8. Характеристики гребного винта. Относительная поступь гребного винта. 33

• Название: 8. Характеристики гребного винта. Относительная поступь гребного винта. 33
• Дата: 04.07.2022
• Размер: 3.6 Mb.
• Имя файла: ESEU.docx
• Тип: Документы; #624475
• страница: 19 из 21

Совмещенные характеристики турбины и компрессора

Рис.3.10. (1 - линия помпажа; 2 - линия работы ГТД).

Зона устойчивой работы ГТУ.

На рис.3.11. область устойчивой работы ГТУ соответствует площади abcdef. Она ограничивается: слева - минимально допус­тимой частотой вращения ТК блока (частотой вращения холостого хода) и минимальной температурой газа, при которой обеспечивается устойчивая работа камеры сгорания и получение требуемой работы турбины; справа - максимально допустимой частотой вращения исходя из условий прочности; сверху - линией помпажа (границей устойчивой работы компрессора), а в крайних верхней и нижней зонах также предельно допустимой температурой газов перед турбиной; снизу - минимальными значениями температуры газов, определяемыми из условий обеспечения устойчивой работы камеры сгорания и получения требуемой работы турбины. Расположение линий рабочих режимов в этой области будет определять работу ГТУ на переменных режимах без нарушения ее устойчивости.

К определению зоны устойчивой работы ГТУ

Р ис.3.11. (P1*, T1* - давление и температура заторможен­ного потока воздуха на входе в компрессор; T*3min, T*3max - температура газов перед турбиной соответственно минимальная и максимальная).

Неустойчивые режимы работы ГТУ. Основные признаки и последствия. Причины неустойчивой работы.

Изменение мощности ГТУ может происходить с изменением тем­пературы газов перед турбиной при постоянной частоте вращения (n=const) и переменной (n=varia).

В первом случае ГТУ работает на электрогенератор. Уменьшение температуры газа перед турбиной приводит к увеличению расхода воз­духа и снижению степени повышения давления в компрессоре. Режим работы компрессора при этом удаляется от границы неустойчивой работы. В случае возрастания нагрузки электрогенератора для поддержания его постоянной частоты вращения должна повышаться температура газа перед турбиной, что вызовет увеличение степени повышения давления и некоторое снижение производительности компрессора. При этом его линия рабочего режима будет приближаться к границе не­устойчивой работы.

Во втором случае ГТУ работает в качестве привода винта. Здесь изменение мощности происходит при одновременной изменении частоты вращения ТК блока и температуры газа перед турбиной. При этом снижение мощности идет при уменьшении температуры газов перед турбиной и частоты вращения. Линия рабочих режимов компрессора полого идет вниз, уклоняясь от линии помпажа, степень повышения давления и расход воздуха снижаются. При увеличении мощности идет обратный процесс: растет температура газов перед турбиной, частота вращения ТК блока, степень повышения давления и расход воздуха; линия рабочих режимов компрессора приближается к грани­це помпажа.

40. Эксплуатационные показатели элементов ГТУ. Характер влияния степени и скорости загрязнения на показатели компрессоров и газовой турбины

Загрязнение их проточных частей вызывает ухудшение эксплуатационных показателей работы всей ГТУ. Оно выражается в падении мощности вследствие снижения КПД компрессоров и турбин. Кроме того, загрязнение приводит к:

• 
  увеличению расхода топлива;
  
• 
  росту температуры газов перед турбиной;
  
• 
  снижению запаса устойчивости компрессоров против помпажа.
  

Основной причиной снижения КПД компрессоров и турбин при загрязнении является нарушение аэродинамики обтекания воздухом и газом рабочих элементов их проточных частей. Наиболее чувствительны в этом отношении компрессоры. Турбины в меньшей степени реагируют на нарушение аэродинамики при загрязнении их проточных частей. Это связано с различием протекающих в них процессов.

Загрязнение приводит к изменению профиля рабочих, сопловых и направляющих лопаток вследствие чего увеличиваются профильные потери и коэффициент лобового сопротивления, снижается коэффициент подъемной силы. В конечном итоге, например, у компрессора падает напор отдельных ступеней и всего агрегата, а его рабочая линия смещается к границе неустойчивой работы.

41. Характерные повреждения лопаточного аппарата компрессоров и турбин. Наиболее тяжелый вид повреждений рабочих лопаток компрессоров, определяющие факторы и последствия. Сущность коррозионной усталости металла.

ЛОПАТОЧНЫЙ АППАРАТ КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН. Для этих элементов ГТУ характерными повреждениями являются: обрыв рабочих лопаток; образование трещин и поломка спрямляющих, направляющих и сопловых аппаратов обгорание и пожоги рабочих и сопловых аппаратов турбин; коррозионные и эрозионные разрушения облопатывания; обра­зование забоин на лопатках.

