Методы изготовления и типы рабочих колес центробежных компрессоров
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
Достоинства: возможность применения высокопрочных сталей (неподходящих для сварки), несколько более высокая демпфирующая способность заклепочного соединения, что важно при наличии возмущающих сил, например, от близко расположенного лопаточного диффузора Недостатки: необходимость сравнительно большой толщины лопаток для обеспечения конструктивного размера заклепок и большие радиусы закругления входных и выходных кромок Толстые лопатки излишне загромождают сечение, им трудно придать хорошую аэродинамическую форму, подобную профилю лопатки осевой компрессорной ступени. По несущей способности клепаные колеса большей частью не уступают сварным, но при более прочных материалах. [5] Ремонт покрывного диска с трещинами Для колес клепаной конструкции при обрыве небольшого участка покрывного диска, когда трещина проходила через отверстие для заклепки, необходимо подрезать диск до полного удаления повреждения, включая сверления для периферийных заклепок. Допускается подрезать диск по вторую включительно заклепку. Подрезка лопаток показана на рисунке. 1.8. Основной диск остается без изменений.[14] Рисунок. 1.8. – Конструкция клепаного колеса. Сварное колесо или паяное колесо Сварное или паяное колесо первого типа конструкции лишено недостатков клепаного, т.е. лопатки могут быть аэродинамически совершенными и с достаточно тонкой выходной кромкой. В этом главный резерв повышения экономичности ЦН. В мировом компрессоростроении широко распространена электродуговая сварка колес в среде инертного газа. Защитный газ изолирует расплавленный металл от газов в воздухе, препятствуя их взаимодействию. Задачей дуговой сварки в среде инертного газа является обеспечение бездефектности сварного соединения элементов конструкции, повышение механической прочности и надежности работы колеса, а также упрощение технологии изготовления рабочего колеса центробежного компрессора и экономия дорогостоящего материала.[26] Единственным недостатком способа является возможное увеличение напряжений в месте сварки из-за наличия концентраторов в тяжело нагруженных дисках рабочего колеса. Также после сварки обязательна термообработка и тщательный контроль качества (рисунок 1.9). Рисунок. 1.9. – Изготовление колес: а)- готовые под сварку диск основной и диск покрывной: б)-этапы термообработки: закалка, обработка холодом, старение. Радиусы скругления входной части рабочего колеса как на покрывающем, так и на основном диске должны быть максимальными, так как это снижает потери энергии и расширяет область рабочих режимов ЦН. Число лопаток влияет как на прочность, так и на эффективность рабочего колеса. Увеличение числа лопаток благоприятно для прочности, уменьшает неравномерность потока на выходе из рабочего колеса, вызванную наложением вихря, но и увеличивает потери трения в межлопаточных каналах., создавая с одной стороны условия для оптимизации густоты лопаточной решетки и повышая динамическую прочность периферийной части рабочего колеса, при наличии в газе посторонних твердых включений больше подвержены эрозии входных кромок лопаток в основном вследствие большей скорости соударений с частицами на входе в межлопаточный канал. Для колес цельнофрезерованной или сварной конструкции при вырыве одной или нескольких частей покрывного диска на периферии рекомендуется выполнить фасонное фрезерование покрывного диска типа "ромашки" (Рисунок.1.10), которое выполняется по всей окружности покрывного диска, при этом необходимо полностью выбрать вырванные участки диска на величину не более 0,1 диаметра колеса. [14] Рисунок. 1.10. – Эскиз подрезки диска 1.4.2 Роль дефектов сварки в прочности рабочего колеса Дефекты сварных швов можно разделить на две группы- наружные и внутренние, наружные дефекты шва можно обнаружить при осмотре, внутренние дефекты, напротив, находятся внутри сварочного соединения и увидеть их можно лишь после проведения процедуры дефектоскопии, которая включает в себя рентген и механическую обработку. Дефекты бывают допустимыми и недопустимыми, в зависимости от требований, предъявляемых к сварочным соединениям и их конструкции в целом. Однако само определение содержит в себе смысл того что дефекты требуют полного их устранения либо сведения к минимуму