Г. З. Зайцев, А. Я. Аронсон. «Усталостная прочность деталей гидротурбин», Москва, «Машиностроение», 1975 г., 160 с.
В книге рассматриваются усталостная прочность рабочих колес и спиральных камер радиально-осевых и поворотно-лопастных гидротурбин, а также эксплуатационная нагруженность деталей и усталостные повреждения их.
Даны экспериментальные исследования выносливости сталей в коррозионной среде, при асимметричном и двухчастотном нагружении. Изложены теоретические и экспериментальные данные о влиянии параметров нагружения на изменение выносливости при двухчастотном нагружении. Приведены аналитические зависимости для прочностных расчетов и определения запасов прочности на усталость деталей гидротурбин.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, связанных с проектированием и испытаниями гидротурбин.
Введение
Развитие отечественного гидротурбостроения ставит перед конструкторами и технологами задачу улучшения существующих и создания новых мощных гидротурбин.
С ростом единичных мощностей гидротурбин увеличиваются размеры их рабочих колес. Так, перо лопасти рабочих колес поворотно-лопастного типа турбин Волжской ГЭС им. В. И. Ленина (126 тыс. кВт) равно 5,4 X 2,8 м и масса лопасти 20 т; лопасти рабочих колес турбин Днепродзержинской ГЭС имеют размер пера 6,3 х 3,6 м и массу лопасти 24 т.
Более уникальны рабочие колеса турбин радиально-осевого типа. Так, рабочие колеса турбин Асуанской ГЭС (АРЕ, 180 тыс. кВт) и Братской ГЭС (230 тыс. кВт) имеют диаметр более 5,5 м и массу около 100 т, а рабочие колеса крупнейших в мире турбин Красноярской ГЭС им. 50-летия СССР (500 тыс. кВт) — диаметр 8,5 м и массу 240 т.
В настоящее время изготовление таких крупных деталей литыми не представляется возможным и целесообразным. Поэтому уникальные рабочие колеса изготовляют в виде сварнолитых конструкций, в которых верхний обод, нижний обод и каждую лопасть отливают отдельно, а затем сваривают.
Вследствие специфических условий работы гидротурбин отдельные части рабочего колеса (лопасти, нижний обод) изготовляют из кавитационно- и коррозионностойких хромистых сталей.
Сварная конструкция позволяет изготовлять рабочие колеса комбинированными: детали, подверженные кавитации, выполняют из нержавеющих хромистых сталей, остальные — из дешевых малолегированных. Перспективность изготовления таких рабочих колес обусловлена значительным снижением стоимости рабочего колеса в связи с уменьшением применения дорогих высоколегированных сталей.
Сварка значительно улучшает технологичность изготовления гидротурбин, однако сварные соединения в крупных конструкциях, особенно из сталей разного класса, создают опасность возникновения в них высоких остаточных напряжений, что может существенно снизить несущую способность рабочего колеса.
Особенно опасны высокие уровни остаточных напряжений (растяжения) при действии циклических нагрузок.
Исследования нагруженности натурных рабочих колес и их моделей выявили при работе гидротурбин наличие циклических нагрузок с частотой 10—100 Гц [78, 86]. Подтверждением опасных циклических нагрузок служат повреждения гидротурбин, которые носят усталостный характер [60, 72]. Трещины, начинаются обычно в местах концентрации напряжений (сварные швы, литейные дефекты и т. п.) и после заварки через некоторое время возникают вновь. Возникновение усталостных трещин усугубляется работой деталей рабочих колес гидротурбин в коррозионной среде.
Усталостные разрушения значительно увеличивают трудоемкость и сроки ремонтных работ, а в отдельных случаях приходится преждевременно останавливать гидротурбины и заменять дорогостоящие детали.
Уделяя основное внимание кавитационным и гидроабразивным разрушениям, исследователи и конструкторы до последнего времени мало анализировали случаи усталостных разрушений деталей гидротурбин. Предполагалось, что основными силами, действующими на рабочее колесо, являются статические нагрузки, а динамические нагрузки незначительны по сравнению со статическими, поэтому в расчетах учитывались только статические нагрузки [26, 46].
В отлитых как одно целое рабочих колесах усталостные разрушения возникали в большом количестве.
С ростом единичных мощностей и соответственно размеров гидротурбин усложнилась технология изготовления, повысилась напряженность отдельных деталей, в результате более часто обнаруживались усталостные разрушения.