Наиболее тяжелым видом повреждений является обрыв рабочих лопаток компрессоров. В основном он приводит к выводу из строя ГТУ. Обрыв лопаток является следствием снижения усталостной проч­ности материала в результате происходящих коррозионных и эрозион­ных процессов при высоких динамических и вибрационных напряжениях, особенно при работе компрессора в неустойчивой зоне. В некоторых случаях этому способствуют дефекты конструктивного и технологичес­кого характера, например, неудачное назначение места отбора возду­ха из компрессора, приводящее к образованию неравномерности потока воздуха и возрастанию вибрационных напряжений; недоста­точная отстройка лопаток по частоте; некачественное изготовление рабочих лопаток (наличие ковочных трещин, дефекты материала, отк­лонения от чертежных размеров, высокие остаточные напряжения и др.).

Обрыв лопатки на работающей ГТУ приводит к: самопроизвольному снижению частот вращения ТК блоков и турбин, резкому изменению шума работы, возникновению сильной вибрации. Иногда происходит заклинивание роторов. В момент обрыва лопатки ясно слышен силь­ный удар. Обрыв лопатки вызывает серьезные разрушения проточной части.

Разрушение металла от коррозионной усталости происходит в два этапа. На первом этапе совместные действия коррозионной сре­ды и знакопеременных нагрузок вызывают образование и развитие трещин. На втором превалирующее значение в распространении тре­щин и разрушении металла имеют переменные механические напряжения.

Из всех деталей ГТУ лопатки турбин работают в наиболее тя­желых условиях. Испытывая значительные механические нагрузки от действия центробежных и газовых сил и вибрации, они одновременно подвергаются воздействию высоких температур. Изменение режимов работы ГТУ и, соответственно, температуры газа приводят к воз­никновению в лопатках значительных термических напряжений

42. Особенности протекания коррозионных процессов в проточной части топливо регулирующей аппаратуры, топливных цистерн и систем ГТУ. Наиболее агрессивные элементы топлива и масла. Факторы, определяющие коррозионную активность масла.

ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ ТОПЛИВОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ, ТОПЛИВНЫХ ЦИСТЕРН И СИСТЕМ. Эти элементы в процессе эксплуатации ГТУ под­вергаются коррозионным воздействиям в результате контактирования их поверхностей с топливом. Коррозионные свойства топлива обус­ловлены содержанием в нем кислородных и сернистых соединений. При некоторых условиях их коррозионная агрессивность может быть значительной и приводить к сокращению срока службы этих элементов ГТУ. Кроме того, образующиеся продукты коррозии засоряют элемен­ты топливорегулирующей аппаратуры и системы топливопитания, вы­зывая срыв их работы.

Как отмечалось ранее, из кислородных соединений, содержащихся, например, в дизельном топливе особую агрессивность имеют нафтеновые кислоты и продукты окисления малостабильных углеводородов, образующихся в топливе при его хранении.

Основное коррозионное воздействие нафтеновые кислоты оказы­вают на цветные металлы и менее значительное на черные металлы.

Топливо может содержать некоторые водорастворимые кислоты и щелочи (серную кислоту, едкий натр и сульфокислоты) вследствие недостаточного контроля за процессом его очистки. Водораствори­мые кислоты и щелочи могут попасть в топливо также при его транс­портировке и хранении. Они вызывают интенсивную коррозию металлов при непосредственном контакте с ними, приводя к их разрушению и загрязнению топлива продуктами коррозии. Коррозионная активность топлива значительно возрастает при наличии в нем серы. Установлено, что топлива из сернистых нефтей более агрессивны по сравнению с малосернистыми.

Интенсивность влияния соединений серы на коррозионную агрес­сивность дизельных топлив зависит от их строения. Наибольшей агрессивностью обладают сероводород, элементарная сера и мерка­птаны.

Меркаптаны активно поддерживают процесс коррозии, интенсив­ность которого непосредственно зависит от их концентрации в топ­ливе и от вида металла. Особенно сильное коррозионное воздействие оказывают меркаптаны по отношению к кадмию. Это очень важно, т.к. многие детали топливорегулирующей аппаратуры и системы топливопитания ГТУ имеют кадмиевые покрытия. Характерной особенностью коррозионных разрушений этих покрытий является образование студенис­тых продуктов, засоряющих элементы системы регулирования.

Условия эксплуатации ГТУ способствуют обводнению топлива. Растворенная и эмульсионная вода в виде микрокапель может выде­ляться из топлива в процессе эксплуатации ГТУ и, особенно в период ее бездействия. При хранении топлива в судовых условиях в не пол­ностью заполненных цистернах в результате среднесуточных колеба­ний температуры может происходить конденсация водяных паров из воздуха на поверхности топлива. Коррозионная агрессивность ди­зельных топлив резко усиливается в присутствии воды и некоторых сернистых соединений.