их количества и размеров. Дефекты сварных швов являются причиной, из-за которой есть шанс поставить под угрозу стабильность соединения и функциональность сварной конструкции, есть ряд мероприятий, направленных на то чтобы свести к минимуму вероятность появления дефектов, для этого при изготовлении обязательно стоит учитывать: 1. Технологию сварки и квалификацию специалиста 2. Присадочные материалы и свариваемый металл 3. Подготовку самой поверхности под сварку и использование защитной газовой среды 4. Режимы работы и само сварочное оборудование Разберем возможные наружные дефекты сварного шва при изготовлении рабочего колеса: к наружным дефектам в первую очередь относятся нарушения геометрических размеров исполняемого шва (наплывы, подрезы), прожоги металла или напротив, «непровар», так же не заваренные кратеры. Рабочее колесо центробежного нагнетателя Н-370-18 выполняется сварным, покрывающий диск приваривается к лопаткам основного диска, именно поэтому разберем возможные дефекты сварного шва, для более точной формулировки причин возникновения поломки. Наплыв- наплывы могут быть в виде отдельных зон, местными, а также значительными по своей длине, наплывы в швах представлены на рисунке 1.11 Рисунок 1.11 а- в горизонтальном, б- в нахлесточном, в- тавровом, г- в стыковом положении Наплывы могут возникать из нарушения технологии изготовления шва, чрезмерной силы тока, длинной дуге и избыточной скорости сварки, возможно также возникновения наплыва из-за неправильного ведения электрода или неверного смещения плоскости. Подрезы представляют собой углубления, «канавки» в основной части металла, идущие по краям шва, глубина подреза может быть различна, от десятых долей миллиметра, до нескольких миллиметров, что применимо к рабочему колесу нагнетателя, может вызывать местную концентрацию напряжений, так как уменьшается рабочая толщина металла, что может быть причиной разрушения швов в процессе эксплуатации. Разновидности подрезов представлены на рисунке [27] Рисунок. 1.12. а) подрез в стыковом шве, б) в горизонтальном в) угловом шве Подрезы в стыковых швах или же в угловых, расположенные поперек действующих на них сил, приводят к снижению вибрационной прочности. Даже достаточно крупные подрезы проходящие вдоль действия силы, отражаются на прочности в меньшей степени, чем подрезы, идущие поперек. В перечислении наружных дефектов, следующий, по порядку идет кратер. Кратер – углубление, которое образуется в случае резкого обрыва дуги в конце сварки. Особенно часто кратеры образуются при выполнении коротких швов, величина кратера зависит, в первую очередь, от величины сварочного тока. Если кратер не устранить, этот дефект снизит прочность сварного соединения и будет в дальнейшем, серьезным концентратором напряжения. Кроме того, кратер уменьшает сечения шва и может явится очагом образования трещин. Рисунок. 1.13. а), б)- вид сверху в)- в продольном разрезе сварного шва Наличие кратера в сварном шве при вибрационной нагрузке изделия, снижает прочность малоуглеродистой стали до 25% для изделий из низкоуглеродистых сталей снижение прочности может достигать 50% Следующий возможный наружный дефект сварного соединения «Прожог». Прожог- проплавление основного или наплавки с возможным образованием отверстия насквозь в сварном шве, прожоги возникают в следствии чрезмерного зазора между кромками сварного соединения, в результате чего возможно возникновение отверстия и утечка сварочной ванны. Прожог сварочного шва представлен на рисунке1.14. [27] Рисунок. 1.14. Иллюстрация прожога сварного шва Исходя из разбора наружных дефектов сварных соединений, можно сказать что они могут присутствовать на сварных швах рабочего колеса, если учитывать фактор человеческой ошибки и возможность пропуска дефекта при визуально измерительном контроле, а также капиллярной дефектоскопии. Помимо наружных дефектов сварных соединений, встречают и внутренние. К внутренним дефектам обычно относят трещины (холодные, горячие) и поры сварного шва. Горячие трещины- образуются, во время того, когда металл сварного шва находится в пограничном состоянии между температурами его плавления и затвердевания. Могут быть различны по направлению, как вдоль, так и поперек сварного шва, на практике наибольшее влияние на возникновения горячих трещин оказывает неправильно подобранный