ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2)

PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308

ANALIZY WYTRZYMAŁO�CIOWE I TERMODYNAMICZNE NOWYCH KONSTRUKCJI WSPÓŁPRACÓJ�CYCH

Z WYEKSPLOATOWANYMI ELEMENTAMI TURBIN PAROWYCH

M. SZOSTAK1, A. REHMUS-FORC

2.

ALSTOM Power Sp. z o.o. Warszawa Oddział w Elbl�gu STRESZCZENIE

Ka�dego roku podczas sezonu remontowego w elektrowniach, elektrociepłowniach lub energetycznych zakładach przemysłowych przeprowadza si� remonty elementów turbozespołów. Na charakter remontu ma wpływ wiele czynników pocz�wszy od dyspozycji czasowych, miejsca jak równie� mo�liwo�ci kapitałowych danej elektrowni, zakładu id�c przez usterki serwisowe i ko�cz�c na modernizacjach wyeksploatowanych ju� turbozespołów.

W referacie omówiono problematyk� zwi�zan� z remontem i modernizacj� turbozespołu produkcji LANG. Przedstawiono krótk� charakterystyk� modernizacji turbiny oraz zagadnienia zwi�zane z wykorzystaniem technik komputerowych przy projektowaniu nowych konstrukcji. W opracowaniu głównie wykorzystano wyniki analiz wytrzymało�ciowych Metod Elementów Sko�czonych - MES, Metody Obj�to�ci Sko�czonych – MOS dla oblicze� przepływu pary przez modernizowany układ. 1. WARUNKI PRACY TURBINY PRZED MODERNIZACJ�

Rozpatrywana turbina PR-55/35-18-7,5 pracuje na potrzeby technologiczne zasilaj�c kolektory: z wylotu 7,5bar, z upustu regulowanego 17,5bar. Maszyna ta posiada tak�e zaczep regeneracyjny na nawrocie, który w warunkach nominalnych nie jest wykorzystywany.

1 mgr in�., marcin.szostak@power.alstom.com

2 dr in�., anna.rehmus-forc@power.alstom.com

33/21

298

Uproszczony schemat cieplny turbiny przed modernizacj� przedstawiono na rys.1.

Główne parametry pary w obiegu cieplnym turbiny [3]: - ci�nienie i temperatura na wlocie 132bar i 535oC, - ci�nienie utrzymywane w upu�cie regulowanym 17,5bar, - ci�nienie utrzymywane na wylocie 7,5bar.

34bar 340stC

44bar 430stC

17,5bar

7,5bar

Rys. 1. Schemat cieplny układu turbiny PR-55/35-18-7,5 Fig. 1. Heat diagram system turbine PR-55/35-18-7,5

2. CEL I ZAKRES MODERNIZACJI TURBINY

Celem modernizacji turbiny było przystosowanie do poboru pary technologicznej (upustowej) o specyficznych stałych parametrach 44bar i 430oC i uzyskanie z przepływu tej pary przez turbin� mo�liwie du�ej ilo�ci energii elektrycznej. Najbardziej optymalne warunki pracy turbiny były liczone przy pomocy programu ALPRO do oblicze� 0D układów cieplnych. Przeprowadzone symulacje komputerowe ró�nych wariantów pracy wykazały, �e najkorzystniej jest wyprowadzi� upust o stałym ci�nieniu, a temperatur� regulowa� przy pomocy mieszalnika powoduj�cego dogrzanie pary upustowej par� �wie��. Zalet� tego rozwi�zania jest osi�ganie dodatkowego zysku przy niepełnym obci��eniu turbozespołu, gdy temperatura pary upustowej ro�nie, a wi�c maleje strumie� pary dogrzewaj�cej omijaj�cej układ przepływowy. Rozwi�zanie to nie wymusza tak�e zmian w układzie przepływowym przed nowym upustem w cz��ci WP, co byłoby niezb�dne dla zapewnienia temperatury 430oC w upu�cie dla całego pola pracy maszyny (z warunków projektowych maszyny wynikało, �e odpowiednim miejscem na wyprowadzenie takiego upustu jest dotychczasowy zaczep regulowany). Dla zapewnienia wymaganego ci�nienia w upu�cie konieczne było zastosowanie dodatkowego elementu regulacyjnego, była nim tarcza regulowana z przepływem promieniowym. Dla podniesienia sprawno�ci turbozespołu zaproponowano wymian� układu przepływowego za upustem 44bar i przed upustem 17,5bar na układ łopatkowy oparty o profile 8000 rys. 2 z dostosowaniem przelotno�ci do nowych warunków pracy. Profile te charakteryzuj� si� wysok� sprawno�ci� przy

