بخشی از مقاله
چکیده
خستگی دور بالا1 میتواند یکی از عوامل اصلی بروز شکست در پرههاي توربینهاي بخار باشد. ارتعاشات بالاي پره توربین میتواند تنشهاي دینامیکی بالاتر از حد مجاز تولید کرده . که باعث ایجاد خستگی دور بالا میگردد. در این مقاله به بررسی ارتعاشات پرههاي ردیف آخر نیروگاه رامین اهواز پرداخته میشود. ابتدا به بررسی ایجاد مدل هندسی یک تک پره پرداخته میشود. براي تایید مدل ساخته شده در نرمافزار2، از تست مودال تجربی کمک گرفته میشود. در ادامه مدل هندسی یک ردیف توربین ایجاد شده و بهمنظور ایجاد المانهاي تماسی بین اجزاي مختلف و تحلیل دینامیکی به نرمافزار اجزاء محدود3 منتقل میشود. از تحلیل دیاگرام کمپبل و شکل مودها مشاهده شده است که تشدید، نمیتواند یکی از عوامل شکست پرههاي توربین بخار این نیروگاه باشد.
مقدمه
تامین انرژي الکتریکی کافی و مطمئن بهمنزله نیروي محرکه صنعت، کشاورزي و خدمات اساسی، از اصلیترین نیازها و ملزومات پیشرفت همه جانبه و توسعه پایدار میباشد. در حال حاضر بخش عمده انرژي الکتریکی مورد نیاز توسط نیروگاههاي بخار، گازي، ترکیبی و هستهاي تولید میگردد، که در تمامی این نیروگاهها تبدیل انرژي حرارتی به انرژي مکانیکی بهوسیله توربینهاي بخار و گاز که از پیچیدهترین و حساسترین تجهیزات نیروگاهی میباشند، صورت میگیرد .
از زمان ورود توربینهاي بخار و کاربردهایشان در بخشهاي مختلف صنعت، تجربه رایجی وجود دارد که شکستهاي پره یک دلیل اصلی از کار افتادن این ماشینها میباشد. شکست پره به علت خستگی، عمدتاً مربوط به ارتعاشات میباشد .تساي در سال 2004 ارتعاشات سیکل کامل که از60 پره تشکیل شده است، بهکمک روش اجزاي محدود بررسی نمود .
تحلیل دینامیکی دو سازهي متفاوت که در یکی از آنها 10 گروه 6 تایی و در دیگري 5 گروه 12 تایی پره وجود دارد، جهت بررسی ارتعاشات، انجام شد. مشاهده نمودند که در مدل 6 تایی از پره در بازهي سرعت کارکرد توربین، تشدید وجود دارد.
اورساق و رومر در سال 1994 به بررسی تکنیک هاي تحلیل مودال در مدل مونتاژ شده ي دیسک و پره پرداختند. آنها به این موضوع اشاره دارند که تحلیل فرکانس تشدید در تحلیل شکست خستگی دور بالا، امري الزامی میباشد. بنابراین، بهترین روش براي بدست آوردن فرکانسهاي طبیعی مدل مونتاژ دیسک-پره را، ترکیب تست مودال تجربی و تحلیل اجزاء محدود میدانند. باگی و همکارانش [4] در سال 2002 به بررسی اثر سیمهاي مستهلککننده 4 بر روي تنشهاي دینامیکی وارد بر پرههاي توربین بخار پرداختند. آنها نشان دادند که جدا شدن این سیمها منجر به افزایش فوق العاده تنش در پره شده و درنتیجه سبب افزایش ریسک شکست خستگی میشود.
پریرا و همکارانش در سال 2007 به تحلیل خستگی کم نوسان در پرههاي توربین 320 مگاواتی که در ردیف پنجاهم آن پرهها دچار شکست شدهاند، پرداختند. براي بدست آوردن فرکانس تشدید به تحلیل مودال مدل کامل این ردیف که از 133 پره تشکیل شده است، در سرعت دورانی 60 هرتز پرداختند. چون هیچ فرکانس تشدیدي در این سرعت یافت نشد، به این نتیجه رسیدند که شکست، ناشی از مسئلهي خستگی کم نوسان نمیباشد.
