Повышение эффективности уплотнения лопастей рабочего колеса гидротурбины конструкторско-технологическими методами

Известно, что уровень потребления электроэнергии характеризует текущее состояние экономики или производительных сил общества. В то же время, общее положение дел в энергетике, включая техническое состояние генерирующих мощностей с учетом наличия или отсутствия тенденции к их наращиванию, характеризует экономический потенциал государства и, в целом, предопределяет перспективы его дальнейшего развития.

Очевидные преимущества гидроэнергетики, связанные с возобновляемостью ресурсов, относительной экологической чистотой и низкой себестоимостью производства, а также стабильностью выработки послужили причиной интенсивного освоения гидроэнергетических ресурсов во всем мире. В нашей стране интенсивное освоение гидроресурсов продолжалось примерно до 1985 г. Затем этот процесс замедлился. По данным Департамента электрических станций РАО «ЕЭС России» [29], в настоящее время суммарная мощность ГЭС России составляет 43.6 ГВт, а на 64-х действующих ГЭС (установленной мощностью свыше 30 МВт), по данным [30], эксплуатируется 398 гидроагрегатов разных типов, суммарная мощность которых составляет 42.7 ГВт.

Современное состояние гидроэнергетики России характеризуется обострением ряда проблем, обусловленных, прежде всего, старением оборудования, что связано с недостаточностью средств, вкладываемых в его обновление. Однако при общем снижении объемов промышленного производства в России и производства электроэнергии, в частности, выработка ее на ГЭС является достаточно стабильной, а ее доля в общем балансе производства электроэнергии постоянно растет. Последствия же длительной эксплуатации изношенного оборудования на ГЭС в условиях невыполнения мероприятий по восстановлению его работоспособности носят широкомасштабный характер и проявляются, прежде всего, в:

— постоянном снижении эксплуатационной готовности и надежности работы оборудования (поскольку в отсутствие вновь вводимых генерирующих мощностей оборудование действующих ГЭС эксплуатируется более интенсивно, а фактические режимы работы гидросилового оборудования на многих ГЭС отличаются от проектных, в результате чего гидротурбины работают с повышенным уровнем динамических нагрузок на основные узлы);

— превышении фактических простоев гидроагрегатов в ремонтах по сравнению с нормативными сроками, определенными «Правилами организации технического обслуживания и ремонта», в 2. 3 раза и более [30];

— сокращении межремонтного периода — на некоторых ГЭС до 2. 2.5 лет вместо нормированных ПТЭ 5. 7 лет [28];

— резком возрастании затрат на ремонтное обслуживание, доля которых в производственной себестоимости электроэнергии на ряде ГЭС достигает 35. 40% и имеет тенденцию к дальнейшему росту [30];

— ухудшении экологических характеристик оборудования.

Разрабатываемые в СССР долгосрочные комплексные программы работ по реконструкции, расширению, модернизации и техническому перевооружению электростанций были нацелены, помимо продления сроков службы оборудования, на прирост энергетических показателей ГЭС и обеспечение экологической безопасности гидроагрегатов за счет снижения вероятности загрязнения водотока минеральными маслами. При этом на части объектов гидроэнергетики планировалось осуществить расширение за счет установки дополнительных агрегатов, а также произвести замену поворотнолопастных турбин на пропеллерные, что должно было обеспечить увеличение мощности и исключить протечки масла и загрязнение водотоков. Однако в сложившихся условиях функционирования ГЭС и энергетики в целом прежние подходы к обеспечению надежной работы парка оборудования гидроэлектростанций России, ранее предусматривавшие преимущественно комплексную реконструкцию для большинства ГЭС, представляются однозначно нереальными. Поэтому на ряде электростанций, таких как Волжская, Саратовская, Волгоградская и Камская ГЭС, в последнее время используется метод комплексного проведения работ по сохранению работоспособности оборудования, основанный на сочетании работ по полной замене оборудования и проведению расширенных восстановительных ремонтов турбин и генераторов с заменой и модернизацией отдельных узлов и деталей.