299

do�� szerokim obszarze obci��enia co wida� na charakterystyce sprawno�ciowej rys. 3. [1]

Schemat cieplny zaproponowanego rozwi�zania przedstawiono na rys. 4.

a) b) Rys. 2. a) łopatka wirnikowa; b) łopatka kierownicza z profilami 8000 Fig. 2. a) rotor blade; b) stator blade with profile 8000

80%

82%

84%

86%

88%

90%

92%

94%

96%

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4

Liczba obciazenia MUEY [-]

Spr

awno

sc p

olitr

opow

a E

TAP

[%

]

Rys. 3. Sprawno�� stopnia w funkcji obci��enia Fig. 3. Stage eficiency in relation to duty

17,5bar

�

�������������

�

�

��������

�

�

44bar 430stC70t/h

������

������

do wymienników regeneracyjnych

������

44bar 400stC80t/h

7,5bar

Rys. 4. Schemat cieplny układu po modernizacji turbiny Fig. 4. Heat diagram system turbine after modernization

2.1. Nowe konstrukcje w turbozespole

W starej konstrukcji cz��� SP posiadała dwie obejmy łopatek kierowniczych, pomi�dzy którymi był zaspawany upust regeneracyjny rys. 5. W celu przystosowania

300

turbiny do nowych warunków pracy nale�ało zmieni� cz��� układu SP na jedn� obejm� łopatek kierowniczych z przesłona regulacyjna, dostosowa� kadłub zewn�trzny, zmieni� �rednic� tłoka odci��aj�cego cz��ci WP i wstawi� nowy tłok odci��aj�cy cz��ci SP rys. 6.

Rys. 5. Cz��� WP i SP przed modernizacj� Fig. 5. HP and IP turbine parts before modernization

Rys. 6. Cz��� WP i SP po modernizacji Fig. 6. HP and IP turbine parts after modernization

Przy takiej modernizacji, gdzie w istniej�cym starym kadłubie nale�ało wstawi�

nowe elementy konstrukcji wspierano si� ró�nymi technikami komputerowymi, głównie programy do oblicze� wytrzymało�ciowych i cieplnych opartych na Metodach Elementów Sko�czonych - MES, oraz oblicze� przepływowych opartych na Metodach Obj�to�ci Sko�czonych – MOS.

Głównymi elementami do szczegółowych analiz wykorzystuj�cych powy�sze techniki komputerowe przy tej konstrukcji okazały si� tematy:

- rozwi�zanie problemu sposobu regulacji ci�nienia przy pomocy tarczy regulowanej i jej konstrukcji współpracuj�cej z obejm� SP,

- zmiana warunków pracy turbiny spowodowała wzrost siły osiowej działaj�cej w kierunku bloku przedniego. Ło�ysko oporowe nie było w stanie jej przenie��, dlatego zdecydowano si� na obni�enie �rednicy tłoka odci��aj�cego znajduj�cego si� przy bloku przednim oraz wprowadzenie dodatkowego tłoka odci��aj�cego pod tarcz� regulowan�.