مازور و همکارانش در سال 2008 به بررسی شکست در توربین بخار 660 مگاواتی که تعداد زیادي از پرههاي ردیف آخر آن دچار شکست شده بود، پرداختند. تست مودال بر روي مجموعه پرهها - که بهصورت چهارتایی بههم متصل بودند - بر روي محور توربین در حالت ساکن صورت پذیرفته و فرکانسهاي طبیعی پرهها بدست آمد. آنها مشاهده نمودند که تشدید مکانیکی عامل شکست نمیباشد.
همچنین، مازور و همکارانش در سال 2009 به بررسی شکست در پرههاي ردیف آخر یک توربین 28 مگاواتی پرداختند. تعداد زیادي از پرههاي ردیف آخر این توربین دچار شکست شده بود . آنها در تحقیق خود از تحلیلهاي متالوگرافی پرههاي شکسته، تحلیل فرکانسی، تحلیل تنش در پرهها بههمراه تحلیل ترك و انتشار آن، بررسی پارامترهاي مؤثر در عملکرد توربین و تاریخچه حوادث رخ داده استفاده نمودند. آنها چنین نتیجهگیري نمودند که تشدید در حالت کارکرد عادي باعث شکست نبوده، بلکه شکست بهعلت کار در ناحیهي گذرا - مانند کار در بار کم - میباشد.
کوبیاك و همکارانش در سال 2009 به تحلیل شکست در ریشهي پرههاي توربین بخار 350 مگاواتی پرداختند. آنها مشاهده کردهاند که فرکانس مود اول ارتعاشی ردیف کامل بسیار نزدیک با هارمونیک سیزدهم در سرعت 60 هرتز میباشد . همچنین، آنها مشخص نمودند که حداکثر تنش در ریشه پره با سطح تماسی مطابقت نداشته و آن را علت اصلی شکست پره معرفی نمودند.
هر ساله برخی از کنفرانسها و سمینارهاي علمی بهعلل شکست پرههاي توربین اختصاص یافته و تعداد بسیار زیاد مقالات انتشار یافته در مجلات علمی معتبر، گویاي اهمیت این زمینه میباشد.
هدف از این مقاله، تاثیر ارتعاشات به عنوان یک فاکتور مهم بر روي شکست پرههاي توربین میباشد. در ابتدا یک پره توربین تکی مدلسازي میشود. براي تایید این مدل از آنالیز مودال تجربی کمک گرفته میشود. در ادامه به ایجاد مدل هندسی مونتاژ شده در پرداخته میشود. بهمنظور بررسی تولید شبکه و تحلیل مودال، مدل مونتاژ شده به نرمافزار اجزاء محدود منتقل میگردد. در نهایت به تحلیل و تجزیهي نتایج بدست آمده پرداخته میگردد.
مدلسازي تک پره
براي مدل نمودن دقیق هر سازهاي نیاز به نقشهي آن الزامی است . اما به دلیل اینکه نقشهي ایرفویل پره موجود نمیباشد، از ابزار اندازهگیري اسکن نوري کمک گرفته میشود. مدل خروجی اسکن نوري، در نرمافزارهاي مدلسازي، بهگونهاي موجود نمیباشد که بتوان از سطوح آن استفاده کرد. اما نرم افزار این قابلیت را دارد که بتواند ابر نقاط را نسبت به سطح مرجعی پیدا کند. از اتصال این ابر نقاط بهکمک منحنیهاي راهنما مدل بدست میآید - شکل . - 1
شکل :1 منحنی ابر نقاط
در این مدل از 49 منحنی ابر نقاط و 14 منحنی راهنما براي ترسیم ایرفویل پرهي توربین استفاده شده است . اگر منحنی ابر نقاط را به تنهایی بهوسیله دستور نمایه تبدیلی1 در نرم افزار به یکدیگر متصل شوند، مشاهده میشود که این جسم 3 بعدي ساخته شده داراي اعوجاجهاي شدیدي در برخی از نقاط میشوند. براي رفع این مشکل از منحنیهاي راهنما مطابق شکل 2 استفاده میشود. این منحنیهاي راهنما در نقاطی که داراي اعوجاج شدیدي هستند براي هدایت مسیرهاي پیشبینی شده بکار میروند.
