Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions
The problem of reducing the axial dimensions of steam turbine diaphragms is associated with the problem of steam turbine modernization performed by increasing the number of reactive blading stages and using existing foundations. Evaluation of the suitability of diaphragm design versions with establi...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2021
|
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/235742 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Energy Technologies & Resource Saving |
Репозитарії
Energy Technologies & Resource Saving| id |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-235742 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Energy Technologies & Resource Saving |
| collection |
OJS |
| language |
English Ukrainian |
| format |
Article |
| author |
Зайцев, Б. Ф. Швецов, В. Л. Губский, А. Н. Пальков, С. А. Протасова, Т. В. |
| spellingShingle |
Зайцев, Б. Ф. Швецов, В. Л. Губский, А. Н. Пальков, С. А. Протасова, Т. В. Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions |
| author_facet |
Зайцев, Б. Ф. Швецов, В. Л. Губский, А. Н. Пальков, С. А. Протасова, Т. В. |
| author_sort |
Зайцев, Б. Ф. |
| title |
Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions |
| title_short |
Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions |
| title_full |
Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions |
| title_fullStr |
Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions |
| title_full_unstemmed |
Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions |
| title_sort |
investigation of the thermal strength of steam turbine diaphragms with reduction of axial dimensions |
| title_alt |
Исследование термопрочности диафрагм паровой турбины при уменьшении осевых габаритов Дослідження термоміцності діафрагм парової турбіни при зменшенні осьових габаритів |
| description |
The problem of reducing the axial dimensions of steam turbine diaphragms is associated with the problem of steam turbine modernization performed by increasing the number of reactive blading stages and using existing foundations. Evaluation of the suitability of diaphragm design versions with established steam flow characteristics was carried out with constraints on short- and long-term strength conditions, as well as the accumulation of axial deflections due to creep. For computational research, there was introduced a methodology using the finite element method and Yu. M. Rabotnov’s theory of strain aging. The calculation of creep was reduced to solving an elastic-plastic problem with a deformation curve, which was represented by an isochronous creep curve for the time chosen. A software was used providing for the automated construction of the original computer diaphragm model with the help of guide-vane profile drawings and axial cross-sections of the diaphragm rim and body, as well as several geometric parameters. The calculated model of a welded diaphragm reproduces the main essential features of the structure, the material properties of its elements, as well as steam load. The exploratory studies of diaphragms with reduced axial dimensions were performed on the example of the second- and third-stage diaphragms of the high-pressure cylinder of the K-325-23.5 steam turbine. The original second- and third-stage diaphragm designs were considered to be basic, in relation to which, according to strength and rigidity parameters, the alternative ones were compared. Calculated data for the basic diaphragm design versions for 100 thousand operating hours were obtained. According to the calculations, maximum deflections are achieved at diaphragm edges, and the stresses, that are maximum at the points where the guide vanes are attached to the diaphragm rim and body, undergo a significant redistribution due to creep. Two approaches to the reduction of the axial dimensions of the second-stage diaphragm design of the steam turbine high pressure cylinder were involved. In the first approach, the reduction of the dimensions was achieved by proportionally reducing the guide-vane profile with a corresponding increase in the number of the guide vanes. In the second approach, the profile remained unchanged, but the axial dimensions of the diaphragm rim and body were reduced. The parameters of strength both in the elastic state at the beginning of operation and in the conditions of creep, as well as the accumulation of axial deflections were investigated. Based on the comparisons with the basic design, it was established that the second approach is more effective. Additional recommendations for the use of more heat-resistant steels for outlet guide vanes and the conditions of diaphragm attachment in the turbine casing are given. |
| publisher |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| publishDate |
2021 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/235742 |
| work_keys_str_mv |