301

3. TECHNIKI KOMPUTEROWE JAKO NIEODŁ�CZNE NARZ�DZIE PRZY PROCESIE PROJEKTOWANIA

Jak ju� wspomniano w rozdziale drugim głównym problemem było rozwi�zanie

nowej konstrukcji tarczy regulowanej na obejmie SP. Ze wzgl�du na małe miejsce do zabudowy pod tarcze regulowan� typu osiowego oraz ze wzgl�du na du�� ró�nic� ci�nie� przed tarcz� 44bar i za tarcz� 19.6bar zdecydowano si� na tarcz� typu promieniowego. Wiadomo jest, i� tarcze typu promieniowego, poddawane du�ym ró�nicom ci�nie�, mniej s� podatne na odkształcenia w kierunku �rodka tarczy, w zwi�zku z tym siły tarcia jakie mog� wyst�pi� na powierzchni współpracuj�cej w tym przypadku obejmy, s� znikome. Nale�y jednak pami�ta� �e w tego typu urz�dzeniach wa�n� rol� prócz ci�nienia pełni równie� temperatura co wpływa na rozszerzalno�� materiału, w obszarze rozpatrywanej tarczy temperatura jest rz�du 450oC. Prócz samej konstrukcji tarczy regulowanej istotn� rol� jest cz��� przepływowa w kanałach tarczy. Analiza przepływowa kanałów pozwoliła na poznanie sił obwodowych działaj�cych na ruchom� tarcz�, które maja wpływ na przeniesienie, niezawodno�� nap�du tarczy i bezpiecze�stwo. Nast�pnie dalsze analizy pozwoliły na sprawdzenie rozkładu pr�dko�ci pary w kanale dolotowym za tarcz� do układu łopatek cz��ci SP, by mo�na było optymalnie bez wi�kszych strat przepływowych zaprojektowa� cz��� dolotow� do grupy łopatek SP. Na rysunku 7 przedstawiono zestawienie tarczy i obejmy w ostatecznej konstrukcji.

Rys. 7. Przesłona regulacyjna i obejma SP – model CATIA v5 Fig. 7. Control diaphragm and IP blades casing – model CATIA v5

3.1. Analizy termodynamiczne i przepływowe tarczy regulowanej i kanału

dolotowego

Nap�d tarczy regulowanej odbywa si� przy pomocy dwóch siłowników umiejscowionych na zewn�trz starego kadłuba. W zwi�zku z tym nale�ało zmodernizowa� górn� połówk� kadłuba zewn�trznego nad cz��ci� SP poprzez przyspawanie kró�ców do mocowania siłowników hydraulicznych oraz przeniesienia nap�du przez d�wignie przegubowe rys. 8.

W celu zapewnienia niezawodno�ci układy i bezpiecze�stwo pracy oraz dobrania odpowiedniej mocy siłowników nale�ało wykona� analizy termodynamiczne przesłony. Przesłona regulacyjna posiada 32 kanały regulowane równomiernie rozło�one

302

po obwodzie. Na ka�dy kanał działaj� siły ze strony pary przepływaj�cej przez przesłon�, wielko�� ich uzale�niona jest od poło�enia tarczy regulowanej. Do analiz przyj�to trzy poło�enia tarczy:

- poło�enie A – gdy tarcza jest całkowicie otwarta 100% przelotno�ci; - poło�enie B – gdy tarcza jest otwarta na 25% przelotno�ci; - poło�enie C – gdy tarcza jest otwarta na 3% przelotno�ci, przypadek ten

odzwierciedla wyst�powanie luzów.

Rys. 8. Układ nap�dowy przesłony regulacyjnej; poz.1 - przyspawane kró�ce; poz.2

- d�wignia przegubowa; poz.3 - siłowniki hydrauliczne; poz.4 - przesłona regulacyjn

Fig. 8. Power transmission system of control diaphragm; item 1 – welded flange; item 2 – rocker follower; item 3 – hydraulic engine; item 4 – control diaphragm

Obliczenia MOS wykonano programem SPARC, którego algorytm bazuje na

rozwi�zaniu równa� Navier-Stokesa w u�rednieniu Reynoldsa [2]. Na rysunku 9 przedstawiono rozkład ci�nienia statycznego

Rys. 9. Rozkład ci�nienia statycznego i linii pr�du; a) poło�enie A – 100%

przelotno�ci; b) poło�enie B – 25% przelotno�ci; c) poło�enie C – 3% przelotno�ci

Fig. 9. Statical pressure distribution and steam line; a) position A – 100% steam flow; b) position B – 25% steam flow; c) position C – 3% steam flow

Z analiz wynikło, i� najwi�ksze siły obwodowe wyst�puj� w przypadkach gdy

przesłona jest pomi�dzy maksymalnym i minimalnym przymkni�ciem kanałów – wyniki przedstawiono w tablicy 1. Dodatkowo synteza udowodniła wyst�powanie

303

kr�tu, który jest generowany przez przesłon� w poło�eniach zamykaj�cych kanały. Wyst�powanie lokalnych zaburze� w linii pr�du przepływu mogło dodatkowo wpływa� na nierównomierne zasilanie układu łopatkowego cz��ci SP.