При наличии воды в топливе усиливается процесс коррозионного разрушения кадмия. Например, в обезвоженном топливе кадмиевые пок­рытия сохраняются при содержании меркаптановой серы 0,049-0,052 %. При наличии в топливе даже незначительных количеств (0,0054-0,00634 %) при естественном обводнении и таком же содержании меркаптанов процесс коррозии идет очень активно и уже на 3-4 сут­ки из топлива выпадает осадок [8].

К веществам, находящимся в масле и вызывающим коррозионную активность, относятся: органические кислоты (нафтеновые, карбоновые, оксикарбоновые); сера и активные сернистые соединения; неорганические кислоты.

Коррозионная активность масла зависит от качества образую­щихся кислот, а также от их количества. С ростом температуры усиливаются реакции окисления углеводородов масла и взаимодейст­вие продуктов окисления с металлом. Скорость коррозии заметно повышается с увеличением нагрузки на трущиеся поверхности. По существу коррозионная активность масла зависит от его химического состава, стабильности и условий работы.

43. Особенности усталостного разрушения рабочих лопаток турбин ГТУ. Основные причины. Факторы, определяющие оплавление, обгорание и перегрев лопаток турбин.

Механизм усталостного разрушения рабочих лопаток, в общем, турбин аналогичен компрессорам. Однако имеются некоторые особен­ности. В отличие от компрессоров на рабочих лопатках турбин зарождение усталостных трещин в большинстве случаев происходит со стороны спинки в середине паза и корыта с входной или выходной кромки.

Причиной усталостного разрушения рабочих лопаток турбин могут явиться: наличие в поверхностном слое больших растягивающих остаточных напряжений, возникающих при механической обработке и не снятых при термообработке; отклонения в размерах профиля и узла крепления, допущенные при изготовлении. Кроме усталостного возможны случаи разрушения их из-за металлургических дефектов материала, например, ковочных трещин, и термической усталости, выражающиеся в короблении и растрескивании кромок, чаще всего входных. В этом случае возникает большое количество мелких трещин.

В эксплуатационной практике отмечались случаи оплавления, обгорания и значительного перегрева лопаток турбин. В основном это связано с ненормальной работой топливорегулирующей аппаратуры, отказами тепловой защиты и возникновением помпажа. Обычно лопатки обгорают на половину длины. Наибольшая степень обгорания прихо­дится на лопатки первой ступени ТВД, но при значительном увеличе­нии температуры оно может распространиться и на лопатки второй ступени.

Повреждения лопаток сопловых аппаратов турбин в основном связаны с циклическими термическими напряжениями, возникающими при изменении режимов работы ГТУ. Они выражаются в виде трещин, образующихся на входных и выходных кромках, и коробления.

В наиболее тяжелых условиях работают лопатки первой ступени. Вследствие нарушения нормальной работы камеры сгорания, приводя­щего к резкому возрастанию температуры газов, они оплавляются и обгорают.

В эксплуатации ГТУ имеют место повреждения лопаточного аппа­рата компрессоров и турбин, обусловленные попаданием в их проточ­ные части твердых посторонних частиц (песка, кусочков металличес­кой защитной сетки, деталей крепления внутренней арматуры воздухозаборных шахт, крепежа жаровых узлов и др.). Они приводят к об­разованию забоин и вмятин.

44. Элементы, определяющие работоспособность ГД ДЭУ. Причины отказов ТНВД. Причины отказов износового происхождения. Характер износа. Причины отказов узлов и деталей ТНВД.

Основными элементами, определяющими работоспособность (например, дизелей) являются: топливная аппаратура (ТНВД, форсунки), ЦПГ (крышки, втулки, поршни), подшипники и клапаны. Анализ ре­зультатов статистических исследований их эксплуатационной на­дежности показывает следующее

ТНВД. Одной из причин их отказов износового происхождения являются эрозионные разрушения. Таким разрушениям в основном подвергаются: плунжеры, окна втулок, клапаны и их седла, а также корпусная часть. Наиболее распространенный случай разрушения рабочей части (головки) золотниковых плунжеров вследствие кавитационной эрозии. Чаще всего износ проявляется в виде точек, затем переходит в сыпь и далее в сплошное поражение участка поверхности - раковины. Эрозионный износ существенно снижает моторесурс элементов ТНВД, например, золотниковых пар

Основной причиной отказов отдельных улов и элементов ТНВД в среднем для всех эксплуатационных зон являются трещины (60 - 75 %). Второе место по значимости занимают поломки (11 – 12 %). Отказы износового происхождения составляют от 7 % до 12 %, хотя в области приработки они имеют преобладающее значение.