AT zajcevbf investigationofthethermalstrengthofsteamturbinediaphragmswithreductionofaxialdimensions AT švecovvl investigationofthethermalstrengthofsteamturbinediaphragmswithreductionofaxialdimensions AT gubskijan investigationofthethermalstrengthofsteamturbinediaphragmswithreductionofaxialdimensions AT palʹkovsa investigationofthethermalstrengthofsteamturbinediaphragmswithreductionofaxialdimensions AT protasovatv investigationofthethermalstrengthofsteamturbinediaphragmswithreductionofaxialdimensions AT zajcevbf issledovanietermopročnostidiafragmparovojturbinypriumenʹšeniiosevyhgabaritov AT švecovvl issledovanietermopročnostidiafragmparovojturbinypriumenʹšeniiosevyhgabaritov AT gubskijan issledovanietermopročnostidiafragmparovojturbinypriumenʹšeniiosevyhgabaritov AT palʹkovsa issledovanietermopročnostidiafragmparovojturbinypriumenʹšeniiosevyhgabaritov AT protasovatv issledovanietermopročnostidiafragmparovojturbinypriumenʹšeniiosevyhgabaritov AT zajcevbf doslídžennâtermomícnostídíafragmparovoíturbíniprizmenšenníosʹovihgabaritív AT švecovvl doslídžennâtermomícnostídíafragmparovoíturbíniprizmenšenníosʹovihgabaritív AT gubskijan doslídžennâtermomícnostídíafragmparovoíturbíniprizmenšenníosʹovihgabaritív AT palʹkovsa doslídžennâtermomícnostídíafragmparovoíturbíniprizmenšenníosʹovihgabaritív AT protasovatv doslídžennâtermomícnostídíafragmparovoíturbíniprizmenšenníosʹovihgabaritív |
| first_indexed |
2024-09-01T17:37:39Z |
| last_indexed |
2024-09-01T17:37:39Z |
| _version_ |
1809016170861297664 |
| spelling |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-2357422021-07-01T07:22:50Z Investigation of the Thermal Strength of Steam Turbine Diaphragms with Reduction of Axial Dimensions Исследование термопрочности диафрагм паровой турбины при уменьшении осевых габаритов Дослідження термоміцності діафрагм парової турбіни при зменшенні осьових габаритів Зайцев, Б. Ф. Швецов, В. Л. Губский, А. Н. Пальков, С. А. Протасова, Т. В. The problem of reducing the axial dimensions of steam turbine diaphragms is associated with the problem of steam turbine modernization performed by increasing the number of reactive blading stages and using existing foundations. Evaluation of the suitability of diaphragm design versions with established steam flow characteristics was carried out with constraints on short- and long-term strength conditions, as well as the accumulation of axial deflections due to creep. For computational research, there was introduced a methodology using the finite element method and Yu. M. Rabotnov’s theory of strain aging. The calculation of creep was reduced to solving an elastic-plastic problem with a deformation curve, which was represented by an isochronous creep curve for the time chosen. A software was used providing for the automated construction of the original computer diaphragm model with the help of guide-vane profile drawings and axial cross-sections of the diaphragm rim and body, as well as several geometric parameters. The calculated model of a welded diaphragm reproduces the main essential features of the structure, the material properties of its elements, as well as steam load. The exploratory studies of diaphragms with reduced axial dimensions were performed on the example of the second- and third-stage diaphragms of the high-pressure cylinder of the K-325-23.5 steam turbine. The original second- and third-stage diaphragm designs were considered to be basic, in relation to which, according to strength and rigidity parameters, the alternative ones were compared. Calculated data for the basic diaphragm design versions for 100 thousand operating hours were obtained. According to the calculations, maximum deflections are achieved at diaphragm edges, and the stresses, that are maximum at the points where the guide vanes are attached to the diaphragm rim and body, undergo a significant redistribution due to creep. Two approaches to the reduction of the axial dimensions of the second-stage diaphragm design of the steam turbine high pressure cylinder were involved. In the first approach, the reduction of the dimensions was achieved by proportionally reducing the guide-vane profile with a corresponding increase in the number of the guide vanes. In the second approach, the profile remained unchanged, but the axial dimensions of the diaphragm rim and body were reduced. The parameters of strength both in the elastic state at the beginning of operation and in the conditions of creep, as well as the accumulation of axial deflections were investigated. Based on the comparisons with the basic design, it was established that the second approach is more effective. Additional recommendations for the use of more heat-resistant steels for outlet guide vanes and the conditions of diaphragm attachment in the turbine casing are given. Постановка задачи уменьшения осевых габаритов диафрагм паровых турбин связана с проблемой их модернизации, которая выполняется путем увеличения количества ступеней с реактивным облопачиванием и использованием существующих фундаментов. Оценка пригодности вариантов конструкций диафрагм с установленными характеристиками потока пара проведена с ограничениями на выполнение условий кратковременной и длительной прочности, а также накопления осевых прогибов вследствие ползучести. Для расчетных исследований принята методология, использующая метод конечных элементов и деформационную теорию