В процессе эксплуатации гидротурбин, многочисленные узлы трения которых снабжены труднодоступными уплотнениями, достаточно сложно исключить утечки смазочных материалов. Наиболее проблемным в этом отношении объектом является маслонаполненное рабочее колесо поворотнолопастного типа, в узлах уплотнения лопастей которого допускаются значительные утечки турбинного масла в нижний бьеф, что не только сопряжено с прямыми финансовыми потерями ГЭС, но и негативно отражается на экологии рек, так как в условиях проведения холостых сбросов избытка воды, а также при нехватке мощности генерирующих источников нередки случаи вынужденной работы агрегатов с повышенными утечками масла в воду.

Из опыта эксплуатации гидротурбинных энергетических установок следует, что до 5% всех аварийных остановов гидроагрегатов связано с нарушением герметичности уплотнений гидротурбин [32]. Устранение возникающих в межремонтный период недопустимых протечек масла требует внепланового вывода агрегатов из эксплуатации для осушки проточной части турбин и проведения ремонтных работ. Простои гидроагрегатов из-за неудовлетворительной герметизации узлов снижают технико-экономические показатели работы оборудования, и изменение этой ситуации возможно при условии создания более эффективных и надежных уплотнений, а также в результате глубокой модернизации эксплуатируемых уплотнительных устройств.

Несмотря на значительный прогресс в области герметологии и многообразие известных конструктивных решений, проблема обеспечения длительного безотказного функционирования уплотнений гидротурбин является чрезвычайно актуальной.

Радикальное решение проблем, связанных с утечками масла из гидроагрегатов, возможно в результате их переоснащения с заменой находящихся в эксплуатации поворотнолопастных гидротурбин на турбины, снабженные так называемыми «экологически чистыми» рабочими колесами, однако ввиду чрезвычайно высокой стоимости последних процесс технического перевооружения ГЭС затягивается. Поэтому в условиях вынужденного перехода от выполнения планово-предупредительных ремонтов гидротурбинного оборудования к так называемым «ремонтам по техническому состоянию» (что связано с необходимостью проведения неотложных ремонтно-восстановительных работ в условиях дефицита времени и финансовых средств) наиболее реальным в плане возможной реализации является проведение модернизации существующих штатных уплотнений поворотнолопастных гидротурбин, обеспечивающей повышение эффективности и надежности маслоудержания и, в конечном итоге, обеспечивающей увеличение межремонтного срока службы уплотнительных устройств, но при этом не связанной с внесением значительных изменений в конструкцию эксплуатируемого гидротурбинного оборудования.

Поскольку для уплотнения лопастей рабочих колес в настоящее время используются, в основном, уплотнения радиального типа, возникает необходимость в первоочередной разработке мероприятий по повышению эффективности и связанному с этим увеличению межремонтного срока службы именно радиальных уплотнений лопастей рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин. При этом связь между эффективностью и сроком службы уплотнительного устройства выражается в том, что снижение эффективности работы уплотнений ведет к увеличению протечек рабочей жидкости (например, масла), интенсивностью нарастания которых во времени и определяется межремонтный срок службы уплотнения.

Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является разработка конструкторско-технологических методов повышения эффективности работы и увеличение межремонтного срока службы радиального уплотнения лопастей маслонаполненного рабочего колеса поворотнолопастной гидротурбины.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд самостоятельных задач, к числу которых следует отнести:

— анализ условий функционирования и конструктивных особенностей уплотнений рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин;

— анализ требований, предъявляемых к уплотнениям лопастей в современных условиях, а также существующей критериальной базы для оценки технологичности конструкций и эффективности работы уплотнительных устройств;

— математическое моделирование внешних нагрузок, реологических свойств материалов и напряженно-деформированного состояния элементов узла уплотнения лопастей рабочего колеса поворотнолопастной гидротурбины и выявление на его основе возможных причин возникновения протечек турбинного масла;

— разработка научно-обоснованных конструкторско-технологических решений, связанных с модернизацией радиальных уплотнений лопастей крупногабаритных рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин и направленных на повышение эффективности работы, а также увеличение межремонтного срока службы уплотнительных устройств;

— разработка методического обеспечения выбора расчетных характеристик элементов модернизированного уплотнения с учетом реальных условий его функционирования.