Tabela 1. Siły promieniowe i obwodowe działaj�ce na kanał Table 1. Radial and circumferential forces are in single steam channel

Wyniki pokazały zwi�kszanie si� siły promieniowej na jeden kanał w zale�no�ci od poło�enia tarczy regulowanej, adekwatne to jest ze spadkiem ci�nienia na przesłonie. Sprawdzono odkształcenia tarczy poddane siłom promieniowym i temperaturze omywaj�cej przesłon� rys.10.

Rys. 10. Odkształcenia i napr��enia tarczy regulowanej w poło�eniu B;

a) odkształcenia; b) napr��enia zredukowane Fig. 10. Strains and stresses in control diaphragm at position B;

a) Strains; b) reduced stresses

Analiza pokazała, i� odkształcenia tarczy s� symetryczne i odkształca si� obwodowo na zewn�trz a nie jak wcze�niej przypuszczano do wewn�trz tarczy na skutek spadku ci�nienia. Taki charakter odkształcenia tarczy sprawia, i� powi�kszaj� si� luzy obwodowe w miejscu współpracy z obejm� SP. Warto�ci odkształce� i napr��e� dla jednego z przypadków pokazano w tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki odkształce� i napr��e� zredukowanych Table 2. Results of strains and reduced stresses

W zwi�zku z małymi gabarytami przesłony regulacyjnej oraz kanału dolotowego do grupy łopatek obejmy SP za przesłon� istotne było sprawdzenie rozkładu ci�nienia i pr�dko�ci w tym�e kanale. Tego typu analizy pozwalaj� na dalsze projektowanie samego kanału oraz obejmy. W przypadku obejmy wa�nym czynnikiem było tu

304

zapewnienie szczelno�ci na płaszczy�nie podziału. Wyst�powanie znacznych ró�nic ci�nie� wynikaj�cych z kształtu kanału mogłoby wpływa� na niepotrzebne deformacje obejmy w obszarze pierwszych stopni łopatek cz��ci SP. W kształcie samego kanału nale�ało unikn�� znacznych ró�nic pr�dko�ci oraz miejscowych turbulencji wynikaj�cych z mocno zakrzywionego kształtu kanału. Rezultat analiz kanału dolotowego przedstawiono na rys. 11.

Rys. 11. Wyniki oblicze� kanału dolotowego;

a) rozkład ci�nienia w kanale; b) rozkład wektorów pr�dko�ci w kanale Fig. 11. Results of inlet channel calculations;

a) pressure distribution in inlet channel; b) vector of velocity distribution in inlet channel

Wyniki pokazały, �e kształt kanału jest dobrze zaprojektowany. Informacja

o miejscowym zwi�kszeniu ci�nienia zaraz za przesłon� pozwoliło dobra� w dalszej cz��ci projektowania elementy skr�caj�ce obejm� oraz ich rozmieszczenie na płaszczy�nie podziału.

3.2. Obliczenia wytrzymało�ciowe obejmy SP

Jak ju� wcze�niej wspomniano, w tego typach konstrukcji istotn� spraw� jest

zapewnienie szczelno�ci na płaszczy�nie podziału obejmy. W zwi�zku z tym kolejnym krokiem przy projektowaniu obejmy było dokonanie cyklu oblicze� wytrzymało�ciowych obejmy. Przy tego typu obliczeniach wa�ne jest:

- dokładne zaprojektowanie siatki do oblicze� MES, - warunki pracy (brzegowe) danego układu.

Do oblicze� zastosowano program MES Abaqus/Standard, wersja 6.3.

wykorzystywany w biurze konstrukcyjnym firmy ALSTOM. Obliczenia wytrzymało�ciowe obejmy cz��ci SP wykonano dla nast�puj�cych

warunków pracy [4]: - maksymalny spadek ci�nienia ∆p na tarczy regulowanej (minimalna moc

elektryczna), - maksymalny spadek ci�nienia ∆p na obejmie (maksymalna moc elektryczna).