شکل :2 دو نمونه از منحنیهاي راهنما
در روش معمول از دادههاي تست مودال تجربی پره در حالت گیردار، براي روزآمد کردن مدل اجزاء محدود استفاده میشود. در حالیکه لقی در تکیهگاه باعث میگردد که سختی سازه کاهش یابد و فرکانسهاي طبیعی اندازهگیري شده کمتر از مقدار واقعی باشند. بنابراین، براي جلوگیري از این خطا، تست مودال تجربی در حالت آزاد انجام میشود. نتایج تست مودال تجربی و روش اجزاء محدود یک پره در حالت آزاد در جدول 1 آورده شده است.
جدول :1 مقایسه فرکانسهاي آزاد پره توسط تست مودال تجربی و روش اجزاء محدود
مدلسازي یک ردیف کامل
در این بخش، هندسهي یک حلقهي 96 تایی پره، که توسط 32 سیم مستهلک کننده به شکل کمانهایی از دایره، پرهها را به یکدیگر متصل میکنند، مدلسازي میشود. 16 سیم مستهلک کننده در شعاع داخلی و 16 سیم دیگر در شعاع خارجی قرار دارند. هرکدام از این سیمهاي مستهلک کننده 6 پره را به یکدیگر متصل مینماید. مطابق شکل 3 سیمهاي مستهلک کننده داخلی از وسط سیمهاي مستهلک کننده خارجی در شعاع داخلی نصب شدهاند.
شکل :3 طرز قرار گیري سیمهاي مستهلک کننده
هرکدام از این سیمهاي مستهلک کننده در 2 طرف ابتدایی و انتهایی خود به پره جوش خوردهاند. مطابق شکل 4 جسم سیاه رنگ که در سوراخ پره قرار دارد، تکهاي از سیم مستهلککننده میباشد که نسبت به پره ثابت شده است. اما بقیهي این سیم مستهلک کننده که به رنگ آبی در شکل 4 نشان داده شده است در مرز مشترك خود با تکهي سیاه رنگ، به یکدیگر ثابت شده است 2 - فلش زرد رنگ در شکل . - 4
همچنین، مرز مشترك بین هر دو سیم مستهلک کننده نسبت به یکدیگر ثابت میباشند - فلش بنفش رنگ در شکل. - 4 اتصال بین سیم مستهلک کننده قرمز رنگ در شکل 4 با پره بایدبهگونهاي باشد که بین آنها جدایش رخ ندهد و بتواند در آن حرکت کند - فلش سبز رنگ - .
شکل :4 انواع اتصالهاي بین سیمهاي مستهلک کننده و پره
در قسمت ریشه پره، مطابق شکل 5 هر 2 پره کنار هم، در قسمت پایینی خود بر روي یک پین و در قسمت بالایی خود روي کمانی از پین دیگر قرار دارند.
شکل :5 اتصال در قسمت ریشهي پره
هندسهي کلی پرهها پس از مونتاژ کردن اجزاي مختلف مانند پرهها، سیمهاي مستهلک کننده، پین و دیسک بدست میآید. هندسهي کامل پره از نماي چپ و جلو بهترتیب در شکل هاي 6 و7 مشاهده میشوند.
شکل :6 نماي چپ از هندسهي کامل پرهها
شکل :7 نماي جلو از هندسهي کامل پرهها
تحلیل مودال با روش اجزاء محدود
آنالیز مودال جهت تعیین مقدار فرکانس طبیعی و شکل مود آن استفاده میشود. مقدار فرکانس طبیعی هر سازه بستگی به شکل سازه، جنس و تکیهگاه آن سازه دارد. در عین حال، مقدار بارگذاريها و نوع بارگذاريها نیز میتواند در فرکانس طبیعی موثر باشد.
