В общем случае можно выделить следующие взаимосвязанные факторы, влияющие на работу любой технической системы

Температурные нагрузки

Эти нагрузки характеризуются величиной тепловых потоков, которая зависит в основном от температуры, давления жидкости или газов и коэффициента теплопередачи. Тепловые состояния машин и их элементов могут быть стационарными (установившимися), при которых температурное поле не зависит от времени и нестационарными (нагрев- охлаждение), когда температурное поле зависит от времени. Работа перекачивающего агрегата всегда связана с тепловыделением вызываемым рабочим процессом в системах и трением в механизмах. В турбокомпрессорах это теплота, образующаяся в результате сгорания топлива и сжатия газов. Для агрегатов с электроприводом теплота образуется согласно закону Джоуля и в результате сжатия газов. Работа трения в подшипниках на 85... 90% превращается в теплоту (поэтому важен контроль температуры смазочного масла). Кроме того, агрегаты подвергаются внешним тепловым воздействиям, связанным с условиями эксплуатации. Чрезмерный нагрев может вызвать уменьшение несущей способности элементов, снижение работо­способности трущихся пар. Уменьшение несущей способности связано, в частности, со снижением основных механических характеристик материалов: пределов прочности, текучести, охрупчиванием (потерей пластичности во времени).

Опыт эксплуатации показывает, что наиболее частой причиной выхода их строя турбогруппы (для компрессорных агрегатов с турбоприводом) являются дефекты деталей турбины (до 75% всех неисправностей). Многие детали турбопривода работают в условиях, когда увеличение температуры всего на несколько градусов выше расчетной может привести к недопустимому уменьшению запаса длительной прочности. Для рабочих лопаток турбины значительное уменьшение запаса длительной прочности может произойти уже при превышении температуры на 10...20°С. Ползучесть, то есть процесс малой непрерывной деформации при длительном нагружении с воздействием температуры становится основным критерием опасности для лопаток и дисков горячих турбин. Ползучесть опасна в связи с возможным выбором зазора у вращающихся деталей (удлинение лопаток). Температурные деформации влияют на работу агрегата так же вследствие различных коэффициентов линейного расширения материалов деталей, непостоянного температурного поля машин в пространстве, различной скорости нагрева и охлаждения деталей с большой и малой массой (при температурном поле переменном во времени и нестационарном тепловом режиме).

Химические нагрузки определяются химической активностью материалов конструкций по отношению к обтекающим их газожидкостным средам и весьма зависят от уровня температур.

Гидро-газодинамические нагрузки вызывают эрозию материалов, зависят в основном от скорости, температуры и давления потоков жидкости или газа, омывающих конструкцию, и возникающих при этом сил трения.

Силовые нагрузки это величина и сила переменного тока, мощность, частота вращения ротора, давление газа или жидкости на входе и выходе из нагнетателя или газа из камеры сгорания турбокомпрессора, механические нагрузки. В зависимости от конкретных условий все эти виды нагрузок могут воздействовать на техническую систему совместно, либо одна из них может иметь доминирующее значение. В сою очередь, силовые нагрузки, в свою очередь, могут быть четырех видов воздействия: статические, динамические, знакопеременные и циклические.

Статические нагрузки действуют постепенно, так что в любой момент времени все элементы оборудования находятся в состоянии отгносительного равновесия. Если их действие происходит в течение длительного периода, то в этом случае срок службы оборудования определяется пределами ползучести или текучести материала.

Динамические нагрузки проявляются при движении элементов агрегата (роторов в подшипниках, газа в проточной части и т.д.), при этом в течение длительного периода времени не существует положения статического равновесия. Динамические нагрузки могут иметь внезапный и ударный характер, связанный с возникновением высоких напряжений при переходе потенциальной энергии системы в кинетическую.

Циклические нагрузки возникают, когда действующие напряжения изменяются циклически с большой частотой.

Знакопеременные нагрузки – вибрации, растяжение –сжатие, кручение, изгиб.