Bazuj�c si� na wieloletnim do�wiadczeniu firmy ALSTOM obliczenia

wytrzymało�ciowe obejmowały nast�puj�ce warunki obci��e� obejmy:

305

- rozkład napr��e� Mises przy obci��eniu jedynie od ci�nienia pary, - rozkład napr��e� Mises przy obci��eniu od ci�nienia i temperatury pary.

Na rysunku 12 przedstawiono pogl�dowe wyniki oblicze� dla warunków pracy

o maksymalnym spadku ci�nienia na tarczy regulowanej przy obci��eniu jedynie od ci�nienia pary przypadek b) i przy obci��eniu od ci�nienia i temperatury przypadek c).

Rys. 12. Wyniki oblicze� wytrzymało�ciowych dla warunków pracy przy maksymalnym spadku ci�nienia na tarczy regulowanej; a) rozkład

temperatury w obejmie w stanie ustalonym; b) rozkład napr��e� Mises dla warunku obci��enia jedynie od ci�nienia pary; c) rozkład napr��e� Mises dla warunku obci��enia od ci�nienia i temperatury

Fig. 12. Results of strength calculations for working conditions with max pressure drop at the control diaphrag; a) temperature distribution in IP blade casing during steady condition; b) Misses stresses distribution for only steam pressure loads condition; c) Misses stresses distribution for steam pressure and temperature loads condition

Na rysunku 13 przedstawiono pogl�dowe wyniki oblicze� dla warunków pracy

o maksymalnym spadku ci�nienia na obejmie przy obci��eniu jedynie od ci�nienia pary przypadek b) i przy obci��eniu od ci�nienia i temperatury przypadek c).

Wyniki oblicze� MES obejmy SP pozwoliły na wprowadzenie niewielkich zmian konstrukcyjnych w obejmie. Głównie zmiany dotyczyły:

- powi�kszenia powierzchni płaszczyzny podziały obejmy i dodanie dwóch �rub na tej powierzchni w celu zapewnienia szczelno�ci na „grzebieniu” obejmy,

- wprowadzenia dodatkowych �eber usztywniaj�cych na obwodzie tarczy od strony wylotu obejmy,

- przesuni�cia �rub w obszarze nowego tłoka odci��aj�cego w kierunku osi obejmy.

Po przeprowadzeniu powy�szych oblicze� przepływowo-wytrzymało�ciowych przy pomocy nowoczesnych technik komputerowych i wprowadzeniu poprawek do wersji pierwotnych konstrukcji przesłony i obejmy przyst�piono do produkcji powy�szych elementów.

306

Rys. 13. Wyniki oblicze� wytrzymało�ciowych dla warunków pracy przy maksymalnym spadku ci�nienia na obejmie SP; a)rozkład temperatury

w obejmie w stanie ustalonym; b)rozkład napr��e� Mises dla warunku obci��enia jedynie od ci�nienia pary; c) rozkład napr��e� Mises dla warunku obci��enia od ci�nienia i temperatury

Fig. 13. Results of strength calculations for working conditions with max pressure drop at the IP blade casing; a) temperature distribution in

IP blade casing during steady condition; b) Misses stresses distribution for only steam pressure loads condition; c) Misses stresses distribution for steam pressure and temperature loads condition

4. MODERNIZACJA KADŁUBA ZEWN�TRZNEGO

Równoległym procesem podczas projektowania oraz wytwarzania nowych konstrukcji był proces modernizacji kadłuba. Głównym problemem przy modernizacji kadłuba, by wyprowadzi� nap�d na zewn�trz, było przyspawanie dwóch kró�ców w górnej połówce kadłuba. Miejsce spawane było miejscem trudnym w sensie wykonania faz spawalniczych oraz wielko�ci spoin rz�du max. około 200mm. Problem ten wynikał z samej konstrukcji pierwotnej kadłuba zewn�trznego co przedstawiono na rys. 14. Modernizowany obszar był obszarem gdzie przenikały si� dwie tworz�ce płaszczyzny kadłuba (pł. beczkowa i cylindryczna), które w znacznym stopniu utrudniły wykonanie spoiny ł�cz�cej kró�ce z kadłubem.

