Влияние температурных полей на нарушение центровки деталей трансмиссии газоперекачивающего агрегата

Голуб, Виктор Петрович

Автореферат диссертации по теме "Влияние температурных полей на нарушение центровки деталей трансмиссии газоперекачивающего агрегата"

На правах рукописи

ГОЛУБ ВИКТОР ПЕТРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ НА НАРУШЕНИЕ ЦЕНТРОВКИ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСМИССИИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 Ш 2009

Тюмень - 2009

003488249

Диссертационная работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Федерального агентства по образованию Российской Федерации

Защита диссертации состоится 24 декабря 2009 г. в 1722 на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г.Тюмень, ул.Мельникайте, 72.

Автореферат разослан «24» ноября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тарасенко Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Чекардовский М.Н.

кандидат технических наук, доцент Симонов В.В.

Ведущая организация: ООО «ТюменНИИгипрогаз»

кандидат технических наук

В.И. Берг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы. Сегодня, наработка некоторых ГПА с авиационным приводом составляет свыше 100000 часов. Основными агрегатами, имеющими такую высокую наработку, являются ГПА-Ц-16, ГПА-Ц-18, которые эксплуатируются с 1983 года.

Автор анализирует отказы, связанные с износом и разрушением деталей соединения валов двигатель-нагнетатель (трансмиссии) сопровождавшиеся повышением вибрации на силовой турбине и передней опоре нагнетателя. Предварительные исследования, показали, что на соосность вального соединения двигатель-нагнетатель существенно влияет изменение температурных полей. Нарушение соосности ведет к повышенному износу и разрушению сопрягаемых деталей трансмиссии, вследствие чего детали и узлы не вырабатывают назначенный ресурс. Существующая нормативно-техническая документация по этому вопросу также нуждается в доработке.

Разница температурных полей опорных конструкций двигателя и нагнетателя существенно влияет на их деформации, которые в свою очередь изменяют положение осей валов. Данной методикой предлагается провести комплекс работ по выявлению значений изменения центровки при изменении температурных полей агрегата и при необходимости ввести компенсационные смещения при центровке валов. Таким образом, разработка методики введения компенсационных смещений для выполнения центровки вального соединения двигатель-нагнетатель с использованием методов компьютерного моделирования, позволяющей существенно снизить износ деталей трансмиссии, является одной из наиболее актуальных задач при эксплуатации ГПА.

Целью работы является исследование влияния изменений температурных полей на степень расцентровки деталей трансмиссии ГПА и разработка методики ее своевременного обнаружения и предотвращения.

Задачи диссертации

1. Классификация дефектов трансмиссии ГПА-Ц-16 и причин их возникновения.

2. Проведение промышленного эксперимента для исследований термических деформаций и смещений опор двигателя, свободной турбины и нагнетателя при различных эксплуатационных режимах ГПА.

3. Проведение промышленного эксперимента для исследований температурных полей в отсеках ГПА и в опорных конструкциях двигателя и нагнетателя, а также оценка их влияния на изменение центровки двигатель-нагнетатель.

4. Разработка модели термических деформаций опорных конструкций ГПА-Ц-16 при помощи численных методов.

5. Разработка и внедрение методики центровки вального соединения двигатель-нагнетатель с учетом радиальных и осевых смещений, возникающих в газоперекачивающем агрегате ГПА-Ц-16 в процессе его эксплуатации.

Методы решения задач

При решении поставленных задач использовались теоретические, численные и экспериментальные методы исследования температурных полей, термических деформаций опорных конструкций ГПА и их влияние на расцентров-ку и надежность трансмиссии ГПА. Теоретические исследования базируются на научных основах механики, теплопередачи и методе конечных элементов. При проведении экспериментальных исследований применяются методы измерения температур, термических деформаций, параметров вибраций и статистической обработки данных.

На защиту выносятся

1. Результаты анализа и классификация дефектов трансмиссии ГПА.

2. Результаты численного исследования термических деформаций опорных конструкций ГПА.

3. Результаты экспериментального исследования температурных полей опорных конструкций в отсеках двигателя и нагнетателя.

4. Результаты экспериментального исследования термических деформа-

ций опорных конструкций и их влияние на центровку двигатель-нагнетатель на различных режимах работы ГПА.

5. Методика повышения надежности эксплуатации ГПА-Ц-16, путем реализации мероприятий по недопущению критической расцентровки двигатель-нагнетатель.

Научная новизна результатов

1. Классифицированы, и статистически обработаны виды дефектов трансмиссий ГПА-Ц-16. Установлено, что одной из основных причин разрушений являются недопустимые значения расцентровки осей валов трансмиссии.

2. В ходе выполнения промышленного эксперимента получены функциональные зависимости между изменениями температурных полей на эксплуатационных режимах ГПА и параметрами соосности осей трансмиссии.

3. Разработана математическая модель, и выполнено численное исследование влияния термических деформаций рам двигателя, свободной турбины и корпуса нагнетателя на величину расцентровки вального соединения.

Практическая значимость результатов

• Создана база данных изменения показателей технического состояния турбоагрегатов путем исследования 227 турбоагрегатов восьми компрессорных станций Надымского региона ООО «Тюмень трансгаз», что позволило разработать методику повышения надежности на основе индивидуального подхода к центровке турбоагрегатов при проведении регламентных и ремонтных работ.