присадочный материал, или его химический состав. Горячая трещина может быть образована при неправильной заварки кратера и резкого прекращения сварки. Холодные трещины- трещины, которые возникают после полного остывания и затвердевания сварного шва, эти дефекты появляются тогда, сварочный шов не соответствует действующим на него нагрузкам. Поры- дефекты сварного шва, в результате которого, в самом шве образуются округлые полости, заполненные газом. Пористость появляется в результате того, что растворенные в жидком металле газы, не успевают выйти в атмосферу до затвердевания поверхности. Наличие пор в сварном шве делают сам шов менее плотным и уменьшают его механическую прочность, это может сказаться на дальнейшей эксплуатации. Рисунок. 1.15. Поры на поверхности и внутри шва Причины образования пор: 1. Загрязнение кромок свариваемых поверхностей 2. Малый, или же чрезмерный поток защитного сварочного газа 3. Сквозняк в зоне сварки, возможно сдувание защитного газа 4. Нарушение технологии скорости сварки, сварка с завышенной длиной дуги Пористость может быть равномерной, а может встречаться в виде цепочки. Одиночные поры возникают из-за действия случайных факторов, такие как колебания напряжения в сети. Наиболее часто встречаются одиночные поры при сварке титанового или алюминиевого сплавов, в меньшей степени для сталей. 1.5 Общая характеристика ГПА с нагнетателем Н- 370-18 и конструкция нагнетателя природного газа Основным элементом ГПА, в котором происходит технологический процесс повышения давления транспортируемого газа, является центробежный нагнетатель, Рисунок 1.16. Рисунок. 1.16 Изображение нагнетателя Н-370-18 Особенностью центробежных компрессоров магистральных газопроводов является умеренная частота вращения роторов (3700…8200 об/мин), связанная с частотой вращения силовой турбины и отсутствием промежуточного мультипликатора. Вместе с этим необходимость перекачки больших объемов и масс газа приводит к увеличению габаритных размеров компрессора. Центробежные компрессоры магистральных газопроводов можно классифицировать по количеству ступеней на одно- двух- и трехступенчатые. Одноступенчатые компрессоры более просты по конструкции, однако они обеспечивают отношение давлений лишь в пределах pк=рвых/рвх=1,25…1,27. [12] Центробежный нагнетатель Н-370-18 предназначен для сжатия природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам при температуре газа до минус 15 (С и воздуха до минус 50С). Привод нагнетателя осуществляется от газотурбинной установки мощностью 10 МВт. [8] Таблица 1 – Технические характеристики нагнетателя Н-370-18 Наименование показателя Значение Частота вращения ротора , об/ мин 4800 Производительность отнесенная к 20 °C и 760 мм.рт.ст м³/сутки 36х10 6 Политропический К.П.Д нагнетателя, % 85 Расчетная начальная температура газа, при входе в нагнетатель град. С 15 Расчетная температура газа при выходе из нагнетателя, град С 62 Давление газа начальное при входе в нагнетатель кгс/см^2 62 Давление газа конечное при выходе из нагнетателя кгс/см^2 76 Степень повышения давления 1,23 Масса нагнетателя в объеме поставки, т 25 Габаритные размеры, м 2,76×2,92×2,907 1.5.1 Конструкция нагнетателя Нагнетатель 370-18 выполнен в виде одноступенчатой центробежной машины с консольно-расположенным рабочим колесом и тангенциальным подводом, и отводом газа, как показано на рисунке 1.17. Рисунок. 1.17 Н-370-18 общий вид. Основные элементы нагнетателя: ротор, подшипники, диффузор, уплотнения и другие - заключены в специальную гильзу, устанавливаемую в корпус. Стальной литой корпус нагнетателя без горизонтального разъема, цилиндрической формы, закрывается крышкой, на которой смонтированы всасывающая и сборная кольцевые камеры. Система лабиринтного и масляного уплотнений обеспечивает надежную защиту от проникновения газа в помещения компрессорного цеха. Учитывая, что температура корпуса нагнетателя в процессе эксплуатации практически равна температуре газа в газопроводе, нагнетатель устанавливают непосредственно на фундамент без промежуточной фундаментной рамы. В нагнетателе этой конструкции соединение его с силовым валом газовой турбины осуществляется при помощи проставного вала и муфт с бочкообразным зубом. Как показал опыт эксплуатации, даже значительные расцентровки при такой конструкции не влияют на работу агрегата. Нагнетатель поступает в блочном исполнении и включает в себя два блока: блок нагнетателя и блок защитных устройств. Корпус нагнетателя Рисунок. 