27.03.2017 Газета УТЗ «Знамя», №2 (5764)
Дмитрий Сергеевич Кшесинский, начальник бюро вибрации и прочности отдела расчетов СКБт
В прошлом номере газеты «Знамя» уже сообщалось о присвоении звания «Профессиональный инженер России» начальнику бюро вибрации и прочности отдела расчетов СКБт Д. Кшесинскому. Мы обратились к Дмитрию с просьбой более подробно рассказать о том, в каком направлении ведется работа в возглавляемом им бюро, и что было сделано на пути к успеху, свидетельствующему о несомненном признании на столь высоком уровне его профессиональных качеств.
— Я пришел на завод в 2011-м году, будучи еще студентом 5-го курса УрФУ. До этого у меня был некоторый опыт работы на других предприятиях, сферой которых являлось обслуживание турбокомпрессоров магистральных газопроводов. Когда устроился на УТЗ, специфика работы для меня была совершенно иной, так как основная задача СКБт — это расчеты и проектирование новых турбин. За несколько месяцев работы на предприятии стало очевидным, что близкие мне направления — диагностика и вибрационные расчеты находятся не в лучшем состоянии, поскольку специалистов по данной тематике практически не осталось, то работы проводились в очень малом объеме с недостаточной научной базой. Тогда и появилось желание восстановить экспериментальную деятельность КБ, в чем значительную поддержку оказал главный конструктор А.Ю. Култышев, предложив мне возглавить бюро. В прежние годы, когда численность отдела вибрации и прочности, возглавляемого моим научным руководителем Евгением Вениаминовичем Урьевым, составляла порядка 80-ти человек, исследованиями в области вибрационной надежности турбин в эксплуатации занимались вплотную, выезжая на станции. Впоследствии ситуация значительно изменилась. Учитывая малочисленность коллектива, а также функции сотрудников, по сути сведенные к одним расчетам, отдел вибрации и прочности был реорганизован в отдельное бюро, вошедшее в состав отдела расчетов паровых турбин.
— Для чего нужны виброиспытания, их роль в рабочем процессе?
— Считаю, что вопросы вибрационной надежности турбоустановок являются одними из самых важных. Существует статистика, что до 30 % остановов турбоустановок происходит по причине неудовлетворительного вибрационного состояния паровой турбины, что проявляется в виде различных дефектов и неисправностей, будь то наличие большого остаточного дисбаланса, неудовлетворительная виброотстройка ступени и т.п. К примеру, если лопатка в процессе работы имеет уровень динамических напряжений выше предела конструктивной прочности, то возникает высокая вероятность того, что в процессе работы она выйдет из строя. А обрыв рабочей лопатки является аварийной ситуацией.
Поскольку мы являемся заводом-изготовителем, выпускающим новые турбины, которые проектируются прежде всего, на основе результатов численного моделирования, отчасти заменяющих результаты натурных испытаний, наша непосредственная обязанность — проработать все возможные неисправности, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации турбины, в том числе и от человеческого фактора, и сделать всё необходимое, чтобы спроектированное оборудование работало с максимальной надежностью. Другим аспектом является значительная экономическая составляющая вопроса — ведь нам потом придется устранять возникшие неисправности. и с другой стороны — это большая ответственность, потому что вопросы вибрационной надежности нередко сопряжены с безопасностью человека, эксплуатирующего оборудование.
— Задачи, поставленные перед бюро вибрации и прочности сегодня?
— Есть несколько путей решения задач по обеспечению вибрационной надежности паровой турбины. Первый путь, являющийся достаточно сложным и тернистым — проведение натурных экспериментальных работ. Для этого нужно произвести турбину, ввести ее в эксплуатацию, а после выявлять проблемы и искать пути их решения. например, посредством изменения конструкции либо введения каких-либо технических или технологических решений, что очень дорого и требует много времени. На сегодняшний день, когда большинство аналогичных предприятий не могут себе позволить абстрактно взять и исследовать, таким образом, какую-либо проблему, ввиду необходимости больших объемов финансирования, подобные работы возможны только в случае заинтересованности самого Заказчика.
