементов турбомашин. Ласкин А.С., Паршин Л.К., Суханов А.И. Методические указания. СПб. Издательство СПбГТУ. 1997 г.
5. Пульсации давления в потоке и вибрация деталей выходных трактов ГТУ. Суханов А.И., Семакина Е.Ю., Черников В.А. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕДОМОСТИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА №2, 23, с. 28-40, 2017 г. (ВАК).
6. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТУРБИНАХ. Ласкин А.С., Суханов А.И. Журнал “ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА” №3, год 1993 г. База Skopus.
7. Методическое видео-пособие к лабораторной работе по изучению вибрации роторов турбин.
Суханов А.И. Опубликовано в 2017 г. на сайте: http://elib.spbstu.ru/
8. Методические рекомендации к лабораторной работе по изучению вибрационных свойств роторов турбомашин. Суханов А.И., Кондратьев В.Ф. Опубликовано в 2017 г. на сайте: http://elib.spbstu.ru/ https://doi.org/10.18720/SPBPU/2/s17-67
9. АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЗАДЕВАНИЙ В КОНЦЕВЫХ УПЛОТНЕНИЯХ КОРПУСОВ ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН. УСЕНКО В.В., СУХАНОВ А.И. МА МАТЕРИАЛЫ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ. ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ СПБПУ Том Часть 2. 2015. Издательство: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-ПетеПетербургский политехнический университет Петра Великого" (Санкт-Петербург).
10. On the use of the superelement method for calculating the critical speeds of steam turbine rotors. Alexander Sukhanov, Sergei Shabailov, Leonid Borodich. EasyChair Preprint, № 3607, June 14, 2020 .