Практическое занятие № 12 Анализ характерных неисправностей газотурбинных установок

Цель занятия:

Приобретение первичных навыков в обслуживании котельной установки.

Формируемые общие и профессиональные компетенции: ОК 1, ОК 2, ОК 3, ОК 4, ОК 5, ОК 6, ОК 7, ОК 8, ОК 9, ОК 10, ПК 1.1, ПК 1.2, ПК 1.3, ПК 1.4, ПК 1.5.

Используемые источники: [1], [5], интернет.

Теоретическая часть:

Газотурбинные установки относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется на турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

ГТУ по сравнению с поршневыми двигателями обладают целым рядом преимуществ:

1) простота силовой установки;

2) отсутствие поступательно движущихся частей, что позволяет повысить механический к.п.д.;

3) получение больших чисел оборотов, что позволяет существенно снизить вес и габариты установки;

4) осуществление цикла с полным расширением и тем самым большим термическим к.п.д.

Для безопасной и эффективной эксплуатации ГТУ необходимо своевременно определять неисправную работу и определять ее причины и меры их устранения.

В процессе эксплуатации газотурбинных установок воз­никают следующие отказы и повреждения:

- обрыв рабочих лопаток компрессоров и турбин;

- трещины в направляющих и спрямляющих аппаратах компрес­соров;

- повреждения проточных частей компрессоров и турбин из-за попадания в них твердых предметов;

- обгорание направляющих и рабочих лопаток турбин;

- обрыв крепежа;

- трещины в дисках, диафрагмах и сопловых аппаратах турбин;

- деформации, трещины и прогорание камер сгорания и жаровых труб;

- неисправности рабочих и пусковых топливных форсунок;

- неисправности топливо-регулирующей аппаратуры;

- неисправности подшипников;

- неисправности контрольно-измерительной аппаратуры и сис­тем управления.

Из всех деталей ГТУ рабочие лопатки турбин работают в наиболее тяжелых условиях. Испытывая значительные механиче­ские нагрузки от действий центробежных и газовых сил, а также виб­рации, они одновременно подвержены воздействию высоких темпера­тур агрессивных коррозионных сред. Кроме того, рабочие лопатки подвергаются действию циклических термических напряжений. Опыт эксплуатации показывает, что последние являются основной причиной разрушения лопаток газовых турбин. Окислительная среда дополни­тельно увеличивает скорость образования и развития трещин. В судо­вых ГТУ имеет место высокотемпературная «натриево-ванадиевая» коррозия лопаточного аппарата и других узлов турбин.

Лопаточный аппарат. Обрыв рабочих лопаток компрессора или турбины относится к наиболее тяжелым видам повреждения ГТУ.

Основной причиной обрыва лопаток компрессора является сни­жение усталостной прочности материала в результате коррозии или эрозии при высоких напряжениях, вследствие динамических и вибра­ционных нагрузок. Эти нагрузки могут возрастать в случаях работы компрессора в зоне неустойчивой работы, иногда этому способствуют конструктивные и технологические дефекты (рост вибрационных на­пряжений вследствие неравномерностей в потоке воздуха, недоста­точная отстройка лопаток по частоте, некачественное изготовление лопаток).

Начало усталостного разрушения металла лопатки носит мест­ный характер и связано с образованием микротрещин, которые при циклических нагрузках, развиваются в макротрещины. Развитие уста­лостных трещин начинается, как правило, с входных кромок лопаток и реже - с выходных. Часто источниками образования трещин являются участки коррозионно-эрозионных поражений.

Обрыв лопаток на работающем ГТУ приводит к снижению частот вращения турбокомпрессорных блоков и турбин и повышению темпе­ратуры газов перед турбиной выше допустимой для данного режима, появлению повышенной вибрации, резкому изменению шума работы. В момент обрыва лопатки турбины или компрессора ясно различим сильный удар. Частичное разрушение лопаток может вызвать помпаж и появление характерных для него признаков. При попадании траекто­рии разрушившейся лопатки в зазор между торцами лопаток и корпу­сом происходит заклинивание или торможение ротора. В результате снижения частоты вращения увеличивается подача топлива в камеру сгорания, что приводит к срыву пламени и выключению ГТУ.

При обрыве рабочей лопатки турбины, снижения частоты вра­щения в начальный момент может не происходить. Дальнейшая рабо­та ГТУ зависит от последствий, которые вызывает обрыв лопатки. Обычно оборвавшаяся часть разрушенной лопатки, попадая в зазор между корпусом турбины и торцами следующих по потоку лопаток, вызывает изгиб этих лопаток и выпучивание корпуса турбины или раз­рушение металлокерамических вставок. Кусок лопатки, имея осевую, составляющую скорости движения в направлении выходного ус­тройства, производит аналогичные деформации лопаток последующих ступеней. Если двигатель продолжает работать, то из-за снижения частоты вращения происходит увеличение подачи топлива и рост температуры, газов перед турбиной. При значительном падении час­тоты вращения и соответствующем увеличение подачи топлива про­исходит срыв пламени и остановка ГТУ. Если оторвавшаяся лопатка вызывает заклинивание ротора, то это также приводит к отключению ГТУ. Оторвавшаяся лопатка может пробить корпус и вызвать разру­шение элементов силовой установки.