1.18 – Нагнетатель типа Н-370-18. Общий вид Корпус нагнетателя выполняется из стали в цилиндрической форме 1, закрытый торцевой крышкой 2 со смонтированными на ней всасывающей и сборной кольцевой камерами. Со стороны привода к цилиндру крепится корпус подшипника 8, который в процессе эксплуатации разборке не подлежит. Вал нагнетателя соединяется с валом приводной турбины с помощью соединительной муфты 11, которая закрывается кожухом 10. В торцевой стенке корпуса (цилиндра) нагнетателя выполнены каналы подвода масла к торцевому уплотнению 6 и переднему опорному подшипнику 7, а также каналы слива протечек масла из камеры торцевого уплотнения в поплавковую камеру. На верхней части цилиндра установлен аккумулятор масла. Надёжное уплотнение вертикального разъёма корпуса обеспечивается установкой в канавке торцевой крышки резинового кольца 12. Каналы подвода масла к опорно-упорному подшипнику 9, к реле осевого сдвига, каналы слива масла от упорного подшипника расположены в нижней части корпуса подшипника и подходят к соответствующим каналам гильзы также в нижней части. 1.5.2 Ходовая часть Рисунок. 1.19. Ходовая часть в разборе. Ходовая часть нагнетателя находится в гильзе, представленная на Нагнетатель состоит из трех основных узлов. Ходовая часть нагнетателя (ротор, подшипники, уплотнение, диффузор и другие элементы) заключена в специальную гильзу, а корпус служит только оболочкой для ее размещения. При ремонте или замене какого-либо узла ходовой части гильза извлекается из корпуса и может быть транспортирована в специально оборудованную для ремонта мастерскую. Вместо удаленной гильзы в корпус устанавливается запасная Гильза представляет собой законченную "ходовую часть" машины; корпус выполняет функцию оболочки. Гильза в собранном виде может проходить механические испытания и поставляться в запчасти независимо от корпуса нагнетателя. 1.5.3 Основные технические данные ГТК-10-4. Агрегат предназначен для сжатия природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам. Газотурбинная установка ГТК-10 входящая в состав агрегата, выполнена по открытому циклу, с регенерацией тепла по схеме с «разрезным валом» (со свободной силовой турбиной). Это обеспечивает, несмотря на сравнительную простоту конструкции, высокую экономичность и маневренность установки, т. е. наиболее полное удовлетворение требований, предъявляемых условиям. работы в системе газопроводов. Номинальный режим работы газотурбинной установки при новой, чистой проточной части характеризуется следующими параметрами: - номинальная мощность на муфте нагнетателя 10000 кВт (±5%); - коэффициент полезного действия, отнесенный к номинальной мощности на муфте нагнетателя - 28%±1% (абс.); - температура наружного воздуха - + 15° С; - давление наружного воздуха - 1.033 ата; - температура газа перед турбиной - 780°С; - скорость вращения силового вала - 4800 об/мин; - сопротивление всасывающего и выхлопного трактов - 50 мм в. ст. Газоперекачивающий агрегат и его вспомогательное оборудование монтируется на компрессорных станциях в соответствии с типовой схемой установки. Газотурбинная установка состоит из двух механически несвязанных между собой турбин (турбины высокого давления — для привода воздушного компрессора и силовой турбины — для привода газового нагнетателя), воздушного компрессора, камеры сгорания, воздухоподогревателя, пускового турбодетандера. а также систем смазки, регулирования, защиты и управления, обеспечивающих нормальную работу и обслуживание установки. Воздух из атмосферы через фильтры засасывается и сжимается осевым компрессором и поступает в воздухоподогреватель, где его температура повышается за счет тепла, отработавших в турбине продуктов сгорания. Подогретый воздух направляется в камеру сгорания, куда подается и топливо. Продукты сгорания из камеры направляются в турбину высокого давления, мощность которой используется для привода осевого компрессора; далее продукты сгорания попадают в силовую турбину, вращающую нагнетатель. После турбины продукты сгорания проходят через воздухоподогреватель, отдают часть тепла воздуху, и выпускаются в атмосферу через дымовую трубу. Пуск агрегата осуществляется пусковым турбодетандером, работающим