• Разработана методика центровки вального соединения двигатель-нагнетатель с учетом радиальных и осевых смещений, возникающих в процессе температурных воздействий при эксплуатации агрегата. Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждались:

- на Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г. Тюмень;

- на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара;

- на Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа;

- на совместном расширенном заседании кафедр «Авиационные двигатели» и «Основы конструирования механизмов и машин» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Публикации

Основное содержание работы отражено в 11 опубликованных работах, в их числе 2 статьи в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы; изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 80 иллюстрации, 39 таблиц; библиографический список включает 56 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая ценность.

В первой главе дан анализ опыта эксплуатации ГПА с авиационным газотурбинным приводом.

Проведен анализ отечественных и зарубежных публикаций, посвященных различным аспектам эксплуатационной надежности газоперекачивающих агрегатов, среди которых следует выделить работы Р.Н. Бикчентая, Б. П. Поршако-ва, P.C. Ревзина, A.C. Лопатина, В.И. Никишина, А.Н. Казаченко, С.П. Зариц-кого, В.А. Шуровского, Ю.С. Елисеева, В.В. Крымова, A.B. Тарасова, Е.В. Урь-ева, А.Б. Шабарова, В.А. Иванова и др.

В 1981 г. был создан газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-16 с авиационным приводом НК-16СТ в блочно-контейнерном исполнении. На сегодняшний день только на 8 КС Надымского региона ООО «Тюмень трансгаз» используется 227 ГПА-Ц-16. Реальная наработка отдельных агрегатов достигла 110000 часов. Достижение такой высокой наработки возможно только при эффективной системе технического обслуживания и ремонта, которая создавалась и совершенствовалась по мере накопления опыта эксплуатации.

Для разработки эффективных методов оценки, контроля и прогнозирования состояния ГПА в межремонтный период, а также постоянного изучения характера и причин всех видов износа и отказа элементов агрегата была создана база данных для ГПА-Ц-16 по инициативе и с личным участием автора. Для изучения были выбраны наименее исследованные отказы по механической части, связанные с износом и разрушением деталей и узлов вального соединения свободная турбина - нагнетатель, сопровождающиеся повышением вибрации на свободной турбине (СТ) и передней опоре нагнетателя.

Работа, проведенная в ООО «Газпром трансгаз Югорск», по изучению изменения соосности (центровки) вального соединения (трансмиссии) СТ - нагнетатель показала её значительное изменение в процессе эксплуатации. Замеры температур на двенадцати ГПА-Ц-16 - КС Правая Хетта, КС Ямбургскос и КС СОГ показали существенное влияние изменения температурных полей в отсеках двигатель - нагнетатель на изменение соосности валов трансмиссии. Изменение центровки (соосности) приводило к повышенному износу и разрушению деталей вального соединения (трансмиссии), вследствие чего они не вырабатывали назначенный ресурс.

Во второй главе выполнен анализ наиболее часто встречающихся дефектов трансмиссии и дана их классификация. Были определены контролируемые параметры, сроки проведения измерений и способы их регистрации. Полученные данные систематизировались и анализировались автором с целью изучения влияния полученных после проведения ремонта характеристик ГПА на его вибрационную составляющую. Всего проанализировано более 500 измерений.

Отказы ГПА-Ц-16 связанные с повышенным износом и разрушениями деталей и узлов трансмиссии сопровождающиеся увеличением вибрации по СТ и передней опоре нагнетателя за последние 10 лет классифицируются в следующие основные группы: износ и повреждение зубчатого венца и зубчатой обоймы муфты (58,3% от общего числа разрушений); износ шлицевого соединения ротора нагнетателя (12,2%); пластическая деформация вала, увеличение радиальных биений по поверхности вала (12%); кольцевые риски на поверхности вала трансмиссии в местах установки уплотнения (8%); разрушение фланца и болтов вала трансмиссии (5,6%); появление цветов побежалости на поверхности вала трансмиссии (2,7%); разрушение кожуха трансмиссии, вала трансмиссии (1,2%). Анализ и классификация отказов трансмиссий позволили высказать предположение, что основной причиной отказов является нарушение соосности вального соединения СТ - нагнетатель. Центрирование элементов соединения, согласно нормативных документов, производится на остановленном ГПА при строго оговоренных температурах в отсеках двигателя и нагнетателя. Однако, в последствии, при выходе ГПА на эксплуатационные режимы температуры в отсеках двигателя и нагнетателя повышаются и становятся отличными, от температуры центровки. Увеличение температуры в отсеках на эксплуатационных режимах ведет к термическим деформациям рам двигателя, СТ и корпуса нагнетателя, а это нарушает центровку основных узлов ГПА: двигателя; СТ; нагнетателя. Для целенаправленного определения расцентровок узлов ГПА на эксплуатационных режимах были разработаны программы теоретического и экспериментального исследований.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования температурных полей в отсеках ГПА и в опорных конструкциях двигателя и нагнетателя. На основе анализа изменения температур с момента центровки агрегата, было установлено, что в отсеке двигателя и СТ на эксплуатационных режимах температура на 40...80 °С выше, чем в отсеке нагнетателя. При выполнении центровки перепад температур в отсеках, согласно стандартных инструкций, поддерживается не более 10 °С, причем, как правило, при проведе-

нии центровки, температура в отсеке нагнетателя выше, чем в отсеке Д и СТ, а на эксплуатационных режимах - наоборот. Для исследования температурных полей были выполнены промышленные эксперименты на различных ГПА Ям-бургской, Ново-Уренгойской, Надынской, Хасарейской, ЦДКС, Право-Хетинской, Приозерной и Ягельной КС. Для измерения температур использовались: тепловизор, инфракрасный пирометр ИЛЖЕбб с диапазоном измерений - 20...450 °С и погрешностью измерения 0,1 °С, приспособление для центровки 1.4300.9030.ОООН4, индикаторы часового типа ИЧ-10 с погрешностью измерения 0,01 мм, для измерения смещений использовался прибор лазерной центровки КВАНТ-Л-П с диапазоном измерений перемещений 0...3,5 мм с погрешностью 0,001 мм. На эксплуатационных режимах, с целью изучения температурных полей, с помощью пирометра производились измерения температур рамных конструкций Д-СТ (по определенному маршруту) по 40 точкам (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения точек измерения температур

Измерения температур в отсеках ГПА и температуры окружающей среды производились с помощью штатной аппаратуры ГПА. Всего было выполнено и проанализировано 50 измерений на каждом ГПА, на 35 ГПА. Установлено, что температуры в рамах двигателя и СТ распределяются неравномерно. Разница температур между верхними и нижними балками двигателя и СТ в среднем составляет 60 °С, разница температур по правой и левой стороне двигателя и СТ доходит до 42 °С. Температура корпусов Д и СТ достигает 200 °С и более. Корпус нагнетателя, также, нагревается неравномерно, но максимальная темпера-

тура значительно ниже, до 42 °С, разницы температур со стороны входа-выхода газа, верхней и нижней частью нагнетателя незначительные, до 12... 15 °С.

На следующем этапе был выполнен контроль соосности в период эксплуатации от момента проведения центровки до её следующего контроля перед проведением ремонта. Контроль соосности производился сразу после останова на горячем агрегате, затем еще раз после его остывания. На завершающем этапе производилось моделирование, с помощью штатной системы подогрева, температурных условий в отсеке двигателя, СТ и нагнетателя, после этого осуществлялось измерение соосности Д, СТ, Н с помощью приспособления для центровки, индикаторов, приборов KBAHT-JI-I1 и Fixturlaser Shaft 100. Экспериментальное исследование производилось в следующей последовательности: на ГПА до его останова снимались показания параметрических характеристик и измерялись температуры по маршруту (см. рис. 1); после останова ГПА проводится центровка Д - Н, согласно инструкций, с занесением в формуляр агрегата; с помощью штатной системы подогрева моделируются температурные поля в отсеках ГПА, характерные для агрегата во время его работы, после прогрева «вгорячую» производится контроль соосности.

Установлено, что при моделировании полей температур в отсеках Д, СТ, Н, соответствующих эксплуатационным режимам, происходит значительное изменение соосности, которое выходит за пределы допусков.

В четвертой главе разработана математическая модель и выполнено численное исследование термических деформационных перемещений рам двигателя, свободной турбины корпуса нагнетателя на основных эксплуатационных режимах, которое позволило установить характер изменения центровки системы двигатель - нагнетатель. Для более адекватного учета особенностей геометрии конструкции, внешних нагрузок и распределения температур расчет выполнялся с использованием метода конечных элементов на лицензионном программном комплексе ANSYS, имеющем сертификат Госатомнадзора РФ (ПС № 490 от 10.09.2002 в ЦОЭП при РНЦ КИ; паспорт аттестации ПС № 145 от 31.10.2002 г.).

При формировании трехмерной геометрической модели объекта были использованы стержневые элементы ВЕАМ-4 для моделирования рамных конструкций и оболочечные элементы SHELL-63 для моделирования корпусов свободной турбины, корпуса нагнетателя и приводного вала двигатель - нагнетатель. Размеры поперечных сечений элементов ВЕАМ-4 и толщины элементов SHELL-63 соответствовали сборочным чертежам, а механические свойства материалов - маркам сталей. Примененные типы конечных элементов характеризуются наличием 6 степеней свободы в каждом узле, что позволяет учитывать не только линейные, но и угловые деформационные перемещения. Граничные условия в виде ограничения соответствующих угловых перемещений задавались в местах крепления рамной конструкции к фундаменту, который при расчете полагался абсолютно жестким. Внешние нагрузки обуславливались наличием гравитационных сил и определялись для каждого конечного элемента с учетом постоянной плотности его материала. Узловые температуры задавались на основании экспериментальных данных, полученных в процессе исследования температурных полей в отсеках ГПА. Обобщение результатов проведенных исследований с использованием программы Maple 12 позволило аппроксимировать распределение температуры в объеме ГПА функциональной зависимостью:

7) = ах,. + Ьу- + С2,- ^ ^ ^

где ^ - температура в узле i (*<' У'' z<);

a, b, с - коэффициенты аппроксимированного полинома.

Итоговое расчетное соотношение МКЭ в форме перемещений в условиях линейной упругости имеет вид:

+ И + И + (4.2)

где М - матрица жесткости системы; - вектор искомых деформационных перемещений; - вектор тепловых нагрузок на элементы, обусловленных линейным тепловым расширением; ' - вектор гравитационных

нагрузок; } - вектор сил давления; ^ ^ - вектор сосредоточенных узловых сил.

Решение данной линейной системы алгебраических уравнений позволяет определить компоненты деформационных перемещений для каждого узла в принятой декартовой системе координат. Сопоставление линейных перемещений для характерных узлов, расположенных на оси двигатель - нагнетатель, позволяет получить расчетные значения, характеризующие расцентровку системы при изменении параметров температурного поля.

На рис. 2 приведены расчетные значения тепловых перемещений вдоль оси вала трансмиссии. Расчеты тепловых перемещений, выполненных на основе температурных полей снятых на ГПА №32 Ямбургское ЛПУ 11.03.09 в 12 ч. 20 мин показали, что если ввести на основе расчетов «упреждающую» расцентровку (компенсационное смещение опор), то расцентровка на рабочем режиме уменьшается с 1,74 мм до 0,23 мм.

<х10~4 2,302,071,841,611,381,150,920,690,460,2300 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 БХЭТ

Рис. 2. Температурные перемещения (м) точек оси приводного вала ГПА Ям-бургского ЛПУМГ от 11.03.09 в 12 час. 20 мин. при наличии компенсационных

смещений опор

Сравнение представленных данных свидетельствует об удовлетворительном совпадении результатов замеров и расчетов и подтверждает эффективность

разработанной расчетной модели, описывающей изменение соосности соединения двигатель - нагнетатель ГПА-Ц-16 под воздействием силовых и температурных полей.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования влияния температурных полей при различных эксплуатационных режимах на термическую деформацию опорных конструкций ГПА. Экспериментальные исследования проводились на ГПА 11,13 Ямбургской КС. Данные ГПА были выбраны в связи с невыясненной причиной неоднократных аварийных остановок по причине вибрации передней опоры нагнетателя. Сразу после останова, на горячем ГПА была проведена центровка, при этом были обнаружены несоосности: по соединению Д - муфта - 1,19 мм; соединению нагнетатель - муфта -0,72 мм. В дальнейшем был проведен комплекс работ, согласно регламента Р -3000. В связи с тем, что ось Д при работе ГПА поднимается выше оси Н на 1,19 мм, центровка производилась с опусканием оси на 0,6 мм, т.е. вводилась упреждающая расцентровка, при этом отклонение (несоосность) соединения Д - М (двигатель - муфта) составило 0, 57 мм, при допуске ±0,14 мм, а несоосность соединения М - Н (муфта - нагнетатель) - 0,29 мм, при допуске ±0,1 мм.

Измерения перемещений опор Д, СТ, передней и задней опоры Н производились с помощью прибора лазерной центровки «КВАНТ-Л-Н».

Дополнительно, для более точного измерения перемещений по корпусу нагнетателя был использован комплект аппаратуры «Fixturlaser Shaft 100» с комплектом определителя расширения металлоконструкций OL2R. Измерения перемещений производились на режимах «прогрев», «кольцо», «магистраль 1», «магистраль 2». Были построены графики векторов перемещений всех элементов ГПА в координатах XOY.

С помощью лазерных систем контроля термических перемещений опорных конструкций Д, СТ, корпуса нагнетателя установлены величины и направления указанных перемещений. Изменение температурных полей вызывает изменение положений осей Д, СТ и Н. Существующие инструкции по центровке вального соединения СТ - Н не учитывают термических деформаций и пере-

мещеиий корпусных деталей под воздействием температурных полей.

Вкратце суть предлагаемой методики сводится к тому, чтобы численным методом или экспериментально на «горячем» ГПА или тем и другим способом одновременно определить величины термических смещений осей Д, СТ, Н. Затем определить величины необходимых компенсационных смещений и выполнить центровку Д - Н с введением указанных компенсационных смещений, т.е. ввести сознательно «упреждающую» расцентровку с тем, чтобы на эксплуатационных режимах она была минимальной.

Введение «упреждающей» расцентровки дало снижение вибрации в 2 раза. Агрегат проработал межремонтный ресурс без аварийных остановок, износ деталей трансмиссии при этом не обнаружен.

На основе экспериментальных и теоретических исследований, автором был разработан нормативный документ: «Центровка вального соединения двигатель-нагнетатель с учетом радиальных и осевых смещений возникающих в процессе эксплуатации агрегата ГПА-Ц-16». Метод опробован на семи ГПА различных КС и дал положительные результаты, на что имеются соответствующие подтверждающие документы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ дефектов вального соединения двигатель-нагнетатель, произведена их классификация . Установлено, что основной причиной разрушения деталей трансмиссии является нарушение соосности (центровки) вального соединения, вследствие различных температурных полей в отсеках двигателя и нагнетателя, меняющихся в зависимости от объемов перекачиваемого газа.

2. Проведенные экспериментальные исследования температурных полей в отсеках и рамах двигателя, свободной турбины и корпуса нагнетателя, позволили установить разницу температур в отсеках и в рамных конструкциях ГПА до 80°С, что вызывает нарушение соосности вального соединения двигатель-нагнетатель, вследствие больших термических деформаций на эксплуатационных режимах.

3. Разработана математическая модель и с использованием программного комплекса ANSYS выполнено численное исследование термических деформационных перемещений рам двигателя , свободной турбины и корпуса нагнетателя. Сравнение результатов экспериментального и теоретического исследования изменения центровки двигатель-нагнетатель, показывают удовлетворительную сходимость (до 7%).

4. Экспериментальные исследования термических деформаций и смещений опорных поверхностей двигателя, свободной турбины, передней и задней опор ротора нагнетателя, проведенные с помощью лазерных систем измерений «Fixturlaser Shaft 100» позволили определить величины и направления смещений опорных поверхностей двигателя, свободной турбины и ротора нагнетателя. Введение «упреждающей» расцентровки (несоосности) позволило снизить уровень вибраций ГПА в 2 раза. Разработан комплексный метод корректировки центровки вального соединения двигатель-нагнетатель, с учетом смещений, который опробован на 7 агрегатах и дал положительные результаты.

5. Разработана и апробирована методика центровки осей вального соединения двигатель-нагнетатель, позволяющая определить расчетным и экспериментальным методами величины компенсационных смещений, вводимых заранее, для парирования термических деформационных смещений опорных конструкций ГПА на рабочих режимах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях рекомендованных ВАК:

1. Влияние нестационарных температурных полей на изменение соосности соединения двигатель - нагнетатель ГПА-Ц-16./В.П. Голуб, Р.Б. Александрович, A.A. Тарасенко /Нефтегазовое дъело. Том 6, № 2. - 2008. - С. 192 - 195.

2. Анализ возникновения дефектов шлицевой трансмиссии соединения «двигатель - нагнетатель». / В.П. Голуб, Р.Б. Александрович, A.A. Тарасенко / Нефтегазовое Дъело. Том 6, №1. - 2008. - С. 120 - 122.

В других изданиях:

3. Комплексное диагностическое обследование по эксплуатационным параметрам ГТУ ГПА-16 и ГПА-12 Урал./ В.П.Голуб, Р.Б.Александрович / Газотурбинные технологии, № 1 (52) - Москва: ОАО «Газпром», 2008. - С. 30 — 33.

4. Диагностическое обследование ГТК-10-4 по эксплуатационным параметрам как концепция перехода на обслуживание ГПА по техническому состоянию/ В.П.Голуб, Р.Б.Александрович / газотурбинные технологии, № 2 (53) - Москва: ОАО Газпром», 2007. - С. 18 - 22.

5. Комплексное диагностическое обследование по эксплуатационным параметрам ГТУ ГПА-16 и ГПА-12 «Урал». /В.П.Голуб, Р.Б.Александрович /Технологии ТЭК, № 3 - Москва: «Индустрия», июнь 2007. - с. 88-91.

6. Концепция перехода на обслуживание и ремонт газоперекачивающих агрегатов по техническому состоянию вместо регламентного обслуживания/ В.П.Голуб, Р.Б.Александрович /Технологии ТЭК, № 6 - Москва: «Индустрия», декабрь 2007г. - С. 44 - 48.

7. Голуб В.П., Александрович Р.Б. Анализ работы лопаточного венца газовоздушного тракта ГПА ГТК-10-4 по эксплуатационные параметрам // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы междунар. научно-техн. конференции. Тюмень, 27 - 29 марта 2007. - С. 169 -179.

8. Голуб В.П., Александрович Р.Б. Вибромониторинг ГПА-Ц-16 по фактическому техническому состоянию // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: Материалы междунар. научно-техн. конференции. Тюмень, 27 - 29 марта 2007. - С. 179 - 184.

9. Голуб. В.П., Итбаев В.К., Лукащук Ю.В. Расчет температурных деформационных перемещений опорных конструкций газоперекачивающего агрегата в среде ANSYS. // «Проблемы и перспективы развития двигателестрое-ния»: материалы докладов междунар. науч.-техн. конф. 24-26 июня 2009 г. -Самара. - В 2 ч. Ч. 1. - С. 239 - 240.

10. Голуб В.П., Итбаев В.К., Лукащук Ю.В., Минигалеев С.М. Расчет термических деформаций опорных конструкций газоперекачивающего агрегата гпа-ц-16 // «Проблемы и перспективы развития двигателестроения»: материалы междунар. науч.-техн. конф. Самара, СГАУ, 2009. - С. 123 - 126.

И. Голуб В.П., Минигалеев С.М. Создание единой базы данных по контролю технического состояния трансмиссий газоперекачивающих агрегатов // Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция: сб. трудов. Том 2. - Уфа: УГАТУ, 2009. - С. 51 - 52.

Подписано в печать 23.11.2009. Формат 60 х 90 '/i6. Усл. печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ.?^.

Издательство государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет».

625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

Отдел оперативной полиграфии издательства.

625039, г. Тюмень, ул. Киевская, 52.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Голуб, Виктор Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ

АГРЕГАТОВ С АВИАЦИОННЫМ ГАЗОТУРБИННЫМ

ПРИВОДОМ, ОТКАЗЫ ТРАНСМИССИИ КАК ОДИН

ИЗ ОСНОВНЫХ ЛИМИТИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности ГПА с авиационным газотурбинным приводом.

1.2. Основные положения по технической эксплуатации, проведению регламентных работ и ремонтов.

1.3. Анализ опыта эксплуатации ГПА-Ц-16 за последние 10 лет, отказы трансмиссии как один из лимитирующих факторов. Постановка задачи исследования.

2. СОЗДАНИЕ ЕДИНОЙ БАЗЫ ДАННЫХ ПО КОНТРОЛЮ

ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРАНСМИССИЙ ГПА-Ц-16,

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ И РАЗРАБОТКА

ПРОГРАММ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Создание единой базы данных по контролю технического состояния трансмиссий ГПА-Ц-16.

2.2. Анализ и классификация дефектов трансмиссии ГПА-Ц-16 и установление вероятных причин их возникновения.

2.3. Разработка программ экспериментального и теоретического исследований влияния эксплуатационных факторов на центровку соединения «двигатель — нагнетатель».

Выводы по главе 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ОТСЕКАХ ГПА И В ОПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ДВИГАТЕЛЯ, СВОБОДНОЙ ТУРБИНЫ И НАГНЕТАТЕЛЯ.

3.1. Подготовка ГПА, аппаратура для проведения исследований и технические характеристики приборов.

3.2. Исследования температурных полей ГПА на эксплуатационных режимах, статистический анализ результатов измерений.

3.3. Исследование изменения соосности двигатель - нагнетатель при моделировании температурных полей в отсеках соответствующих эксплуатационным режимам.

Выводы по главе 3.

4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И РАСЧЕТ В СРЕДЕ АШУв ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

ОПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГПА-Ц-16.

4.1. Общая характеристика расчетной модели.

4.2. Результаты расчета температурных перемещений при работе агрегата.

4.3. Расчет компенсационных монтажных перемещений.

Выводы по главе 4.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ НА ТЕРМИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ ОПОРНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ И УРОВЕНЬ ВИБРАЦИЙ ГПА.

5.1. Схема установки лазерных источников на неподвижных опорах и приемников лазерных лучей на двигателе, свободной турбине, нагнетателе для контроля тепловых перемещений опорных конструкций.

5.2. Контроль положения опорных конструкций двигателя, свободной турбины и корпуса нагнетателя на различных режимах работы ГПА.

5.3. Мероприятия по своевременному обнаружению и устранению дефектов вального соединения двигатель — нагнетатель.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние температурных полей на нарушение центровки деталей трансмиссии газоперекачивающего агрегата"

В настоящее время, наработка некоторых ГПА с авиационным приводом составляет свыше 100000 часов. Основными агрегатами, имеющими такую высокую наработку, являются ГПА-Ц-16, которые эксплуатируются с 1983 года.

Автор анализирует отказы, связанные с износом и разрушением деталей соединения валов двигатель-нагнетатель (трансмиссии) сопровождавшиеся повышением вибрации на силовой турбине и передней опоре нагнетателя. Предварительные исследования, показали, что на соосность вального соединения двигатель-нагнетатель существенно влияет изменение температурных полей. Нарушение соосности ведет к повышенному износу и разрушению сопрягаемых деталей трансмиссии, вследствие чего детали и узлы не вырабатывают назначенный ресурс. Существующая нормативно-техническая документация по этому вопросу также нуждается в доработке.

Разница температурных полей опорных конструкций двигателя и нагнетателя существенно влияет на их деформации, которые в свою очередь изменяют положение осей валов. Данной методикой предлагается провести комплекс работ по выявлению значений изменения центровки при изменении температурных полей агрегата и при необходимости ввести компенсационные смещения при центровке валов. Таким образом, разработка методики введения компенсационных смещений для выполнения центровки вального соединения двигатель-нагнетатель с использованием методов компьютерного моделирования, позволяющей существенно снизить износ деталей трансмиссии, является одной из наиболее актуальных задач при эксплуатации ГПА.

Целью работы является исследование влияния изменений температурных полей на степень расцентровки деталей трансмиссии ГПА и разработка методики ее своевременного обнаружения и предотвращения.

Задачи диссертации:

1. Классификация дефектов трансмиссии ГПА-Ц-16 и причин их возникновения.

2. Проведение промышленного эксперимента для исследований термических деформаций и смещений опор двигателя, свободной турбины и нагнетателя при различных эксплуатационных режимах ГПА.

3. Проведение промышленного эксперимента для исследований температурных полей в отсеках ГПА и в опорных конструкциях двигателя и нагнетателя, а также оценка их влияния на изменение центровки двигатель-нагнетатель.

4. Разработка модели термических деформаций опорных конструкций ГПА-Ц-16 при помощи численных методов.

5. Разработка и внедрение методики центровки вального соединения двигатель-нагнетатель с учетом радиальных и осевых смещений, возникающих в газоперекачивающем агрегате ГПА-Ц-16 в процессе его эксплуатации.

Методы решения задач

При решении поставленных задач использовались теоретические, численные и экспериментальные методы исследования температурных полей, термических деформаций опорных конструкций ГПА и их влияние на расцентров-ку и надежность трансмиссии ГПА. Теоретические исследования базируются на научных основах механики, теплопередачи и методе конечных элементов. При проведении экспериментальных исследований применяются методы измерения температур, термических деформаций, параметров вибраций и статистической обработки данных.

На защиту выносятся

1. Результаты анализа и классификация дефектов трансмиссии ГПА.

2. Результаты численного исследования термических деформаций опорных конструкций ГПА.

3. Результаты экспериментального исследования температурных полей опорных конструкций в отсеках двигателя и нагнетателя.

4. Результаты экспериментального исследования термических деформаций опорных конструкций и их влияние на центровку двигатель-нагнетатель на различных режимах работы ГПА.

5. Методика повышения надежности эксплуатации ГПА-Ц-16, путем реализации мероприятий по недопущению критической расцентровки двигатель-нагнетатель.

Научная новизна результатов

Классифицированы, и статистически обработаны виды дефектов трансмиссий ГПА-Ц-16. Установлено, что одной из основных причин разрушений являются недопустимые значения расцентровки осей валов трансмиссии.

2. В ходе выполнения промышленного эксперимента получены функциональные зависимости между изменениями температурных полей на эксплуатационных режимах ГПА и параметрами соосности осей трансмиссии.

3. Разработана математическая модель, и выполнено численное исследование влияния термических деформаций рам двигателя, свободной турбины и корпуса нагнетателя на величину расцентровки вального соединения.

Практическая значимость результатов

• Создана база данных изменения показателей технического состояния турбоагрегатов путем исследования 227 турбоагрегатов восьми компрессорных станций Надымского региона ООО «Тюмень трансгаз», что позволило разработать методику повышения надежности на основе индивидуального подхода к центровке турбоагрегатов при проведении регламентных и ремонтных работ.

• Разработана методика центровки вального соединения двигатель-нагнетатель с учетом радиальных и осевых смещений, возникающих в процессе температурных воздействий при эксплуатации агрегата.

Апробация работы Основные положения диссертации доложены и обсуждались:

- на Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г. Тюмень;

- на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара;

- на Российской научно-технической конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа;

- на совместном расширенном заседании кафедр «Авиационные двигатели» и «Основы конструирования механизмов и машин» Уфимского государственного авиационного технического университета. Публикации

Основное содержание работы отражено в 11 опубликованных работах, в их числе 2 статьи в рекомендованных ВАК изданиях.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Голуб, Виктор Петрович

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и внедрена единая база данных по контролю за техническим состоянием трансмиссий ГПА-Ц-16, которая позволяет: контролировать техническое состояние каждого конкретного ГПА; обеспечить оперативное планирование и управление проведением ремонта; своевременно обеспечивать запасными частями; своевременно планировать и проводить диагностирование агрегата.

2. Проведенные экспериментальные исследования температурных полей в отсеках и рамах двигателя, свободной турбины и корпуса нагнетателя, позволили установить разницу температур в отсеках и в рамных конструкциях ГПА до 80°С, что вызывает нарушение соосности вального соединения двигатель-нагнетатель, вследствие больших термических деформаций на эксплуатационных режимах.

3. Разработана математическая модель и с использованием программного комплекса ANSYS выполнено численное исследование термических деформационных перемещений рам двигателя , свободной турбины и корпуса нагнетателя. Сравнение результатов экспериментального и теоретического исследования изменения центровки двигатель-нагнетатель, показывают удовлетворительную сходимость (до 7%).

4. Экспериментальные исследования термических деформаций и смещений опорных поверхностей двигателя, свободной турбины, передней и задней опор ротора нагнетателя, проведенные с помощью лазерных систем измерений «Fixturlaser Shaft 100» позволили определить величины и направления смещений опорных поверхностей двигателя, свободной турбины и ротора нагнетателя. Введение «упреждающей» расцентровки (несоосности) позволило снизить уровень вибраций ГПА в 2 раза. Разработан комплексный метод корректировки центровки вального соединения двигатель-нагнетатель, с учетом смещений, который опробован на 7 агрегатах и дал положительные результаты.

5. Разработана и апробирована методика центровки осей вального соединения двигатель-нагнетатель, позволяющая определить расчетным и экспериментальным методами величины компенсационных смещений, вводимых заранее, для парирования термических деформационных смещений опорных конструкций ГПА на рабочих режимах.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Голуб, Виктор Петрович, Тюмень

1. Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16. Руководство по эксплуатации. 97. 0000. 00 ИЭ.

2. Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16. Инструкция по центровке двигателя. 1. 4300. 4. 00 00. 0000 Д 2. Сумской филиал СКБ ТХМ.

3. Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16, техническое описание. СМНПО им. Фрунзе, ВНИИКОМПРЕССОРМАШ, 1983. С. 157.

4. Александрович Р.Б., Голуб В.П. Комплексное диагностическое обследование по эксплуатационным параметрам ГТУ ГПА-16 и ГПА-12 «Урал». Газотурбинные технологии. 207. - № 1 (52). - С. 30 - 33.

5. Александрович Р.Б., Голуб В.П. Диагностическое обследование ГТК-10-4 по эксплуатационным параметрам как концепция перехода на обслуживание ГПА по техническому состоянию. Газотурбинные установки. М. ОАО «Газпром», 2007, № 2 (53). С. 18 - 22.

6. Александрович Р.Б., Голуб В.П. Комплексное диагностическое обследование по эксплуатационным параметрам газотурбинных установок ГПА-16 и ГПА-12 «Урал». Технологии ТЭК. Мониторинг объектов НТК. 2007, № 3. - С. 88-91.

7. Александрович Р.Б., Голуб В.П. Концепция перехода на обслуживание и ремонт газоперекачивающих агрегатов по техническому состоянию вместо регламентного обслуживания. Технологии ТЭК. Мониторинг и обустройство объектов НТК. 2007, № 6. - С. 44 - 48.

8. Анализ технико-экономических показателей трубопроводостроитель-ных потоков при сооружении магистральных газопроводов. Вып. 6 — М.: ВНИИСТ, 1985.

9. Барков A.B., Баркова H.A. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации : Учеб. пособие // СПб ГМТУ, 2004. 156 с.

10. Барков A.B., Баркова H.A., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: Учеб. пособие // СПб.: Изд. центр СПб ГМТУ, 2000. 159 с.

11. Басов К. А. ANS YS справочник пользователя. М.: ДМК пресс, 2005. - 640 с.

12. Басов К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS. М: ДМК пресс, 2006. - 248 с.

13. Басов К. А. ANS YS в примерах и задачах // Под общ. ред. Д.Р. Крас-ковского. М.: Компьютер Пресс, 2002. - 224 с.

14. Бикмухаметов В.Д. Газоперекачивающие агрегаты с авиадвительным приводом как наземные энергетические установки: Учебное пособие Уфа:1. УАИ, 1987.-79 с.

15. Газоперекачивающие агрегаты. Временный порядок проведения ремонтов. М. ОАО Газпром». 2006.

16. Говдяк P.M. Актуальные проблемы модернизации газотурбинных газоперекачивающих агрегатов // Говдяк P.M., Шелковский Б.И., Любчик Г.М., Варламов Г.Б. //Экотехнологии и ресурсосбережение. 2003, № 5. - С. 66 - 72.