Основными узлами, определяющими уровень эксплуатационной надежности ТНВД, являются: плунжерная пара (27 % отказов); вса­сывающие (25 %) и нагнетательные (21 %) клапаны. Наименее на­дежным элементом плунжерной пары являются втулки (50 %). На до­лю плунжера приходится 21 %. В процессе эксплуатации этого уз­ла и его элементов имеют место задиры, деформация плоскости трения, заклинивание, выкрашивание и трещины вследствие усталостных явлений в металле, наличия температурных напряжений, неоднородности металла, некачественной сборки в процессе мон­тажа, дефектов технического характера. Выработка контактных поверхностей вероятнее всего происходит вследствие комплексно­го воздействия диспергирования (размельчения) отдельных участ­ков контакта, абразивного и окислительного износа.

Основными дефектами, имитирующими ресурс плунжерных пар судовых дизелей, являются износы прецизионных поверхностей зо­лотниковой части плунжера и втулки. В среднем около 80 % плунжерных пар бракуется по причине износа этих поверхностей и потери гидравлической плотности ниже допустимого уровня. Средний износ золотниковой части плунжера втулки за 1 тыс.ч работы дизелей составляет 0,35-0,5 мкм, а фактический ресурс находится в среднем в пределах (6-13)*103 ч.

45. Основные узлы, определяющие уровень эксплуатационной надежности форсунок и крышек ГД. Причины отказов, их анализ. Зоны возникновения трещин в крышках, основные предпосылки. Динамика потока отказов и изменение вероятности безотказной работы крышек цилиндров ГД от наработки.

ФОРСУНКИ. Их наиболее уязвимым элементом являются распыли­тели. К характерным дефектам распылителя относят: повреждения уплотнительного торца, зависание силы, потеря плотности, пов­реждения торцевой поверхности иглы, распрессовка сопел, а также износ сопловых отверстий по диаметру. Из указанных дефектов примерно половина приходится на повреждение уплотнительного торца. Износ сопловых отверстий по диаметру на 1000 часов эксп­луатации составляет порядка 10 - 20 мкм. При этом общий ресурс распылителей с учетом проведения ремонтов составляет (8-10)*103 ч. К дефектам, определяющим ресурс распылителей, относятся изнашивание и потеря герметичности запорного конуса, а также коксование отверстий распылителя и направляющей иглы.

Крышки цилиндров во многом определяют надежность работы ГД. В зависимости от типа ГД их наработка на отказ различна. Напри­мер, средняя наработка на отказ для ГД типа "Зульцер" составляет от 3,7 тыс.ч. до 5,5 тыс.ч., а для ГД типа "Бурмейстер и Вайн" 1,68 тыс.ч. Очевидно, это связано со спецификой работы и особенностями конструкции. В период работы ГД крышки воспринимают значительные тепловые потоки и большие давления горячих газов, что приводит к возникновению существенных тепловых и механических напряжений. Кроме того, крышки испытывают и большие мон­тажные напряжения от затяжки шпилек. Совокупное воздействие этих причин способствует образованию трещин в крышках. Количест­во отказов, связанных с трещинообразованием может составлять по­рядка 40 %.

Основной причиной водотечности вставок являются частые пе­регрузки ГД. Например, применительно к ГД МАН К7Z 70/120 трещины в крышках цилиндров появлялись в районе отверстия пусково­го воздуха или форсунки. Очевидно, это связано с резкими изменениями температуры стенок крышки при пусках и реверсах ГД. Пос­ле пуска ГД температура отдельных мест крышки в течение 2 мин. может возрасти на 190° С, а при остановке за тот же период сни­зится на такую же величину.

Образование трещин, например, в местах перехода цилиндрической поверхности крышки к донышку может явиться следствием наруше­ния режима охлаждения из-за загрязнения. В процессе отложения различных примесей, которые поступают с водой, происходит ухуд­шение теплоотдачи от стенок крышки, а это может привести к де­формации поверхности донышка. Поэтому в целях поддержания необходимой работоспособности крышки требуется тщательный контроль за качеством воды и ТС охлаждающих поверхностей.

Наибольшее количество отказов крышек цилиндров ГД МАН К7Z 57/80А-3 связано с образованием трещин в огневом днище крышки в районе форсуночного отверстия. При этом в районе предохранитель­ного клапана были случаи образования свищей, происходил обрыв шпилек, появлялись трещины в днище после 12 тыс.ч. наработки. Предпосылкой к образованию трещин могут быть: несоблюдение установленных зазоров, выкрашивание контактных поверхностей между верхней и нижней частями крышки, попадание грязи, рако­вины на сопрягаемых поверхностях. Не исключается и такая причи­на, как высокий уровень температурных напряжений в огневой части днища..