Диагностика газотурбинных установок

Содержание

1. Объект диагностирования………………………….......................................2

     1.1 ГТУ, общая схема и принцип действия………………………………..2

     1.2 Неисправности и дефекты, возникающие на ГТУ…………………….3

2.  Методы и средства  диагностирования неисправностей и дефектов ……………………8

3. Оптический метод контроля.. Бороскоп  (эндоскоп)………………………………….....12

4. Выводы ……………………………………………………………………………......16

5. Список литературы ………………………………………………………………….....17

1. Объект диагностирования

1.1 ГТУ, общая схема и принцип действия

   В настоящее время в энергетике, а также других отраслях на­родного хозяйства наряду с паротурбинными установками и двигателями внутреннего сгорания все шире используются газотурбинные установки (ГТУ). Совершенствование конструкций ГТУ, повышение их эксплуатационных параметров и надежности явля­ются важнейшими задачами, которые предстоит решить на пути интенсификации научно-технического прогресса в нашей стране.

   В настоящее время газотурбинные установки являются основ­ным видом двигателей, используемых в авиации. В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии. Наряду с паротурбинными установками и двигателями внут­реннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях, предназначенных для привода воздушных компрессоров, подающих воздух в рабочее пространство домен.

   В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин. Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транс­порте. Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

Общая схема ГТУ:

1-компрессор

2-камера сгорания

3-турбина

4-нагрузка

   В камеры сгорания топливным насосом подаются топли­во и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, что­бы температура газа, получившегося после смешения, не превы­шала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в га­зовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает, и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.

   Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В ком­прессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.

1.2 Неисправности и дефекты, возникающие на ГТУ

  Стационарная ГТУ (как ее отдельные элементы, так и установка в целом) может обеспечить наибольший технико-экономический эффект лишь в слу­чае достаточно надежной ее работы в условиях эксплуатации. В соответствии с ГОСТ 27.002—83 под надежностью ГТУ как объ­екта следует понимать способность выполнять требуемые функции во всем диапазоне рабочих режимов при условии сохранения в за­данных пределах ее основных эксплуатационных показателей в течение требуемой наработки (ресурса). Основным критерием надежности ГТУ является устойчивая, безотказная работа в тече­ние установленного периода времени (обычно между ремонтам) во всем диапазоне рабочих режимов. Отказами предшествует воз­никновение дефектов и неисправностей отдельных элементов ГТУ.

К дефектам относятся повреждения или разрегулирование от­дельных деталей, узлов или механизмов, не приведшие к потере работоспособности двигателя, в то время как неисправности ха­рактеризуют такое состояние ГТУ, когда при сохранении работо­способности ее параметры не соответствуют требованиям соответ­ствующей нормативно-технической документации.

Наряду с показателями степени безотказности работы в поня­тие надежности ГТУ включаются критерии, характеризующие ее долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость значений этих показателей во время и после хранения или транспортировки.

Долговечность — свойство ГТУ как объекта и ее составных элементов сохранять работоспобность в течение соответствующего периода времени до наступления такого предельного состояния, когда дальнейшее ее использование по назначению становится не­допустимым или нецелесообразным (с учетом возможного восстановления работоспособности путем проведения ремонта). Указан­ный период времени определяет технический ресурс (полный — с начала эксплуатации или межремонтный) детали, узла или всей установки.

Ремонтопригодность характеризует степень приспособленности ГТУ к предупреждению и обнаружению отказов, поддержанию и восстановлению ее работоспособности путем соответствующих химического обслуживания и ремонтов различного вида и объема.

Количественная характеристика какого-либо из свойств на­дежности (или их совокупности) ГТУ как объекта выражается соответствующими показателями надежности, базирующихся на статистических данных об эксплуатации за определенный период времени (обычно календарный год или промежуток времени между капитальными ремонтами, а также между отказами).

Основными комплексными показателями надежности ГТУ в со­ответствии с

ГОСТ 27.002—83 являются нижеследующие.