17. Голуб В.П., Тарасенко A.A. Влияние нестационарных температурных полей на изменение соосности соединений двигатель — нагнетатель ГПА-Ц-16. Нефтегазовое Дъело. 2008, т. 6, № 2. - С. 192 - 195.

18. ГОСТ Р ИСО 10816-3 -99 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 3. Промышленные машины номинальной мощьностью более 15 кВт и номинальной скоростью от 120 до 15 000 мин"1.

19. ГОСТ 18 322 78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения.

20. ГОСТ 19604 74. Порядок сдачи в ремонт и приемки из ремонта. Общие требования.

21. ГОСТ 20 440 75. Установки газотурбинные. Методы испытаний.

22. ГОСТ 27. 002 89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

23. ГОСТ 28775 90. Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия.

24. Добров В.Л. Комплекс защиты и мониторинга технического состояния газоперекачивающего агрегата ГПА 10 «Simon» /Добров В.Л., Игуменцев Е.А., Марчук Я.С. // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2006. № 1 - С. 18-26.

25. Еремин Н.В. Компрессорные станции магистральных газопроводов. С.-Петербург. 1995.

26. Ермолаев А. Реконструкция ГПА — Ц — 16 с заменой двигателя H — 16 CT на ГТУ-16ПЦ /Ермолаев А., Панчеха С., Тихонов С. // Газотурбинные технологии. 2003. № (26). - С. 20 - 22.

27. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Пер. с анг., М: Мир, 1975.-474 с.

28. Зорин В.А., Акмалетдинов Р.Г. Охрана окружающей среды от шума газотурбинных установок с авиационными двигателями на магистральных газопроводах //Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Вып. 20. Уфа, 2004. С. 207 - 212.

29. Игуменцев Е.А. Нормирование вибрации газоперекачивающих агрегатов /Игуменцев Е.А., Марчук Я.С., Гетьманенко C.B. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2003. 3. - С. 7 - 11.

30. Игуменцев Е.А. Нормирование вибрации газоперекачивающих агрегатов по результатам виброобследований /Игуменцев Е.А., Прокопенко Е.А., Марчук Я.С. //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2004. № 2. - С. 23 - 27.

31. Изотов С.П., Шашкин В.В., Капралов В.М. и др.: Под общей ред. Шашкина В.В. «Авиационные ГТД в наземных установках», Л.: Машиностроение, 1984.-228 с.

32. Калегин A.A. Унификация конструкций газоперекачивающих агрегатов /Калегин A.A. и др. //Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. № 10.-С. 13-15.

33. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2009. - 272 с.

34. Комплексное диагностическое обследование по эксплуатационным параметрам. Газотурбинная установка ГПУ-16П. Методика. 83-00-900ПМ. Пермь. 2005.

35. Кузнецов Н.Д., Резник В.Е., Горелов Г.М., Орлов В.Н. /Проблемы повышения эффективности авиационных двигателей, конвертируемых в газотурбинные установки наземного применения /Изв. Вузов/ Авиационная техника, № 6, 1992- 11 с.

36. Маки С. Методы стимулирования прогнозирования сохраняемости оборудования с точки зрения анализа вибрации. Пер. с японского //Э.- И. «Надежность и контроль качества», ВИНИТИ, 1990. № 13. - С. 14-20.

37. Марчуков Е.Ю. Научные основы конверсии авиационного двигателя для истребителя в привод наземных газотурбинных установок. АО Люлька-Сатурн. М. 1998.-250 с.

38. Методика 83-00-900 ПМ 156 «Комплексное диагностическое обследование по эксплуатационным параметрам ГТУ-16П. //ОАО «Авиадвигатель». Пермь, 2006.

39. ОСТ 108.022.01 81. Агрегаты газоперекачивающие. Порядок проведения предварительных и приемочных испытаний опытных образцов и опытной партии.

40. Панасевич Б.Л. Опыт проведения сдаточных испытаний газоперекачивающего агрегата на объектах заказчиков /Панасевич Б.Л., Ежев В.И., Кожин H.H. //Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2006. № 4. — С. 12-14.

41. Правила технической эксплуатации магистральных газопроводов ВРД 39-1.10-006-200.

42. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для вузов. /Ахмедзянов A.M., Алексеев Ю.С., Гумеров Х.С., Итбаев В.К. и др.;

43. Под общ. редакцией Ахмедзянова A.M. М.: Машиностроение, 2000. - 454 с.

44. Регламент диагностического обслуживания газоперекачивающих агрегатов // М.: НТЦ «Оргтехдиагностика». 2004.

45. Ряховский O.A. Муфты. Справочник по муфтам. Л.: Политехника, 1991 -384 с.

46. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. // Пер. с анг. -М: Мир, 1979-392 с.

47. Соколовский М. Газоперекачивающие агрегаты ангарного исполнения /Соколовский М., Саков Ю., Мельничук В. и др. //Газотурбинные технологии. -2003. №6 (27).-С. 30-32.

48. Сызранцев В.Н., Сызранцева К.В. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методом конечных элементов. Курган: изд. Курганского гос. ун-та, 2000. — 112 с.

49. Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам, ВНИИГАЗ. 1997.

50. Трансмиссия пластинчатая ART8-B-FHF318-8. Инструкция по центровке двигателя и нагнетателя 1111.03.01.0000ИН1. фирма «А. Fridr. Flender AG», ОАО КПП «Авиамотор».

51. Хронин Д.В. Теория и расчет колебаний двигателей летательных аппаратов. М. Машиностроение. 1985 285 с.