3. Тепловой дисбаланс роторов паровых и газовых турбин

Наиболее распространенной причи­ной является отсутствие осевых зазоров между насадными деталями ротора - ра­бочими дисками, уплотнительными втул­ками. Из-за небольших отклонений тор­цов насадных деталей от перпендикуляр­ности оси при их расширении вместе со значительными осевыми силами возника­ют изгибающие моменты, приводящие к тепловому прогибу ротора.

Известны случаи, когда эта причина исчезала после разгона ротора до скоро­сти срабатывания автомата безопасности за счет ослабления посадочных натягов и перемещения насадных деталей в осевом направлении. Эта же причина теплового прогиба ротора может иметь место на ро­торах насосов, имеющих насадные диски и работающих в горячей среде.

Тепловой дисбаланс у барабанных роторов может возникать из-за протечек пара или газа внутри ротора через не­плотности в технологических заглушках и сварном шве. При этом горячий газ нагре­вает ротор несимметрично в соответствии с расположением мест его входа и выхода, что приводит к тепловому прогибу ротора.

На роторах, работающих в горячей среде, тепловые деформации возникают при попадании масла в центральное от­верстие ротора через неплотности за­глушки. Масло засасывается за счет по­нижения давления внутри ротора при его охлаждении во время остановок и накап­ливается. Наконец, его количество стано­вится достаточным для конвективного теплообмена внутри ротора, при котором тепло переносится в осевом направлении от горячих поверхностей к холодным. Этот процесс, как правило, протекает не­симметрично относительно оси и приво­дит к тепловому дисбалансу. Во многих случаях процесс становится неустойчи­вым, и тепловой дисбаланс нарастает ла­винообразно, при этом машину приходит­ся останавливать из-за чрезмерной вибра­ции. В связи с этим при обнаружении теп­лового дисбаланса на роторе, если неясны его причины, целесообразно проверить плотность центрального отверстия.

Для роторов, работающих в условиях высоких температур, тепловой дисбаланс может быть следствием неоднородности материала ротора (термическая неста­бильность). Равномерно нагретый ротор при этом имеет тепловой прогиб. Эта причина в эксплуатационной практике наблюдается крайне редко, поскольку в процессе изготовления заготовка ротора проходит тепловую пробу, и при обнару­жении термической нестабильности ротор бракуется.

Профилактика теплового дисбаланса у турбинных роторов состоит в контроле осевых зазоров при насадке деталей на вал при сборке и в обеспечении герметич­ности внутренних полостей ротора.

4. Особые случаи тепловых деформаций роторов

Как показали исследования [35], в шейках подшипников скольжения гибких

роторов, как правило, возникает тепловой прогиб. Причина этого прогиба состоит в том, что под действием существующего дисбаланса возникает некоторое смеще­ние оси шейки по отношению к оси вра­щения, при этом "бьющая точка" поверх­ности шейки движется ближе к поверхно­сти баббита, чем любые другие точки на поверхности вала, с меньшим зазором по смазке и в связи с этим находится в зоне более высоких температур. Обычно рас­сматриваемый тепловой прогиб шейки невелик, неизменен во времени и практи­чески независим от режима работы, по­этому он проявляется как часть дисбалан­са и обычными виброизмерениями не об­наруживается. Эксперименты с использо­ванием балансировочных ампул [6] пока­зали, что влияние этого дополнительного теплового прогиба на вибрацию в самых обычных случаях может быть соизмерим с исходными значениями вибрации от дисбаланса. Не зная об этом явлении, спе­циалист интерпретирует суммарное дей­ствие дисбаланса и связанного с ним теп­лового прогиба как исключительно меха­ническое действие дисбаланса. Такая не­точность не приводит к принципиальным ошибкам при постановке диагноза и при виброналадке. Тем не менее, учет рас­сматриваемого обстоятельства может объяснить некоторые вибрационные яв­ления в машинах.

Рассматриваемый тепловой прогиб увеличивается с ростом температурных градиентов в масляном слое соответст­венно при увеличении нагрузки на шейку и при уменьшении зазоров по баббиту. Таким образом, при расцентровках более нагруженная шейка получает дополни­тельный тепловой прогиб. Понимание этого вносит дополнительную ясность в интерпретацию изменений вибрации при расцентровках.

При внезапном изменении дисбалан­са вследствие повреждений ротора (обрыв лопатки) вибрация меняется скачком, но после этого первоначального изменения возможно дополнительное заметное изме­нение вибрации в течение последующих 10 ... 20 мин вследствие тепловых дефор­маций шеек. Обрыв лопатки встречается достаточно редко.

Вследствие недостаточных зазоров по баббиту на подшипниках одного из роторов низкого давления на головном агрегате мощностью 800 МВт наблюдался непрерывный рост вибрации до весьма высоких значений. Повышение вибрации прекратилось после соответствующего изменения расточки вкладышей подшип­ников.

Для роторов на подшипниках сколь­жения с развитыми и гибкими консоль­ными участками при частотах вращения, следующих непосредственно за резонан­сом консольного участка, возможен не­прерывный неустойчивый рост прогиба с увеличением вибрации.

Рассмотрим механизм появления те­плового дисбаланса в газовых турбинах вследствие неравномерного нагрева вала горячим газом. На турбинных роторах газотурбинных установок температура рабочего тела обычно больше температу­ры вала. Если в турбине возникли усло­вия, при которых газ от лопаток течет по направлению к оси ротора, то вследствие асимметрии этого процесса может воз­никнуть существенный тепловой дисба­ланс. В связи с тем, что асимметрия пото­ка газа относительно ротора в основном определяется его эксцентриситетом, а эксцентриситет дисбалансом, возникает механизм развития теплового прогиба с положительной обратной связью, который сопровождается непрерывным ростом вибрации.

Основные диагностические признаки наиболее распространенных причин по­вышенной вибрации, связанных с дефек­тами валов, приведены в табл. 8.2.