1.   Коэффициент готовности Кг.

2.    Коэффициент технического использования Кт.и.

Коэффициент Кг характеризует безотказность н ремонтопригодность ГТУ, т. е. вероятность того, что установка окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме тех периодов, в течение которых ее использова­ние не предусматривается, в то время как коэффициент Кт.и ха­рактеризует степень вероятности сохранения работоспособного состояния ГТУ с учетом указанных периодов времени, когда пла­нируется проведение планово-предупредительных ремонтов.

Одним из основных средств обеспечения требуемого уровня безотказности работы ГТУ является резервирование оборудова­ния (установки в целом или ее отдельных элементов).    Время нахо­ждения ГТУ в резерве Трез можно учесть коэффициентом опера­тивной готовности Ко.г.

   Для оценки эксплуатационной надежности ГТУ, работающих в пиковом режиме, в качестве комплексного показателя надеж­ности используют условный коэффициент готовности                  Кг.у,учитывающий реальную возможность устранения причин выну­жденного простоя во время нахождения установки в резерве, а также коэффициент относительного числа пусков Кп.

   Кроме приведенных комплексных показателей для оценки экс­плуатационной надежности ГТУ используют следующие частные показатели: коэффициент вынужденных простоев, коэффициент безотказности пусков, коэффициент плановых ремонтов.

   Основные причины, вызывающие отказы элементов оборудова­ния ГТУ, а также дефекты и неисправности в период эксплуата­ции, обусловлены:

   1)недоработкой конструкции, ошибками и недостаточной досто­верностью результатов расчетов отдельных деталей и узлов;

   2)нарушениями и несовершенством технологических процессов изготовления, сборки, ремонта и монтажа;

   3)несоответствием прочности материалов расчетным характери­стикам;

   4)отклонениями от расчетных параметров окружающей среды, топлива, охлаждающей воды и т. п.;

   5)нарушением условий эксплуатации ГТУ (стабильности поддер­жания режимов), недостаточным уровнем технического обслужи­вания, ошибками при управлении;

   6)различными посторонними причинами (отказами в электропи­тании для собственных нужд, стихийными явлениями в окружаю­щей среде и т. п.).

Наиболее ощутимо перечисленные причины сказываются на показателях эксплуатационной надежности ГТУ во время наладки и в начальный период эксплуатации. Снижение показателей на­дежности наблюдается также при подходе к выработке установкой и ее основными элементами расчетного ресурса (предельного со­стояния). Многолетние статистические данные эксплуатации боль­шого количества стационарных ГТУ различных типов (как отече­ственных, так и зарубежных) свидетельствуют о том, что при оптимальных условиях эксплуатации и достаточно высоком ка­честве конструкторско-технологических работ коэффициент го­товности Кг < 0,97-0,99, коэффициент технического использова­ния

Kт.п<0,9-0,93, наработка между отказами Тот>3000-5000 ч, коэффициент безотказности пусков Кпб=0,98-1,0. Наряду с этим значительная часть стационарных ГТУ имеет более низкие показатели надежности, что в конечном счете приводит к существенному уменьшению экономического эффекта по сравнению с ожидаемым  (расчетным) вследствие недовыработки отпускаемой потребителю полезной энергии (электрической, теп­ловой или механической) и дополнительных затрат на поддер­жание оборудования в работоспособном состоянии.

В связи со сказанным важное значение имеет систематическое получение достоверной информации об отказах при работе ГТУ, дефектах и неисправностях отдельных деталей и узлов, так как только на основе анализа такой информации могут быть разрабо­таны и проведены мероприятия по дальнейшему совершенствова­нию их конструкции, технологии изготовления и сборки, свойств материалов, уровня технического обслуживания, защиты от вред­ного воздействия окружающей среды, продуктов сгорания топ­лива и т. д.