Научная новизна полученных и представленных в диссертации результатов состоит в том, что:

— впервые на основе механической деформации твердого тела выполнен комплексный анализ возможных причин нарушения герметичности комбинированного манжетно-сальникового уплотнения лопастей рабочего колеса поворотнолопастной гидротурбины;

— предложен модифицированный вариант критерия герметичности манжетных уплотнений валов, в отличие от известного варианта [97], позволяющий оценивать эффективность уплотнения в широком диапазоне изменения условий функционирования;

— предложена упрощенная математическая формулировка критерия, позволяющего оценивать текущее состояние манжетных уплотнений тихоходных валов по признаку «герметично/ негерметично» при отсутствии точных данных о скорости вращения вала или при наличии переменной скорости вращения;

— разработана методика проведения расчетной оценки межремонтного срока службы комбинированного манжетно-сальникового уплотнения валов при условии ненарушения целостности сальникового шнура;

— разработана научно-методическая база для выбора расчетных характеристик элементов двустороннего манжетного уплотнения с жестким разделительным кольцом;

— предложены научно-обоснованные конструктивные и технологические решения, обеспечивающие значительное увеличение межремонтного срока службы радиальных уплотнений лопастей рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается адекватностью имеющихся модельных представлений физической картине исследуемых процессов, корректностью применения математического аппарата и вводимых при проведении расчетов упрощающих допущений, а также удовлетворительным совпадением количественных результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований и наблюдений.

Несомненна и практическая значимость диссертационной работы, поскольку тема диссертационного исследования отвечает потребностям эксплуатирующих организаций энергетического комплекса (ГЭС), а также производственных предприятий, специализирующихся в области производства гидроэнергетического оборудования, уплотнительных устройств и резино-технических изделий.

Результаты проведенных исследований по согласованию с заводом-изготовителем гидротурбин (письмо АО «Ленинградский металлический завод» исх. № 511−776/11−462 от 24.08.2000 г.) использованы в ходе модернизации уплотнений лопастей рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин типа ПЛ 587-ВБ-930, эксплуатируемых на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина (г. Жигулевск).

Работа выполнялась в рамках плана НИР НИИ проблем надежности механических систем Самарского государственного технического университета на 1995 — 2000 г. г. (тема: «Разработка структурных и феноменологических моделей деформирования и разрушения материалов и элементов конструкций в условиях ползучести») и межвузовского плана госбюджетных НИР по научному направлению «Механика», утвержденному Министерством образования Российской Федерации на 1998 — 2003 г. г. (тема: «Надежность механических систем в промышленности, энергетике и на транспорте»).

Основные результаты диссертационной работы докладывались на восьмой и десятой межвузовских научно-технических конференциях.

Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 1998, 2000 г. г.), Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2001» (г. Пермь, 2001 г.), международной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы современного гидромашиностроения и методы их решения» (г. Санкт-Петербург, 2001 г.), на семинаре РАО «ЕЭС России» на тему «Обмен опытом по эксплуатации и реконструкции гидроэнергетического оборудования ГЭС» (г. Москва, 2001 г.), а также на совместном семинаре «Прикладная математика и механика» кафедры «Прикладная математика и информатика» и отдела «Теоретические проблемы надежности» НИИ проблем надежности механических систем Самарского государственного технического университета (руководитель — профессор Радченко В. П., 2000 -2002 г. г.), научном семинаре кафедры «Технология машиностроения» Самарского государственного технического университета (руководительпрофессор Носов Н. В., 2002 г.).

По теме диссертации опубликовано 9 работ, включая 6 статей и тезисы 3 докладов.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных литературных источников из 104 наименований и 3 приложений. Объем диссертации составляет 179 страниц, в работе имеется 64 рисунка и 1 таблица.

Выводы по разделу 3.

1. На основе анализа модели функционирования манжетно-сальникового уплотнения лопастей РК гидротурбины определены основные пути его модернизации. Для повышения эффективности уплотнения необходимо применение конструкторско-технологических мер с целью как совершенствования конструкции узла уплотнения и методов его сборки, так и применения технологических приемов для изменения свойств материалов некоторых конструкционных элементов.

2. Для увеличения межремонтного срока службы (что является одним из показателей эффективности) предполагается изменить конструкцию узла уплотнения и вместо графитированного сальникового шнура использовать жесткое разделительное кольцо, профиль поверхности которого рассчитывается в соответствии с методикой, приведенной в данной главе. Позиционирование разделительного кольца относительно уплотняемой поверхности предложено осуществлять с помощью специальных установочных втулок, жестко закрепленных на обсадной поверхности кольца. Кроме того, втулки совместно с прижимными шпильками позволят обеспечить необходимый нормированный уровень контактных напряжений в манжете при монтаже.

