РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПЕРЕГРЕВОВ НА ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ В ДИСКАХ РОТОРОВ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ТИПА ГТК-10-4

В настоящее время в России на магистральных газопроводах находятся в эксплуатации около 600 газотурбинных агрегатов ГТК-10-4. Анализ данных и результатов более 200 обследований технического состояния узлов и деталей газотурбинных агрегатов ГТК-10-4 с различной наработкой позволяет сделать вывод, что элементами, ограничивающими ресурс ГТК-10-4, являются диски турбин высокого давления (ТВД), которые подвержены эксплуатационному трещинообразованию.

Диски ТВД изготавливаются из жаропрочной стали мартенситного класса ЭП428. Номинальная температура продуктов сгорания перед турбиной ТВД 780°С.

Расчет напряжений при номинальной частоте вращения выполнялся по программе для решения задачи с учетом ползучести материалов диска и рабочих лопаток при плоском напряженном осесимметричном состоянии методом конечных элементов. Использовалось стационарное температурное поле, переменное в радиальном направлении и переменное в радиальном направлении, но осредненное по толщине стенки. Рассматривалось упругое напряженное состояние в начальный момент времени без учета пластических деформаций при напряжениях выше предела текучести и методика, учитывающая малые деформации и малые перемещения. После пластического обмятия контактных поверхностей имеет место интенсивное пластическое течение из-за ползучести материала. Это обмятие сопровождается перераспределением нагрузок от лопаток между всеми парами зубьев хвостовика до наступления установившегося состояния.

Проведенные расчеты напряженно-деформированного состояния позволили оценить возможность возникновения трещин в елочных пазах дисков, а также срок службы дисков до образования трещин при температурах эксплуатации выше номинальной.

Показано, что перегрев металла гребня диска на 35 – 70°С выше номинального значения температуры вызывает уменьшение в разы срока службы и может привести к образованию трещин на контактных поверхностях зубьев и шеек межпазового гребня при времени эксплуатации, значительно ниже назначенного заводом-изготовителем.

При эксплуатации не следует допускать даже кратковременных забросов температуры газа перед турбиной сверх номинальной. Рекомендуется следить за исправностью работы системы охлаждения поверхности диска охлаждающим воздухом и антипомпажным устройством. 

1. Гецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. В двух книгах. Кн.1. – Рыбинск: ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2010. – 611 с.

2. Рыбников А. И., Ковалев А. Г., Крюков И. И., Леонтьев С. А., Мошников А. В. Опыт экспертизы промышленной безопасности при продлении ресурса газовых турбин типа ГТК-10-4 газоперекачивающих агрегатов. – Теплоэнергетика, 2017, №4. С. 30 – 37.

3. Крюков И. И., Леонтьев С. А., Платонов В. С., Рыбников А. И. Контроль дисков роторов ТВД и ТНД газоперекачивающих агрегатов ГТК-10-4 методом цветной дефектоскопии. – Дефектоскопия, 2008, №8. С. 35 – 42.

4. Shmelev N. G., Gorbatsevich M. I., Kryukov I. I., Kovalev A. G. Inspection of Rotor Discs of HPT and LPT of ГТК-10-4 GasCompressor Units by the Ultrasonic Flaw Detection Method. – Russian Journal of Nondestructive Testing, 2012, vol. 48, №1. Р. 15 – 22.

5. Крюков И. И., Шмелев Н. Г., Левченко А. И., Рыбников, А. И. Андреев М. П., Мошников А. В. Комплексный контроль дисков роторов газовых турбин газоперекачивающих агрегатов методами вихретоковой и цветной капиллярной дефектоскопии. – Дефектоскопия, 2016, №2. С. 63 – 73.

6. РТМ 108.022.102-77. Турбины газовые стационарные. Расчет на прочность хвостовых соединений рабочих лопаток газовых турбин. – Изд. НПО ЦКТИ. С. 1 – 41.

7. РТМ 108.020.14-82. Турбины газовые стационарные. Нормы статической и термоциклической прочности рабочих и направляющих лопаток. – Изд. НПО ЦКТИ. С. 1 – 18.

8. Левченко А. И., Федорова Л. В. Расчетная оценка остаточного ресурса роторов паровых турбин с учетом ползучести материала. – Труды ЦКТИ, 2004, вып. 293. С.315 – 323.

9. Шабров Н. Н., Семенченко М. В., Заблоцкая И. Н. Разработка усовершенствованной программы для расчета напряжений в осесимметрических телах методом конечных элементов. – Труды ЦКТИ, 1983, вып.201. С. 31 – 40.

10. Термопрочность деталей машин. Сб. под редакцией Биргера И. А. и Шорра Б. Ф. – Машиностроение, 1975. С. 456.