Статистика повреждений основных деталей и узлов зарубежных стационарных ГТУ, являющихся причиной отказов, показывает, что наибольший их процент приходится на лопаточные аппараты и роторы газовых турбин (до 40—45 %), на камеры сгорания — 25 %, на лопаточные аппараты и роторы осевых компрессоров — 10 %, подшипники — 6 %, лабиринтовые уплотнения — 4 %, теплообменники (регенераторы, воздухоохладители) -5 % и ос­тавшиеся — на различные вспомогательные устройства, узлы САР, арматуру, корпусные детали и т. п. Практика экс­плуатации ГТУ отечественного производства (как стационарных, так и авиационных) свидетельствует о примерно таком же соот­ношении отказов их основных узлов.

   Объективные причины, обусловливающие подобное распределе­ние повреждений, заключаются в различной степени тяжести усло­вий работы каждого из перечисленных элементов. Так, лопаточ­ный аппарат газовых турбин, в особенности рабочие лопатки, на­ходятся в наиболее тяжелых условиях как силового, так и темпе­ратурного воздействия, поскольку на них помимо центробежных сил инерции действуют переменные аэродинамические силы газо­вого потока, а также высокие температуры и градиенты темпера­тур, возникающие в поперечном сечении профильной части и вдоль радиуса, достигающие особенно больших значений при пу­сковых и остановочных режимах.

Для сопловых лопаток (в первую очередь первых ступеней) первостепенное значение в качестве факторов возможной повре­ждаемости имеют: силовое воздействие нестационарного потока газа, неравномерное распределение температуры в окружном на­правлении, большие градиенты температуры при пусках и останов­ках. Лопаточный аппарат газовых турбин в наибольшей степени подвержен механическому изнашиванию твердыми частицами и коррозии продуктов сгорания, содержащих соединения таких хи­мически агрессивных элементов, как V, Na, К, S, РЬ и др.

При пусковых режимах возможны большие «забросы» температуры газа, что зачастую приводит к обгоранию материала лопаток и выходу их из строя.

В камерах сгорания наибольший процент повреждений прихо­дится на жаровые трубы, которые работают в тяжелых условиях воздействия: переменных аэродинамических сил, особенно зна­чительных в режимах помпажа и пульсациониого процесса горения; местных перегревов из-за неравномерного нагрева и охлаждения в первую очередь, при пуске и переходных режимах. В камерах сгорания степень образования отложений, коррозии, местных перегревов в значительной мере определяется совершенством топ­ливной аппаратуры (форсунок, горелочных устройств и др.).

Лопаточный аппарат осевых компрессоров испытывает воздей­ствие как постоянных, так и переменных аэродинамических сил потока воздуха. На рабочие лопатки компрессора, кроме того, действуют центробежные силы инерцин. Воздействие переменных сил становится наиболее опасным при таких неустановившихся режимах, как помпаж и вращающийся срыв. Могут возникать так­же повышенные динамические напряжения, обусловленные до­статочно длительной работой на частотах, близких к резонансным. Лопаточный аппарат подвержен механическому изнашиванию твер­дыми частицами, содержащимися в засасываемом воздухе, удар­ному воздействию посторонних тел (в том числе осколков льда при обледенении входного участка воздушного тракта).

Повреждения подшипников ГТУ, хотя и составляют относи­тельно небольшой процент, однако могут привести к весьма опас­ным последствиям — вызвать выход из строя (полный или частич­ный) лопаточного аппарата турбомашин (например, при выплав­лении баббита упорных колодок). Для надежной работы подшип­ников большое значение имеет нормальное функционирование си­стемы маслоснабжения ГТУ, обеспечивающей их расчетный темпе­ратурный и нагрузочный режим. Характерные по­вреждения корпусных деталей ГТУ обусловлены чаще всего не­равномерностью распределения температуры, вызывающей высокие температурные напряжения (и, соответственно, остаточные деформации), что приводит к их короблению и последующему воз­никновению трещин, задеваниям лопаточного аппарата и т. п.