Иногда наблюдаются повреждения лопаточного аппарата ком­прессоров и турбин, связанные с попаданием в их проточные части твердых посторонних частиц и предметов: песка; кусочков защитной металлической сетки или обломков воздухоприёмных жалюзей; дета­лей крепления внутренней арматуры воздухозаборных шахт; крепежа узлов камер сгорания и др. Например, разрушения лопаточного аппарата компрессора были вызваны засасыванием оторвавшихся стерж­ней заклепок двери, обеспечивающей доступ во впускную камеру. Дру­гой пример: причиной повреждения компрессора явился карманный фонарик, забытый механиком при осмотре воздухозаборной шахты. Из приведенных примеров видно, что засасывание посторонних пред­метов представляет особую опасность для ГТУ. Всасывание неболь­ших по размеру частиц и предметов может не приводить к катастро­фическому разрушению проточных частей ГТУ, однако вызывают образование на лопатках забоин и вмятин, способствующих ускоре­нию процессов, вызывающих разрушения лопаточных аппаратов.

В эксплуатации отмечаются случаи оплавления (обгорания) и значительного перегрева рабочих и сопловых лопаток. Это происходит в результате нарушений в работе топливо-регулирующей аппаратуры, отказов тепловой защиты, возникновения помпажа ГТУ. Наиболее опасным является помпаж при пусках и на режимах работы, соответствующим средней мощности. В этих случаях помпаж проис­ходит без сильных звуковых эффектов, а при невнимательности об­служивающего персонала или нарушениях в системе контроля за тем­пературами газов или отказе тепловой защиты он может пройти незамеченным и привести к обгоранию лопаток. Опыт эксплуатации показывает, что при помпаже, вследствие интенсивного роста темпе­ратуры газов в течение 20... 30 секунд обгорают все лопатки. Обычно рабочие лопатки обгорают на половину длины в верхней части. Как правило, наибольшим повреждениям подвержены лопатки первой ступени турбины высокого давления.

Температура в лопатках повышается во время работы на пере­менных режимах и при маневрировании установки, когда возможны колебания температуры газа, подаваемого в проточную часть ГТУ.

Циклические, температурные нагрузки приводят к повреждениям лопаток, выражающимся в короблении и растрескивании их кромок и снижения длительной прочности материала. При больших механиче­ских нагрузках эти начальные трещины могут послужить очагами раз­рушения лопатки.

Камеры сгорания относятся к сложным и высоконапря­женным в тепловом отношении деталям газотурбинных двигателей. Наиболее часто встречаются следующие повреждения камер сгора­ния:

- коробление и прогар жаровых труб;

- образования трещин в жаровых трубах и других деталях;

- различные неисправности топливных форсунок.

Прогар жаровых труб - наиболее тяжелое повреждение, требующее их замены. Основными эксплуатационными причинами обра­зования трещин и прогара жаровых труб камер сгорания являются:

- изменение температурного режима работы жаровых труб, при­
водящие к местным перегревам, вследствие влияния отложений и на­гаров, образующихся на поверхности жаровых труб, влияющих на аэродинамику охлаждения, а также искажения факела при закоксовании форсунок;

- большое число теплосмен и значительные градиенты темпера­
туры, определяемые количеством и режимом пуска;

- повышенный износ поверхностей контакта элементов жаровых
труб с фиксаторами, пламене-перебрасывающими патрубками и со­пловым аппаратом ТВД вследствие вибрации жаровых труб из-за пульсации давления в камере сгорания.

Неправильная организация процесса горения в камере сгорания приводит к деформации полей температур и давлений газового потока перед турбиной.

К наиболее часто встречающимся неисправностям и повреждениям топливных форсунок следует отнести:

- засорение сопловых отверстий и фильтров форсунок;

- образование нагара;

- негерметичность топливной системы;

- увеличенная производительность при разработке сопл;

- разрушения отдельных деталей.

Засорение форсунок происходит вследствие использования загрязненного топлива. Засорение топливных форсунок нарушает распыливание топлива и способствует искажению факела, в результате образуется нагар на стенках жаровой трубы.

При появлении неисправности топливной форсунки дальнейшая эксплуатация газотурбинного двигателя приводит к аварии с тяжелы­ми последствиями, например, пожогу соплового аппарата ГТД.

В газотурбинных установках применяются подшипники качения (роликовые и шариковые) и скольжения.

Возможные причины нарушения нормальной работы и повреждений подшипников скольжения следующие:

- нарушения режима смазки;

- попадание в подшипник вместе со смазкой посторонних твердых частиц;

- воздействие вибрационных нагрузок;

- дефекты заливки белого металла;

- неудовлетворительная подгонка вкладышей и упорных подушек.

Эти повреждения характерны для подшипников не только газотурбинных двигателей, но и их редукторов.

Существенное влияние на работоспособность подшипников ГТУ оказывает вибрационные нагрузки при эксплуатации, которые могут привести к наклепу и выкрашиванию белого металла.

Подшипники качения судовых ГТУ подвержены коррозионному воздействию. Коррозионное повреждение подшипников - весьма рас­пространенный дефект проявляющийся в образовании поверхностных налетов и раковин. Коррозионные повреждения снижают контактную выносливость и ухудшают вращения подшипников.

Характерным повреждением подшипника является трещина на его наружном кольце. В результате перегрева подшипника на рабочей поверхности наружного кольца отмечается сильное оплавление и налипание расплавленного металла роликов.

Порядок выполнения работы

1. Проанализировать характерные неисправности в работе газотурбинной установки.

2. Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета:

Номер и тема практического занятия

Цель занятия

Отчет о выполнении работы

Список использованной литературы и других источников

Выводы

Даты выполнения и подписи курсанта и преподавателя.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какими преимуществами обладают ГТУ по сравнению с поршневыми двигателями?

2. Какие воз­никают отказы и повреждения в процессе эксплуатации газотурбинных установок?

3. Каковы причины обрыва лопаток рабочего колеса?

4. Какие повреждения камеры сгорания наиболее часто встречаются?

5. Каковы возможные причины нарушения нормальной работы и повреждений подшипников скольжения ГТУ?