на перекачиваемом по магистральному газопроводу газе. Топливом является перекачиваемый природный газ, редуцируемый до давления 15 кг/см2 . Обе турбины выполнены в общем литом корпусе, имеющем внутреннюю тепловую изоляцию. Ротор турбины высокого давления состоит из одновенечного диска, укрепленного на консоли вала воздушного компрессора, который вращается в двух подшипниках (один из подшипников опорно- упорный). Одновенечный диск турбины низкого давления крепится на консоли силового вала, который вращается в двух подшипниках, расположенных в общем корпусе (один из подшипников опорно-упорный). Воздушный компрессор осевого типа имеет 10 ступеней. Направляющие лопатки укреплены в литом чугунном корпусе. Ротор компрессора барабанного типа. Рабочие лопатки крепятся к ротору при помощи зубчатых хвостов. Вся турбогруппа смонтирована на общей сварной раме-маслобаке. 1.6 Причины разрушения рабочих колес ЦК. Одной из причин снижения ресурса центробежных компрессоров различных конструкций является возникновение и развитие повреждений колес в процессе эксплуатации, а также при их изготовлении. Механизмы и места появления повреждений могут быть различными. Прочность и долговечность рабочих колес зависит от их напряженного состояния под действием статических и знакопеременных сил, а также от степени эрозионного износа. Наличие механических примесей и конденсата в газе приводит к преждевременному износу трубопровода, запорной арматуры, рабочих колес нагнетателей и, как следствие, снижению показателей надежности и экономичности работы компрессорных станций и в целом газопровода. [34] Наибольшие статические напряжения от центробежных сил в колесе закрытого типа возникают, как правило, в покрывающем диске. Эти напряжения тангенциальные, и максимум их имеет место на расточке покрывающего диска При работе компрессора от внешнего переменного силового поля, преимущественно от действия аэродинамических сил, в деталях вращающегося колеса появляются свободные затухающие колебания, сопровождающиеся переменными динамическими напряжениями. При числах оборотов, кратных собственным частотам колебаний элементов колеса, возможно изменение интенсивности колебаний, и процесс может оказаться резонансным, так как подвод энергии в систему происходит при каждом обороте колеса. Чаще всего повреждения колес имеют усталостный характер. Типично усталостные процессы, в том числе и усталостные процессы изнашивания, всегда имеют скрытый период развития, в пределах которого на поверхности незаметны следы каких-либо существенных повреждений. Характер накопления структурных изменений в этот период во многом определяет дальнейший процесс изнашивания, когда на поверхности образуются микроскопические трещины, приводящие к отделению частиц износа.[34] На практике наиболее частые усталостные поломки возникают, в основном, вблизи наружного диаметра полотна покрывного и основного дисков, так как интенсивные резонансные колебания в деталях колеса возбуждаются лишь вблизи выхода газового потока из межлопаточных участков - в самом слабом месте полотен дисков с точки зрения динамической прочности. Устранение вибрационных напряжений в деталях может быть осуществлено конструктивными мероприятиями путем создания детали другой формы, или с другими геометрическими размерами, или с другими связями, обуславливающими другую частоту колебаний. 1.6.1 Образование трещин В большинстве случаев трещина зарождается на внутренней поверхности покрывающего диска у кромки заклепочного отверстия, затем распространяется на всю толщину и доходит до наружной поверхности. Дальнейшее развитие трещины может протекать по-разному: 1) она распространяется в направлении, близком к радиальному, что приводит к отрыву небольшой части покрывающего диска. Рисунок. 1.20 – Внешний вид повреждений диска 2) трещина распространяется по заклепочным отверстиям, что приводит к отрыву значительной части покрывающего диска. На рабочих колесах цельно-фрезерованной или сварной конструкции трещины чаще всего возникают на периферийной части диска между лопатками, затем распространяются к центру и приводят к отрыву части диска между лопатками. Не устраненная своевременно трещина приводит к аварии компрессора. [19] 1.6.2 Концепции причин разрушения Рассмотрим основные концепции, объясняющие причины разрушения рабочего колеса. |