ползучести старения Ю. Н. Работнова. Расчет ползучести сведен к решению упруго-пластической задачи с диаграммой деформирования, представленной изохронной кривой ползучести для выбранного времени. Использовано программное обеспечение, предусматривающее автоматизацию построения исходной компьютерной модели диафрагмы с привлечением чертежей профиля направляющих лопаток, осевых сечений тела и обода и нескольких геометрических параметров. Расчетная модель сварной диафрагмы отображает основные существенные особенности ее конструкции, свойств материалов ее элементов и нагружения паром. Поисковые исследования диафрагм с уменьшенными осевыми размерами выполнены на примере диафрагм 2-й и 3-й ступеней цилиндра высокого давления паровой турбины К-325-23,5. Исходные конструкции 2-й и 3-й ступеней рассмотрены как базовые, по отношению к которым по параметрам прочности и жесткости сопоставлялись конструкции диафрагм, которые считались альтернативными. Получены расчетные данные для базовых вариантов конструкции диафрагм для времени эксплуатации 100 тысяч часов. Согласно расчетам максимальные прогибы достигаются на краях диафрагмы, а напряжения, максимальные в местах крепления лопаток к ободу и телу, претерпевают значительное перераспределение из-за ползучести. Задействованы различные подходы к уменьшению осевых габаритов конструкции диафрагмы 2-й ступени цилиндра высокого давления. При первом подходе уменьшение габаритов достигнуто пропорциональным уменьшением профиля направляющих лопаток с соответствующим увеличением их количества. При втором – профиль оставался неизменным, но уменьшены осевые размеры тела и обода диафрагмы. Исследованы параметры прочности в упругом состоянии в начале эксплуатации и в условиях ползучести, а также накопление осевых прогибов. На основании сравнений с базовой конструкцией установлено, что более действенным является второй подход. Приведены дополнительные рекомендации по использованию более жаропрочных сталей в крайних направляющих лопатках и условий крепления диафрагм в корпусе турбины. Постановка задачі зменшення осьових габаритів діафрагм парових турбін пов’язана з проблемою їхньої модернізації, що виконується шляхом збільшення кількості ступенів з реактивним облопаченням та використанням існуючих фундаментів. Оцінку придатності варіантів конструкцій діафрагм з встановленими характеристиками потоку пари проведено з обмеженнями на виконання умов короткочасної та довготривалої міцності, а також накопичення осьових прогинів внаслідок повзучості. Для розрахункових досліджень запроваджено методологію, що використовує метод скінченних елементів та деформаційну теорію повзучості старіння Ю. М. Работнова. Розрахунок повзучості зведено до розв’язання пружно-пластичної задачі з діаграмою деформування, яку подано ізохронною кривою повзучості для вибраного часу. Використано програмне забезпечення, де передбачено автоматизацію побудови вихідної комп’ютерної моделі діафрагми з залученням креслень профілю напрямних лопаток, осьових перерізів тіла і обода та декількох геометричних параметрів. Розрахункова модель зварної діафрагми відтворює основні суттєві особливості її конструкції, властивостей матеріалів її елементів та навантаження парою. Пошукові дослідження діафрагм зі зменшеними осьовими розмірами проведено на прикладі діафрагм 2-го та 3-го ступенів циліндра високого тиску парової турбіни К-325-23,5. Вихідні конструкції 2-го та 3-го ступенів розглянуто як базові, по відношенню до яких за параметрами міцності і жорсткості співставлялись конструкції діафрагм, які вважалися за альтернативні. Отримано розрахункові дані для базових варіантів конструкції діафрагм для часу експлуатації 100 тисяч годин. Згідно з розрахунками максимальні прогини досягаються на краях діафрагми, а напруження, що є максимальними в місцях кріплення лопаток до обода і тіла, зазнають значного перерозподілу через повзучість. Задіяно різні підходи до зменшення осьових габаритів конструкції діафрагми 2-го ступеня циліндра високого тиску. При першому підході зменшення габаритів досягнуто пропорційним зменшенням профілю напрямних лопаток з відповідним збільшенням їх кількості. При другому – профіль залишився незмінним, але зменшено осьові розміри тіла і обода діафрагми. Досліджено параметри міцності в пружному стані на початку експлуатації і в умовах повзучості, а також накопичення осьових прогинів. На підставі порівнянь з базовою конструкцією встановлено, що більш дієвим є другий підхід. Наведено додаткові рекомендації щодо використання більш жароміцних сталей в крайніх напрямних лопатках та умов кріплення діафрагм в корпусі турбіни. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2021-07-01 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/235742 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 24 No. 2 (2021); 37-49 Проблемы машиностроения; Том 24 № 2 (2021); 37-49 Проблеми машинобудування; Том 24 № 2 (2021); 37-49 2709-2992 2709-2984 en uk https://journals.uran.ua/jme/article/view/235742/234101 https://journals.uran.ua/jme/article/view/235742/234102 Copyright (c) 2021 Б. Ф. Зайцев, В. Л. Швецов, А. Н. Губский, С. А. Пальков, Т. В. Протасова http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |