Changes in the thermal and stress-strain state of the HPC rotor of a powerful NPP turbine after the blades damage

Abstract

In practice, during the operation of steam turbines, accidental damage to the blades of the rotors and stators of powerful steam turbines occurs. The main causes of emergency stops of steam turbines were vibration fatigue of the blades material, erosive damage to the blades body, and resonance problems during the power equipment operation. Based on this study, the assessment of changes in the thermal and stress-strain state of power equipment elements, which at nuclear power plants significantly affect the continued operation of the turbine after its damage, are quite relevant. Changes in the thermal and stress-strain state, which may occur after damage to the rotor of high-pressure cylinder (HPC rotor) of the K-1000-60/3000 turbine power unit of the LMZ in the station conditions, have been considered and analyzed and will provide an opportunity to assess the individual resource and continue the power unit operation. In the calculated assessment of changes in the thermal and stress-strain state of the HPC rotor, taking into account the data of the technical audit regarding damage, a geometric model of the rotor was created. Studies were conducted for three options of designs: the original option (five stages of the HPC rotor), the option without the blades of the last stage and the option without the fifth stage (with four first stages). For the project design, when working at the nominal parameters of the steam, the most stressed areas are the unloading holes of the 5th stage (σi=202.8 MPa), axial hole of the rotor in the area of the 5th stage (σi=195.2 MPa), as well as the 5th-degree welding fillet from the side of the end seals (σi=200.3 MPa) and unloading holes of the 4th and 3rd stages with a stress intensity of about 170–185 MPa. The high values of the stress intensity in the area of the 5th stage can be explained by the significant concentration of the mass of both the stage itself and its blades, which provoke significant centrifugal forces when working at the nominal rotation frequency. For a HPC rotor without blades of the 5th stage, there is a shift of the maximum stress intensity to the area of the unloading holes of the 4th and 3rd stages, as well as the axial hole of the shaft under the same stages. The maximum stress value is σi max=184.8 MPa. At the same time, the intensity of stresses in the area of unloading holes of the 5th degree decreased almost by half, to the level of 124 MPa.

На практиці при експлуатації парових турбін мають місце аварійні пошкодження робочих лопаток роторів і направляючих апаратів потужних парових турбін. Головними причинами аварійних зупинок парових турбіни були вібраційна втома матеріалу лопаток, ерозійне пошкодження тіла лопаток і резонансні проблеми при роботі енергообладнання. Виходячи з цього дослідження, по’вязані з оцінкою змін теплового й напружено-деформованого стану елементів енергетичного обладнання, які на АЕС значно впливають на продовження експлуатації турбіни після її пошкодження, є досить актуальними. Розглянуто й проаналізовано зміни теплового й напружено-деформованого стану, які можуть виникнути після пошкодження ротора циліндра високого тиску (ЦВТ) турбіни К-1000-60/3000 енергоблоку ЛМЗ в умовах станції і забезпечать можливість оцінки індивідуального ресурсу й продовження роботи енергоблоку. При розрахунковій оцінці змін теплового та напружено деформованого стану ротора ЦВТ, беручи до уваги дані технічного аудиту щодо пошкоджень, створена геометрична модель ротора. Проведені дослідження для трьох варіантів конструкцій: вихідний варіант (п’ять ступенів ротора ЦВТ), варіант без робочих лопаток останнього ступеня і варіант без п’ятого ступеня (з чотирма першими ступенями). Для проєктної конструкції при роботі на номінальних параметрах пари найбільш напруженими областями є розвантажувальні отвори 5-го ступеня (σi=202,8 МПа), осьовий отвір ротора в області 5-го ступеня (σi=195,2 МПа), а також галтель 5-го ступеня з боку кінцевих ущільнень (σi=200,3 МПа) і розвантажувальні отвори 4-го і 3-го ступенів з інтенсивністю напружень близько 170–185 МПа. Високі значення інтенси вності напружень в області 5-го ступеня можна пояснити суттєвим зосередженням маси як самого ступеня, так і його робочих лопаток, що провокують значні відцентрові зусилля при роботі на номінальній частоті обертання. Для ротора ЦВТ без робочих лопаток 5-го ступеня спостерігається зміщення максимумів інтенсивності напружень в область розвантажувальних отворів 4-го і 3-го ступенів, а також осьового отвору валу під цими ж ступенями. Максимальне значення напружень складає σi max=184,8 МПа. У той же час інтенсивність напружень в області розвантажувальних отворів 5-го ступеня зменшилася майже вдвічі, до рівня в 124 МПа.