Силы и моменты сил, действующих на отдельные узлы и детали агрегатов по характеру вызываемых ими деформаций можно разделить на следующие виды:

- растягивающие (или сжимающие) силы, которые возникают от давления газов на детали компрессорных агрегатов и от центробежных сил вращающихся масс;

- изгибающие моменты, возникающие при воздействии газа или жидкости на элементы оборудования, при воздействии статических и динамических нагрузок на валы, диски компрессоров и насосов, эстакады и т.д.;

- вес узлов и деталей, инерционные силы;

- скручивающие моменты, возникающие в роторах от воздействия газового или жидкостного потоков на спрямляющие лопатки компрессоров, насосов, и сопловые лопатки турбин;

- усилия, возникающие в результате неравномерного нагрева деталей, а так же вследствие различного коэффициента линейного расширения материалов элементов конструкций, связанных между собой сборочными операциями.

Механические нагрузки

При работе агрегата и отдельных его узлов, в общем случае, приложены силы и моменты сил. Так, в лопатках и дисках компрессора или насоса возникают центробежные силы, на стенки проточной части действует давление жидкости, воздуха или газа. В некоторых случаях, действующие на детали усилия взаимно уравновешиваются внутренними силами, возникающими в элементах, и внешне не проявляются. Из множества деталей можно выделить лопатки и диски нагнетателей и турбин, центробежные силы в которых уравновешиваются внутренними усилиями, возникающими в их материале.

Например, в узлах газотурбинных двигателей (узел входа, осевой компрессор, камера сгорания, турбина и т.д.) возникают усилия, передающиеся соседним узлам и только частично замыкающиеся в системе турбопривода, вызывая в стенках корпусов растягивающие, скручивающие и изгибающие напряжения. Равнодействующая таких сил передается на нагнетатель в виде крутящего момента, а на фундамент в виде реакции опор.

Внешними силовыми факторами, нагружающими элементы опор (присоединительные болты, стыки) являются актив ный Та и реактивный Т_р крутящие моменты, консольные нагрузки на входном и выходном участках валов, массовые силы веса G и инерции Р_ин. На рисунке 2.3 представлена схема нагружения опорных элементов. Моменты Т_у и Т_х, являющиеся обычно основными нагрузками, вызывают растяжение болтов и смятие стыка. Их действие складывается на опоре 1, где находится нагруженный максимальным усилием растяжения Р_р,_max угловой болт, и на опоре 3, где они вызывают максимальные напряжения смятия ( w _см )_max. Момент T_z и сила Р_х действуют в плоскости стыка и уравновешиваются силами трения затянутого стыка.

Рисунок 2.3 – Схема нагружения опорных элементов

Старение материалов

Процесс старения материалов оказывает существенное влияние не только на металлические элементы и прочность конструкций, но изменяют физические свойства герметизирующих и прокладочных материалов. На первой стадии старения наблюдается упрочнение сплавов примерно на 10...25% с одновременным уменьшением пластичности, а затем и снижением прочности. Длительность стадий упрочнения и разупрочнения зависит в основном от температуры. В нормальных условиях (на «холодных» агрегатах и узлах) процесс естественного старения, для базовых деталей, может длиться не один десяток лет. Работа агрегатов в области высоких температур (блоки турбин) ускоряет процесс старения. Помимо температур, процесс старения ускоряется воздействием различного вида нагрузок (особенно вибрационных). Физическая сущность процесса старения заключается либо в распаде пресыщенных твердых растворов (сплавов) либо в переходе от неустойчивого состояния структуры металла, возникшей в процессе его обработки к более стабильному состоянию с пониженным уровнем внутренней энергии. Поскольку эти переходы происходят в результате изменений в кристаллической решетке металла, то повышение температуры увеличивает скорость процесса. Температура значительно влияет на старение из-за распада твердых растворов. Это объясняется тем, что при росте температуры увеличивается растворимость легирующих компонентов в составе сплава. После охлаждения твердый раствор становится менее пресыщенным и поэтому метастабильным, стремящимся за счет процессов распада и выпадения второй фазы, вернуться в равновесное, более стабильное состояние.

Старение, вызываемое распадом твердых растворов, оказывает значительное влияние на физические свойства конструкций: прочность, пластичность, газопроницаемость. В ряде случаев процессы старения приводят к растрескиванию по границам зерен, поэтому явление старения в основном и учитывается при назначении сроков среднего и капитального ремонтов агрегата.