3. Для выполнения требований по герметичности, сформулированных в предыдущей главе, в данном разделе работы предлагается провести технологическую доработку манжет, армируя их упругими элементами. Такой подход позволит обеспечить необходимый уровень контактных давлений на уплотняемых манжетами поверхностях, независимо от изменения эластомерами своих реологических свойств на протяжении заданного срока службы. Методика расчета свойств армирующих элементов представлена в данной главе.

4. В обеспечение длительного функционирования уплотнения в соответствии с выбранными требования по герметичности предлагаются технологические мероприятия по уменьшению износа уплотняющих кромок резиновых манжет. С этой целью в данной главе представлены исследования по применению известных технологических методов газоплазменного напыления антифрикционных материалов на уплотняемую поверхность. Экспериментально доказано существенное снижение износа кромок манжет при использовании данной технологии.

Заключение

.

В процессе проведения исследований, связанных с выполнением данной диссертационной работы, были получены новые данные, представляющие научный и практический интерес с точки зрения решения задач, возникающих в связи с необходимостью повышения эффективности работы и увеличения межремонтного срока службы эксплуатируемого на ГЭС гидротурбинного оборудования, а также повышения его надежности и экологической безопасности.

В научном плане результаты проведенных исследований дополняют имеющиеся данные по ряду направлений практической герметологии, создавая предпосылки к реализации новых конструкторских решений и технологических приемов при разработке новых образцов уплотнительной техники и способствуя совершенствованию критериальной базы для оценки эффективности работы уплотнительных устройств.

В целом, основные результаты, полученные автором в процессе выполнения диссертационного исследования, сводятся к следующему.

1. По результатам анализа условий функционирования и моделирования работы радиального уплотнения лопасти рабочего колеса поворотнолопастной гидротурбины выявлены основные причины возникновения протечек турбинного масла через комбинированное манжетно-сальниковое уплотнение валов с сальниковым опорным элементом.

2. Предложен модифицированный критерий герметичности манжетных уплотнений валов, позволяющий оценить эффективность работы уплотнения в широком диапазоне режимов его функционирования, с упрощенной математической формулировкой критерия, позволяющего оценить текущее состояние манжетных уплотнений тихоходных валов по признаку герметично/негерметично" при отсутствии данных о скорости вращения вала.

3. Разработана методика проведения расчетной оценки межремонтного срока службы комбинированного манжетно-сальникового уплотнения валов при условии ненарушения целостности оплетки сальникового шнура.

4. Предложен комплексный подход к модернизации уплотнений крупногабаритных рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин с целью повышения эффективности работы и увеличения межремонтного срока их службы.

5. Разработано методическое обеспечения выбора оптимальных расчетных характеристик элементов двустороннего манжетного уплотнения с жестким разделительным кольцом.

6. На базе теоретико-экспериментальных исследований разработаны следующие научно-обоснованные конструкторские и технологические решения:

— предложена новая конструкция жесткого межманжетного разделительного кольца с двояковыпуклым профилем, упругоармированные лепестковые резиновые манжеты, разделительное кольцо со специальными несъемными направляющими втулками;

— разработаны технологии нанесения антифрикционного бронзового покрытия в комбинации с пропиткой фторопластовой суспензией на лаковой основе на рабочую поверхность уплотняемого кольца лопасти и сборки монтажных соединений по направляющим.

7. В результате предложенных мероприятий повышена эффективность работы радиальных уплотнений лопастей РК поворотнолопастной гидротурбины, выраженная в повышении экологической безопасности, связанной с уменьшением протечек масла на 17%- увеличении межремонтного срока службы с 5 до 10 летуменьшении экономических затрат при эксплуатации в период между ремонтами на 4.61 млн руб. в год.

Таким образом, по результатам выполнения диссертационной работы может быть сделан вывод о том, что поставленная в работе цель является достигнутой, поскольку реализация разработанных автором конструкторско-технологических мероприятий реально обеспечивает повышение эффективности работы и увеличение межремонтного срока службы рассматриваемых уплотнений, что и подтверждается практикой.

Полученные результаты отличаются существенной новизной, а также высокой достоверностью и по согласованию с заводом-изготовителем гидротурбин внедрены при модернизации уплотнений лопастей рабочих колес гидротурбин ПЛ 587-ВБ-930 на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина.