CC BY
17
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
ОБЛАДНАННЯ ТА РЕМОНТИ
УДК 621.6.072:621.762
© Карпенко Т.М.1, 1щенко А.О.2, Бондаренко О.В.3
В1ДНОВЛЕННЯ ФУНДАМЕНТНИХ РАМ ДВИГУН1В ТА ГЕНЕРАТОР1В ЗА ДОПОМОГОЮ КОМПОЗИТНОГО МАТЕР1АЛУ «MULTIMETAL STAHL 1018»
У cmammi розглянуто питания використання сучасного композитного матер1алу «Multimetal Stahl 1018» для вiдновлення фундаментних рам nid турбогенератори теплових електростанцт. До^джено напружено-деформований стан nолiмерних зразюв, вмонтованих у фундаментм рами цилiндрiв низького тиску ТЕС. Викорис-товуючи результати розв'язку задачi теорИ' nружностi Мiчелла, отримат величи-ни нормальних i дотичних головних напружень, як виникають у зразку тд дieю рi-вномiрно розподтеного навантаження. Чисельний аналiз задачi проводився при ва-рiюваннi конструктивними параметрами зразка i величин заглиблень його в пази фундаменту. Запропоновано алгоритм розрахунку, який реалiзований за допомогою програми Microsoft Excel i Solid Works.
Ключовi слова: напруження, турбоагрегат, епюра, фундаментrn рами, «Multimetal Stahl 1018», алгоритм, Microsoft Excel, Solid Works.
Карпенко Т.Н., Ищенко А.А., Бондаренко А.В. Восстановление фундаментных рам двигателей и генераторов с помощью композитного материала «Multimetal Stahl 1018». В статье рассмотрен вопрос использования современного композитного материала «Multimetal Stahl 1018» для восстановления фундаментных рам под турбогенераторы тепловых электростанций. Исследовано напряженно-деформированное состояние полимерных образцов, вмонтированных в фундаментные рамы цилиндров низкого давления ТЭС. Используя результаты решения задачи теории упругости Мичелла, получены величины нормальных, касательных и главных напряжений, которые возникают в образце под действием равномерно распределенной нагрузки. Численный анализ задачи проводился при варьировании конструктивными параметрами образца и величин углублений его в пазы фундамента. Предложен алгоритм расчета, который реализован с помощью программы Microsoft Excel и Solid Works.
Ключевые слова: напряжение, турбоагрегат, эпюра, фундаментные рамы, «Multimetal Stahl 1018», алгоритм, Microsoft Excel, Solid Works.
T.M. Karpenko, A.O. Ischenko, O. V. Bondarenko. Restoring of engines and generators foundation frames by means of the composite material «Multimetal Stahl 1018». The
problem as to the use of the modern composite material «Multimetal Stahl 1018» («MM Stahl 1018») to restore the frames of the foundation under the turbine generators of thermal power plants has been studied in the article. The surfaces of the supporting parts of the foundation are known to wear out and ruin under operating conditions. Substantial financing is required to restore them. The proposed «MM Stahl 1018» due to its composition and consistency makes it possible to ensure high accuracy contact of the
1 канд. ф1з.-мат. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний утверситет», м. Марiуnоль, taisktn2013@gmail. com
2 д-р техн. наук, професор, ДВНЗ «Приазовський державний техшчний утверситет», м. Марiуnоль, ischenko49@mail. ru
3 студент, ДВНЗ «Приазовський державний техтчний утверситет», м. Марiуnоль, sashok547@gmail. com
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
supporting surface and the frames of the foundation, protecting the frames against corrosion as well. The polymeric cylindrical samples mounted into the grooves of the frame have been studied. The aim of the research was to study the stress-strain state of the sample under the action of uniformly distributed pressure, taking into account static and vibratory loads. The results of solving the problem of Michell elasticity theory have been used; the values of normal, shearing and principal stresses in the sample have been obtained. With the help of the Microsoft Excel program, the numerical analysis of the problem for different values of the design parameters of the sample have been carried out and the depth of the samples getting into the grooves in the foundation frames have been calculated. The results of the analysis are tabulated in a table and the strain and stress diagrams have been constructed. The diagrams of stress and strain for the model made in the program Solid Works 3D of the sample with the same parameters have been created. The algorithm of practical research of the stress-strain state of the sample, which can serve as a constructive solution for the restoring and design work at energy producing and other business enterprises has been offered.
Keywords: stress, turbine, diagram, foundation frame, «Multimetal Stahl 1018», algorithm, Microsoft Excel, Solid Works.
Постановка проблеми. Кожен piK на багатьох енергогенеруючих тдприемствах плану-ються вщновлюванш роботи на обладнаннях теплових електростанцш, у процес яких викону-сться демонтаж великогабаритного обладнання (вщновлення його чи замша для встановлення на мюце експлуатацп). Однак у процес експлуатацп старих агрегата вщбуваеться зношення i пошкодження поверхш фундаменту внаслщок значних вiбpацiйних навантажень та корози при попаданш води в умовах пщвищених температур.
Монтаж вщновленого обладнання на пошкоджеш у попереднш експлуатацп фундаментш рами е великою проблемою, бо без надшного контакту опорних поверхонь агрегату та фунда-ментних рам не вдаеться не тшьки встановити агрегат у проектне положення, а i неможливо його експлуатувати внаслщок вipогiдноí появи вiбpащí корпусу. Тому найчаспше доводиться або виконувати довгостpоковi роботи з тдгонки опорних поверхонь, або повнютю замшяти фундаментш рами разом з фундаментами, що приводить до великих фшансових витрат [1].
AH^i3 останшх дослщжень i публжацш. Запропонований для виршення проблеми композитний матеpiал «Multimetal Stahl 1018» («MM Stahl 1018») базуеться на кращих полiме-рах, як при затвердшш майже не дають усадку, мають добру мехашчну мщнють та хiмiчну стшкють [2]. До складу поpошкiв-наповнювачiв входять високоякюна нержавдача сталь, кера-мши та домшки для тдвищення поверхнево! напруги та хiмiчноí стшкосп. Завдяки свош щеа-льнiй в'язкш консистенцп, матеpiал легко наноситься шпателем i piвномipно pозподiляеться по вшх напрямках пiд час монтажу. Завдяки хорошим властивостям формувань «MM Stahl 1018» з дiапазоном точност 1/100 мм, здшснюеться 100% точнiсть тдгонки прямо на мющ, не вима-гаючи жодного доопрацювання матеpiалу [2, 3].
Результати експеримента [3] показали, що металополiмеp у вiльному сташ витримуе лише незначнi ударш навантаження. В умовах же об'емного стиснення циктчна мiцнiсть метало-полiмеpу при динамiчному навантаженнi багаторазово зростае i констpукцiя здатна витримати навантаження, що мають мюце в опорних поверхнях важко навантажених машин.
Аналiз вiбpацií. Аналiз вiбpацil туpбогенеpатоpiв [4] показуе, що вона носить складний характер i тому, в загальному випадку, не може бути вимipяна тшьки одшею амплггудою коли-вань. Проте якою б не була складна вiбpацiя, и можна представити як результат додавання великого числа синусощ частоти coi i амплiтуди Ai. Тому мipою piвня вiбpацiй е вiброшвидкiсть, що вимipюеться приладом
Вiбрацiя оборотног частоти виникае через розбiжнiсть центрiв тяжшня окремих пере-тинiв валопроводу з лшею, навколо яко! вiдбуваеться його обертання.
Основним джерелом вiбращl подвшно! оборотно! частоти е електричний генератор, зок-рема для турбiн iз частотою обертання 50 Гц. Такий генератор мае два полюси, тобто двi обмо-
(1)
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
тки, розташоваш на протилежних сторонах ротора, i тому його onip вигину рiзний в рiзних площинах. 1нколи виникають автоколивання у разi витрати стiйкостi обертання валу на масле-нiй плiвцi пiдшипникiв з частотою, близькою до половини частоти обертання.
У нормально працюючому турбоагрегат основне значення мае вiбрацiя оборотно! частоти. Це означае, що в формулi (1) можна враховувати тiльки один член i тодi допустима амплiтуда
вiбрацil, наприклад, при швидкостi 2,8 мм/с дорiвнюе a = 42 ■V / с = 13 мкм. Експлуатацiя турбоагрегату забороняеться при вiбрацil понад 7,1 мм/с, тобто при розмаху вiбрацil бшьше 65 мкм.
Постановка задача Об'ектами вивчення е дослщш зразки з композитного матерiалу «MM Stahl 1018», якi знаходяться в пазах фундаментно! рами цилiндра низького тиску тепло-вих електростанцiй (рис. 1). Зразки мають цилiндричну форму дiаметром 2а i висотою h. Вiдомi параметри, що характеризують пружш властивостi анiзотропного матерiалу.
Турбогенератор
рама
Рис. 1 - Об'ект вивчення
Вважасться, що вертикальнi навантаження (вага 70 тон i динамiчнi складовi вiд вiбрацiй) piBHOMipHO розподiленi мiж дослiдними зразками. На кожен зразок дie рiвномiрно розподiлене навантаження штенсивнютю р.
Мета статт - вивчити напружено-деформований стан дослщного зразка; для практичного використання результата роботи запропонувати алгоритм i скласти програму для його реа-лiзацiï в пакетах Microsoft Excel i SolidWorks.
Виклад основного MaTepiany. Теоретичне дослщження напруженого стану дослiдного зразка з матеpiалу «MM Stahl 1018» проводилось за методом, який застосував Мiчелл [5]. Ко-ординати точок, що належать обласп дослiдження, задовольняють умовам —а < х < а, -h < y < 0 (рис. 2).
Рис. 2 - Розрахункова схема
Положення довшьно1 точки М(х, у) можна задати в полярних координатах р1, р2, 01, 02 [5] таким чином
х = a + р1 • cos01 (2)
y = -р • sin .
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
Мiж параметрами полярно1' системи координат, згiдно рис. 2, мають мiсце залежностi
P1 • sin в1 = P2 • sin в2, (3)
f 2a
в2 = arcctg ctge1 +
(4)
V
P, • sin в,
Маемо компоненти тензора напружень [6]
p / ч У • cos (в, + в2) Xx = -p (в,-в2 ) + 2 • p • a*-(5)
Ж P • P2
Y, -Рв-в,)-2• p-ay™в ) ; (6)
Ж P • P2
-2 p ay sin(в1 + в2) . (7)
PГ P2
Чисельний аналiз задачi. Зафiксувавши, наприклад, параметр в,, задаючи значення р, з
певним кроком, знайдемо напруження Xx, Yy, X = Yx в досить великш сукупностi точок по-
ловини дослщжувано! областi 0 < x < a, —h < y < 0. В таблицю заносяться координати точок i значення напружень. Для перевiрки умов мщносп застосовано енергетичну теорiю найбшьшо! потенцшно! енергп змiни форми, яку рекомендовано в енергетичному машинобудуванш, де об'екти тдлягають змiнi температур в широкому дiапазонi [7]. Композитний матерiал
«MM Stahl 1018» мае рiзнi допустимi напруження на розтягнення [ст+] = 76МПа i на стиснен-ня ] = 160МПа . Тому виконання критерда мщносп виражаеться формулою
^ + ^ —^2 <К] . (8)
Головш напрyження и1 i сг2, при цьому, зв'язанi з компонентами напрyжень Xx, Yy, X залежностями
1,2 2
Xx + Yy ±J( Xx — Yy ) + 4X
(9)
Чисельний аналiз задачi по визначенню компонента вектора напружень та nepeBipKy умови мщносп рекомендуеться проводити за допомогою алгоритму. KoMernapi для виконання алгоритму, який peaлiзoвaний з допомогою програми Microsoft Excel, наступш:
- маемо два пакети даних 2а, h, p, E, и, [ст+ ], [ст_ ] ;
- при фшсованому знaчeннi кута вх змiнюемo параметр рх з певним кроком таким чином, щоб рх < Va2 + h2 , Т < вх < т . Визначаемо координати точки ( x, y ) ;
- для конкретно!' точки знаходимо компоненти вектора напружень Xx, Yy, X ;
- знаходимо головш напруження i и2 ;
- застосовуемо певну теорда мщносп.
Якщо умова мiцнoстi виконуеться, розрахунок завершено. Якщо не виконуеться - змшю-емо вихiднi дaнi.
Для бшьш наглядного висновку щодо величин компонента вектора напружень в дослщ-ному зразку за отриманими результатами були побудоваш дiaгpaми для кожного компонента в piзних кольорах. Для дослщного зразка визнaчeнi, oкpiм напружень, перемщення побудовано! в кoмплeксi програм Solid Works [6] його 3D модели бо маючи компоненти вектора напружень ашзотропного тiлa, неможливо визначити перемщення за узагальненим законом Гука.
Чисельний анатз зaдaчi проводився для фшсованих значень ai р. В величину штенсив-нoстi piвнoмipнo розподшеного навантаження р входять статичнi i динaмiчнi навантаження. В
1
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
таблицю заносились результати чисельних аналiзiв задачi, яки отримаш для багатьох точок з дослщжувано! областi за допомогою програми Microsoft Excel. Фрагмент розрахунюв при a = 0,009 м, h = 0,0025 м, р = 24МПа представлений в таблищ.
Таблиця
Результати чисельних розрахунюв при a = 0,009м; h = 0,0025м; р = 24МПа
x y Xx Yy Xy G G2
0,008903 -0,00047 -8,19316 -18,5189 22,06003 9,300081 -36,0122
0,008981 -0,00067 -10,3518 -13,528 23,92615 12,03892 -35,9187
0,008932 -0,00233 -7,46491 -15,0035 23,55954 12,62494 -35,0934
0,008709 -0,00141 -6,57247 -19,3282 21,93137 9,889574 -35,7903
0,008503 -0,00125 -5,75694 -22,9312 17,79613 5,415518 -34,1036
0,008777 -0,00025 -10,6081 -24,2878 7,471778 -7,31825 -27,5777
0,007971 -0,00167 -6,01367 -24,9343 12,42732 0,144455 -31,0924
0,006309 -0,00145 -16,7325 -22,2669 1,170252 -16,4952 -22,5041
0,006125 -0,00093 -20,3464 -21,9471 0,205178 -20,3205 -21,973
0,005843 -0,0025 -11,6127 -23,6184 3,298588 -10,7661 -24,465
0,004665 -0,00234 -15,7691 -22,0852 1,06463 -15,5945 -22,2598
0,002587 -0,00207 -19,2105 -21,3184 0,143646 -19,2007 -21,3281
0,001482 -0,00243 -18,7172 -21,0363 0,098465 -18,713 -21,0405
Для тих самих дослщних зразюв визначались напруження i перемiщення при рiзних величинах заглиблень зразка в паз фундаментно! рами. На рисунку 3 представлена залежнють максимальних напружень, що виникли в зразку, при змшах заглиблень вiд 0,5h до h за допомогою програми Solid Works.
t*
I
I
*
Ci
с CD
CD с
I (U §
I
-0 (0
, £
CD b
§
О
CD
§
45 44
43
41
39
37 35
44,362.
.41 429 -
,40,464
37,7 98
36,401
35,36o\
1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 Величина заглиблень h, мм
Рис. 3 - Залежнють максимальних напружень вщ величини заглиблення зразка в
паз фундаментно! рами
Висновки
1. В статп, виходячи з особливостей конструкци i експлуатацп турбогенератора, нами узагальнеш причини, частоти i амплггуди вiбрацiй, яю треба враховувати при виконанш вщно-влюваних та проектних робгг для надiйного контакту агрегату з фундаментом.
2. Скориставшись розв'язком задачi теори пружностi Мiчелла, визначений напружений стан дослщного зразка з матерiалу «MM Stahl 1018», який вмонтований в паз фундаментно! рами цилшдру низького тиску теплово! електростанцп для широкого спектру параметрiв об'екту.
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
3. Порiвнюючи дослщження повнiстю заглибленого в паз зразка з заглибленим частково, маемо: несуча здатнють першого вища в порiвняннi з другим. Це може слугувати конструктив-ним рiшенням для вщновлюваних та проектних робiт фундаменту турбогенератора чи шших двигунiв.
4. Запропоноваш алгоритми для практичних дослiджень НДС дослщного зразка, як реа-лiзованi з допомогою програм Microsoft Excel i SolidWorks.
Список використаних джерел:
1. Савинов О.А. Современные конструкции фундаментов под машины и их / О.А. Савинов. -2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Стройиздат. Ленингр. отделение, 1979. - 200 с.
2. Ищенко А.А. Технологические основы восстановления промышленного оборудования современными полимерными материалами / А.А. Ищенко. - Мариуполь : ПГТУ, 2007. - 250 с.
3. Експлуатащя та обслуговування машин / В.М. Кравченко [та ш.]. - Донецьк : Донбас, 2014. - С. 533.
4. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины / А.Д. Трухний. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 598 с.
5. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости / Н.И. Мусхелишвили. - М. : Наука, 1966. - 707 с.
6. Дударева Н.Ю. Самоучитель SolidWorks 2006 / Н.Ю. Дударева, С.А. Загайко. - СПб. : БХВ-Петербург, 2006. - 336 с.
7. Беляев Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. - М. : Г.И.Ф.-М.Л., 1962. - 856 с.
Bibliography:
1. Savinov O.A. Modern construction of foundations for machines and their calculation / O.A. Savi-nov. - 2 nd ed., Revised. and ext. - L. : Stroyizdat. Leningrad office, 1979. - 200 p. (Rus.)
2. Ishchenko A.A. Technological bases of recovery of industrial equipment with modern polymeric materials / A.A. Ishchenko. - Mariupol : PSTU, 2007. - 250 p. (Rus.)
3. Operation and maintenance of machines / V.M. Kravchenko [et al.]. - Donetsk : Donbas, 2014. -P. 533. (Ukr.)
4. Truhny A.D. Stationary steam turbines / A.D. Truhny. - M. : Energoatomisdat, 1990. - 598 p. (Rus.)
5. Muskhelishvili N.I. Some basic problems of the mathematical theory of elasticity / N.I. Muskhel-ishvili. - M. : Nauka, 1966. - 707 p. (Rus.)
6. Dudareva N.Y. Tutorial SolidWorks 2006 / N.Y. Dudareva, S.A. Zagayko. - SPb. : BHV-St. Petersburg, 2006. - 336 p. (Rus.)
7. Belyaev N.M. Strength of Materials / N.M. Belyaev. - M. : G.I.F.-M.L., 1962. - 856 p. (Rus.)
Рецензент: В.В. Суглобов
д-р техн. наук, професор ДВНЗ «ПДТУ»
Стаття надшшла 05.05.2016