Второй путь обеспечения вибрационной надежности — это возможность предусмотреть максимальное количество вариантов неисправностей либо предпосылок к их возникновению на этапе проектирования. Скажем прямо, непростая это задача, и в прежние времена она, по сути, была невозможна. Сегодня, в век цифровых технологий, мы имеем множество достаточно развитых численных систем, служащих для математических вычислений или математического моделирования физических процессов, результаты которых закладываются уже непосредственно в конструкцию турбины. При этом удается максимально точно рассчитать и определить большинство вибрационных характеристик оборудования, что на сегодняшний день является основным направлением в работе нашего бюро.
Нельзя говорить о большей эффективности, а значит и о приоритетности одних исследований над другими, к примеру, натурных над численными методами моделирования. Если исходить из того, что турбиностроение является наукоемкой отраслью, то как и любое наукоемкое производство, она базируется как на эксперименте, так и на теории. Так, нам не удалось бы создать численные методы моделирования тех же рабочих лопаток, не имея ранее накопленной экспериментальной базы. Для этого было поднято большое количество отчетов по ранее выполненным исследованиям, создавались различные модели и варианты постановок расчетов, производилась сверка численных результатов, полученных путем математических вычислений с теми, которые были измерены и получены натурно, в процессе исследования на стендах.
— Практика. Проблемы и пути их решения.
Как это часто бывает, чем глубже вникаешь в суть происходящего, тем больше вопросов возникает. К примеру, учитываешь и рассматриваешь фактор влияния тангенциального зажатия рабочих лопаток на вибрационное состояние, а впоследствии приходишь к выводу, что в данном случае ключевыми являются тепловое расширение диска и растяжение от центробежных сил, которые прежде в данном ключе не рассматривались и натурно такое влияние вряд ли где-то исследовалось. И как раз численные методы дают возможность это отследить.
В чем заключается суть диагностики? Это не просто заявить «у вас повышенная вибрация», как правило, на станции и без нас это знают, а надо сказать: «потому что…». и дать развернутое пояснение, чтобы было понятно на что, в первую очередь, следует обратить внимание, и какие действия предпринимать, чтобы устранить неисправность. Это позволит заранее запланировать закупки деталей или узлов, требующих ремонта, или спланировать ремонтную компанию, минимизировав тем самым временные и финансовые затраты.
Первые машины, на которых были проведены работы по диагностике, связаны с турбоустановками Т-63 и Т-113. Можно выделить случай успешно проведенной диагностики турбины Т-100 Хабаровской ТЭЦ, когда вследствие неверно выполненной центровки турбоагрегата машина не могла выйти даже на холостые обороты, поскольку при частоте вращения валопровода около 1400 об/мин начинал лавинообразно нарастать уровень вибрации опор, дальнейшая эксплуатация машины становилась опасной, и станции приходилось останавливать агрегат. Представители станции обратились к нам на завод за разъяснениями, в чем может быть причина такого состояния и что делать в возникшей ситуации. На место выехал наш шеф-инженер, от которого была получена вся необходимая информация. В связке с ним нам удалось произвести диагностику и устранить неисправность, после чего станция смогла нормально пуститься.
— Строите ли вы планы на будущее?
— Если человек не имеет никаких планов, идей и желания видеть перспективу, то не будет никакого развития и личностного роста. Ведь если ни к чему не стремиться — ничего и не добьешься, об этом надо всегда думать. И в данном контексте в наши планы входит восстановление лаборатории вибрации в части принципиальной постановки экспериментов. Что это значит? Если прежде экспериментальные работы были нацелены на натурные стендовые испытания, т.е. бралась реальная рабочая лопатка, которая подвергалась различным физическим воздействиям — ее ломали, трясли, подрезали, то на сегодняшний день приобретать дорогостоящее экспериментальное оборудование может оказаться нецелесообразным, потому что оно, скорее всего, не окупится, да и лопатку, являющуюся продуктом производства, нам вряд ли сегодня кто-то позволит ломать. На первом этапе мы хотим возобновить работы по разработке алгоритмов диагностики валопровода турбоагрегата. По вибрационным характеристикам вала и опор мы имеем возможность определять виды неисправностей либо дефекты, которые возникают в процессе эксплуатации, а также после ремонтов. И для этого вовсе необязательно иметь натурную турбину, так как признаки и алгоритмы диагностирования большого числа неисправностей можно определять на основе масштабной модели валопровода. Именно такую модель мы хотим сегодня реализовать для нашей работы.
— Расскажите, какую идею и принципы ее разработки вы представляли на конкурсе?
— На конкурс в Москве я выдвигался с формулировками своих достижений и непосредственно моей рабочей деятельности. Мною также были представлены публикации и приведены примеры успешно выполненных диагностик. Жюри оценило представленные материалы, требования конкурса были выполнены, хотя я считаю, что профессиональный уровень большей части конструкторов, работающих у нас в КБ, ничуть не хуже, а у кого-то и выше моего. В качестве достижений я выделил двухступенчатый алгоритм по определению низкочастотной вибрации опор турбины. В настоящее время защита по низкочастотной вибрации имеет лишь одну ступень, в которой предусмотрены две уставки — 0,5 мм/сек. (предупреждение) и 1,0 мм/сек. (сигнал). Однако используемый алгоритм не в полной мере соотносится с физическими процессами, вызывающими низкочастотную вибрацию в большинстве случаев. Суть данного алгоритма заключается в том, что он замеряет уровень низкочастотной вибрации в определенном диапазоне частот — от 10,0 до 25,0 гц. Однако принятый диапазон не является фиксированным, он — динамический, так как верхняя граница с изменением частоты вращения также изменяется, т.е., например если частота вращения 3000 об/мин, то верхняя граница примет значение 25,0 гц, при 1500 об/мин. — 12.5 гц. Данное свойство алгоритма способно приводить к неоднозначности производимых замеров, и, на наш взгляд, выгодно дополнительно использовать фиксированный диапазон. Поэтому был предложен диапазон 20,0-30,0 гц. В дополнение к этому можно сказать о таком виде низкочастотной вибрации, как наведенная, т. е. никак не связанная с неустойчивой работой валопровода в подшипниках. На практике с данным видом низкочастотной вибрации нам также приходилось сталкиваться, т.е. когда происходило срабатывание сигнала, однако действительных причин для останова турбоустановки не было.
В случае, произошедшем на Краснодарской ТЭЦ, неисправность крылась в одном из конденсатных насосов, расположенных достаточно далеко от турбины. От него на турбину посредством пульсации потока воды, передавалась вибрация с частотой 12,5 гц. Можно представить, к каким затратам это могло привести, если бы сотрудники станции выполнили рекомендации других специалистов, выдавших заключение, на основании которого необходимо было вскрыть турбину, причем неисправность не была бы устранена.
— Как вы оцениваете работу вашего бюро?
— Мы стараемся выполнять свою работу качественно и с учетом перспективы на будущее. Думаю, что правильнее всего будет оценивать работу нашего бюро по эксплуатационным показателям турбин, прежде всего, с точки зрения их вибрационной надежности. Коллектив нашего бюро весьма слажен и добросовестен. Все стараются подходить к выполнению своих задач максимально ответственно. Тот фактор, что наш коллектив очень не большой, не уменьшает желания строить планы по расширению своих компетенций и профессиональных интересов. За последние несколько лет работы нашим бюро были выполнены такие работы, как разработка программного комплекса по виброконтролю рабочих лопаток, выполнен ряд ремонтов стенда виброконтроля рабочих лопаток в цехе Т-2, разработан ряд конструкций новых испытательных стендов, в том числе и для проведения усталостных испытаний, разработана и внедрена методика расчета вибрационных и прочностных характеристик рабочих лопаток с использованием программного пакета ANSYS, были уточнены методики по расчету критических частот вращения валопроводов турбоагрегатов, переосмыслена и внедрена методика расчета центровок турбин с использованием современных программных пакетов, успешно применяются основные подходы к вибрационной диагностике паровых турбин как на месте так и удаленно, разработано программное обеспечение для расчетов прогибов и напряжений в роторах, а также на практике подтверждены компетенции в части высокочастотной балансировки роторов в условиях заводского стенда, написан ряд научных публикаций – этот перечень можно продолжать, однако я думаю и этого достаточно, чтобы сделать выводы и поставить оценку бюро вибрации и прочности.