Rys. 14. Kadłub zewn�trzny – obszar modernizowany Fig. 14. Outer turbine casing – modernized area

Otwory pod kró�ce nale�ało wykona� na �rednic� 280mm a wielko�� faz

spawalniczych była zmienna i uwarunkowana kształtem samego kadłuba oraz

307

ograniczeniami wynikaj�cych z wielko�ci spoin i ich jako�ci. Do wykonania, mogło si� wydawa� prostego otworu, wykorzystano takie narz�dzia jak CATIA v5 w celu zamodelowania geometrii zmiennej spoiny oraz narz�dzia do obróbki numerycznej (maszyna obróbcza Double Gentry) obrabiaj�cej w 5 płaszczyznach, b�d�cej na stanie parku maszynowego zakładu fabryki firmy ALSTOM.

W efekcie modernizacji kadłuba poprzez przyspawanie kró�ców w celu wyprowadzenia nap�du pozyskano efekty ekonomiczne w postaci wykorzystania do dalszej pracy starego kadłuba zewn�trznego z nowym układem przepływowym.

Pozyskiwanie wyeksploatowanych kadłubów zewn�trznych poprzez ich rewitalizacj� lub modernizacj� do dalszej pracy w zmodyfikowanych układach przepływowych jest przedmiotem innych opracowa� [6]. 5. WNIOSKI

Przy dzisiejszych krótkich terminach realizacji projektów, wa�nym jest niezawodno��, bezpiecze�stwo w pracy nowych konstrukcji turbin cz�sto współpracuj�cych ze starymi elementami turbozespołu oraz osi�gni�cie zamierzonych efektów. Wykorzystanie nowych technik komputerowych opartych na obliczeniach numerycznych pozwoliło na wprowadzenie dodatkowych zmian w konstrukcji dzi�ki temu zwi�kszaj�c niezawodno�ci i bezpiecze�stwo modernizowanego turbozespołu.

W wyniku modernizacji poprzez dostosowanie cz��ci SP turbiny do nowych warunków pracy udało si� uzyska� zamierzone cele opisane w trzech punktach gwarancyjnych [5]:

- uzyskano 10,4MW przy pełnym wydatku upustu 44bar 128,7t/h (z czego 80t/h na regeneracj� a reszta do podgrzania i na technologi� – po podgrzaniu uzyskano 70t/h pary o temperaturze 430oC) i maksymalnym przepływie pary �wie�ej do turbiny 420t/h,

- uzyskano 8,2MW przy pełnym wydatku upustu 44bar 135,3t/h (z czego 80t/h na regeneracj� a reszta do podgrzania i na technologi� – po podgrzaniu uzyskano 70t/h pary o temperaturze 430oC) i przepływie pary �wie�ej do turbiny 360t/h,

- uzyskano 3,4MW przy wydatku upustu 44bar 70t/h bez podgrzewu i przepływie pary �wie�ej do turbiny 300t/h.

LITERATURA [1] Materiały opisuj�ce charakterystyki profili łopatek typu 8000 firmy ALSTOM. [2] Doerffer P., Flaszy�ski P., Rz�dkowski R.: Obliczenia wytrzymało�ciowe

i przepływowe tarczy regulowanej SP, praca zlecona dla IMP, Gda�sk (2004). [3] Opis koncepcji modernizacji układu przepływowego, Elbl�g (2003). [4] Kucharski W.: Obliczenia wytrzymało�ciowe obejmy cz��ci SP turbiny PR-55/35-

18-7,5, Elbl�g (2004). [5] Gwarancje techniczne turbiny PR-55/35-18-7,5, Elblag (2004).

308

[6] Rehmus-Forc A.: Rewitalizacja kadłubów turbin parowych, New Trends in Technology System Operation, Prešov, SLOVAK Republik (20-21.10.2005) s.189-191.

STRENGTH AND TERMODYNAMIC ANALISES OF NEW CONSTRUCTIONS WHICH MATE

WITH OLD STEAM TURBINE PARTS SUMMARY

The paper shows problems connected with overhaul and modernization of steam turbine set manyfactured by LANG. There is showed brief main modernization of turbine and problems conected with using new computer technology during designing new turbine parts constructions. In this paper using mainly results of strength analises reled on FEM – Finite Element Method, CFD – Computational Fluid Dynamic for calculation steam flows through modernizated system. Recenzował: prof. Roman Wrona.