Замеры напряжений и деформаций деталей радиально-осевой гидротурбины в натурных условиях при работе их с номинальной мощностью показали, что динамические нагрузки составляют 10% статических (средних) и вызываются они вибрациями лопасти из-за неравномерности потока воды [78]. Аналогичные замеры в элементах поворотно-лопастной турбины на режимах разгона и при работе на номинальной мощности показали, что при пуске турбины в корневом сечении лопасти динамическая составляющая равна 60% статической нагрузки [86]. На выходной кромке лопасти динамическая составляющая при этом режиме достигает даже 100% статической нагрузки.
При работе на режиме номинальной мощности динамические напряжения составляют 10—15% статических. Кроме того, во всех точках межлопастного пространства и рабочей камеры существуют высокочастотные пульсации давлений с амплитудой 5—7% статических.
Более поздние исследования на модели рабочего колеса показали, что на режимах номинальной мощности динамические составляющие могут достигать 15—20% статических. Турбины часто работают на нерасчетных режимах и напорах в условиях сильной кавитации, что существенно увеличивает действующие циклические нагрузки.
Таким образом, при эксплуатации гидротурбин наряду с кавитационным и гидроабразивным износом возникают усталостные разрушения, вызванные вибрацией агрегата в результате пульсации давления потока воды, вихреобразования, кавитации и т. д. Возникновению усталостных разрушений способствует также коррозионная среда. Основная масса усталостных трещин и изломов возникает на выходной кромке лопасти, где на постоянно действующую, максимальную от напора воды статическую нагрузку накладываются динамические нагрузки.
Нередко повреждению от усталости металла подвергаются сечения лопасти с малыми статическими напряжениями, но при этом повреждение начинается всегда в местах концентрации напряжений (сварные швы, места заварок, литейные дефекты, конструктивные концентраторы и т. п.).
Для создания надежных и долговечных уникальных сварных гидротурбин в расчетах на прочность необходимо учитывать усталостные характеристики используемых металлов и сварных соединений.
Детали гидротурбин, изготовленные из углеродистых и малолегированных сталей для устранения влияния коррозии, покрывают коррозионностойкими облицовками и наплавками. В этом случае также определяющим является влияние облицовок и наплавок на сопротивление усталости основного металла и прочность приварки облицовки.
Надежность и долговечность гидротурбин во многом зависят от правильности выбора технологических процессов их изготовления (литья, ковки, различных видов сварки, электродов, термообработки и т. п.). Установление влияния технологических процессов на сопротивление усталости сталей и сварных соединений позволяет оценить преимущества и недостатки различных технологических процессов.
Анализ напряжений показывает, что лопасти рабочих колес гидротурбин подвергаются одновременно действию не менее двух нагрузок, различных частот и амплитуд.
В книге даны результаты исследований, а также обработки материалов Ленинградского металлического завода им. XXII съезда КПСС (ЛМЗ) и ЦНИИТМАШа в следующих направлениях:
- Установление характеристик сопротивления усталости применяемых в гидротурбостроении сталей и их сварных однородных и разнородных соединений в зависимости от масштабного фактора, вида сварки, термообработки и остаточных напряжений.
- Выявление влияния приварки различными методами облицовок на изменение сопротивления усталости облицованных деталей.
- Изучение сопротивления усталости сталей, используемых в гидротурбостроении и других отраслях машиностроения при двухчастотном нагружении.
- Установление усталостной и коррозионно-усталостной прочности сталей при асимметричном цикле нагружения с учетом влияния концентраторов напряжений. Построение полной диаграммы усталости.
- Повышение усталостной прочности сварных и облицованных деталей мощных гидротурбин.
- Разработка новых норм допускаемых напряжений деталей гидротурбин с учетом их циклической нагруженности.
Учитывая, что детали гидротурбин работают в условиях асимметричного нагружения, и в связи с тем, что при исследованиях усталостной прочности сталей была выявлена значительная их чувствительность к асимметрии цикла нагружения, для оценки усталостной прочности гидротурбин необходимо знать напряженное состояние, определяемое статической составляющей напряжений. Поэтому в книге рассмотрены вопросы определения статических напряжений.
В книге даны материалы по эксплуатационной нагруженности и усталостным повреждениям лопастей гидротурбин; усталостной прочности сталей и сварных соединений; влиянию на характеристики усталости масштабного фактора, асимметрии и двухчастотного нагружения, коррозионной среды; определению запасов усталостной прочности рабочих колес и спиральных камер гидротурбин.
Введение и гл. II, III, IV написаны Г. З. Зайцевым, гл. I, V, VI и VII — А. Я. Аронсоном.
