Damage to steam turbine rotors due to asynchronous connections of electric generators to the unified power system

Abstract

The article aims to contribute to the ongoing study of damage to steam turbine rotors resulting from asynchronous connection of electric generators to the unified power system. At the present time, the assessment of the residual life of steam turbine equipment is based on the study of the degradation of the mechanical properties of steels and the analysis of the thermal stress state. The aim of this work was to determine the impact of such vibrations on the mechanical properties of rotors and their damage. This goal was achieved by solving the following tasks: developing a 3D model of the K-1000-60/3000 LMZ turbine unit shaft based on design documentation; calculating the stress-strain state of the shaft resulting from asynchronous connections using finite element analysis; and evaluating the level of metal damage in the rotors due to torsional vibrations. The developed mathematical model used a classical approach, replacing the working blades and bandage fastenings with concentrated masses and moments of inertia. The most important results are the calculated rotor damages that occur due to asynchronous connection of the turbogenerator to the unified power system with a synchronization angle of 30°. The greatest damage to the rotor metal was found in the shaft section between the steam turbine and the electric generator. The significance of the results obtained is that the use of this data will improve methods for assessing the remaining life of turbogenerators. This, in turn, will improve the reliability and safety of power plant operations.

Articolul își propune să contribuie la studiul în curs de desfășurare a deteriorării rotoarelor turbinelor cu abur rezultate din conectarea asincronă a generatoarelor electrice la sistemul de alimentare unificat. În prezent, evaluarea duratei reziduale a echipamentelor cu turbine cu abur se bazează pe studiul degradării proprietăților mecanice ale oțelurilor și pe analiza stării de solicitare termică. Scopul lucrării a fost de a determina impactul unor astfel de vibrații asupra proprietăților mecanice ale rotoarelor și deteriorarea acestora. Acest obiectiv a fost atins prin rezolvarea următoarelor sarcini: dezvoltarea unui model 3D al arborelui turbinei K-1000-60/3000 LMZ pe baza documentației de proiectare; calcularea stării de tensiune-deformare a arborelui rezultată din conexiuni asincrone utilizând analiza cu elemente finite; și evaluarea nivelului de deteriorare a metalelor în rotoare din cauza vibrațiilor de torsiune. Modelul matematic dezvoltat a folosit o abordare clasică, înlocuind lamele de lucru și prinderile de bandaj cu mase concentrate și momente de inerție. Cele mai importante rezultate sunt avariile calculate ale rotorului care apar din cauza conexiunii asincrone a turbogeneratorului la sistemul de alimentare unificat cu un unghi de sincronizare de 30°. Cea mai mare deteriorare a metalului rotorului a fost găsită în secțiunea arborelui dintre turbina cu abur și generatorul electric. Semnificația rezultatelor obținute este că utilizarea acestor date va îmbunătăți metodele de evaluare a duratei de viață rămase a turbogeneratoarelor. Acest lucru, la rândul său, va îmbunătăți fiabilitatea și siguranța operațiunilor centralei electrice.

Статья посвящена исследованию повреждаемости роторов паровых турбин, возникающей вследствие асинхронных подключений электрогенератора к объединенной энергосистеме. Продолжительная эксплуатация паровых турбин в сложных технологических условиях приводит к образованию усталостных трещин в конструктивных элементах турбоагрегатов, что может стать причиной аварийных ситуаций и катастрофических разрушений. Пока оценка остаточного ресурса паротурбинного оборудования выполняется на основе исследования деградации механических свойств сталей и анализе термонапряженного состояния ротора и корпуса турбоагрегата. При этом не учитывают усталостных повреждений роторов, возникающих из-за крутящих колебаний вала во время асинхронных подключений. Цель этой работы заключалась в определении влияния таких колебаний на механические свойства роторов и их повреждаемость. Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач: разработка 3D модели вала турбоагрегата К-1000-60/3000 ЛМЗ на основе конструкторской документации; расчет методом конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния вала вследствие асинхронного подключения; оценка уровня повреждения металла роторов в результате крутильных колебаний. В разработанной математической модели использовался классический подход с заменой рабочих лопаток и бандажных креплений на сосредоточенные массы и моменты инерции. Наиболее важными результатами являются рассчитанные повреждения роторов, возникающие в результате асинхронного подключения турбогенератора к объединенной энергосистеме с углом синхронизации 30°. Наибольшее повреждение металла роторов было обнаружено на участке вала между паровой турбиной и электрогенератором. В частности, после 156 асинхронных подключений уровень повреждения металла составил 10,686%. Значимость полученных результатов заключается в том, что использование этих данных позволит усовершенствовать методы оценки остаточного ресурса турбоагрегатов, что, в свою очередь, повысит надежность и безопасность эксплуатации энергетических установок.