3. Колебания и вибрационная надёжность роторов
и валопрвода
Вращающийся ротор (валопровод) является источником колебаний и одновременно элементом, который подвержен воздействию колебаний; при вращении возникают колебания как самого валопровода, так и других элементов: корпусов подшипников, статорных частей турбины и генерато-ра, фундамента. Таким образом, вращающийся валопровод является источ-ником вибрации всего турбоагрегата, при этом характеристики колебаний роторов валопровода оказывают существенное влияние на вибрационное состояние всей системы «турбоагрегат-фундамент».
Колебания роторов ТА – опасное явление, вызывающее следующие неблагоприятные последствия (в порядке снижения тяжести последствий): 1) разрушение всего ТА; 2) развитие трещин усталости в валопроводе; 3) износ баббитового слоя подшипников; 4) износ лабиринтных уплотне-ний; 5) ослабление крепежа элементов статора; 6) просадку фундамента; 7) ограничение мощности при «паровой» вибрации; 8) увеличение шума.
В турбоагрегатах происходят: изгибные (поперечные), крутильные и продольные колебания валопровода. По природе происхождения колеба-ния разделяются на: а) вынужденные; б) параметрические; в) автоколеба-ния; г) субгармонические.
Следует отметить, что на ротора валопровода, кроме указанных выше дополнительных динамических нагрузок, действуют внешние статические нагрузки: 1) крутящий момент от передаваемой валом мощности; 2) силы от действия массы частей ротора (вала, дисков, втулок), вызывающие ста-тический прогиб роторов; 3) осевое усилие, вызывающее растягивающее напряжение.
3.1. Причины, вызывающие колебания роторов
Роторы турбомашин, в т.ч. и цилиндров паровых турбин имеют две
опоры или более. Соединённые муфтами ротора цилиндров турбины и генератора называют валопроводом турбоагрегата. На рис.3.1 показана схема валопровода турбины большой мощности, состоящего из нескольких отдельных роторов: ротора цидиндра высокого давления (РВД); ротора цилиндра среднего давления (РСД); одного-четырёх роторов цилиндров низкого давления (ЦНД) и ротора электрического генератора. Роторы сое-диняются муфтами. Применяются жёсткие, полужёсткие, зубчатые и элас-тичные (пружинные) муфты. В мощных паровых турбинах преимущест-венно используют жёсткие и полужёсткие муфты. Валопровод опирается на несколько подшипников. Корпуса подшипников устанавливаются на выносных, встроенных и приставных опорах. Выносные опоры устанавли-ваются на фундаментных ригелях, приставные как на фундаментных риге-лях, так и на корпусе ЦНД, встроенные размещены на корпусе ЦНД.
Вращающийся ротор (валопровод) является источником колебаний и одновременно элементом, на который воздействуют эти колебания. Коле-бания валопровода являются источником вибрации системы «турбоагре-гат-фундамент», в т.ч. корпусов подшипников, статорных частей турбины и генератора, элементов фундамента.
Рис. 3.1 Валопровод мощной паровой турбины: 1 – РВД; 2 – РСД;
3 – РНД; 4 – РГ; 5 – шейка ротора; 6 – I – X - номера опор (подшипников).
Колебания валопровода могут быть вызваны следующими наиболее важными причинами:
1. неуравновешенность ротора. Это главная причина поперечных колебаний. Частота возмущающих сил при этом равна частоте вращения.
(см. разд. 3.2)
2. Неточность сборки и соединения роторов между собой. Вызывает возмущения с частотой, равной частоте вращения ротора. Возникающие при этом вынужденные колебания также имеют частоту, равную частоте вращения. Эти технологические неточности приводят к коленчатости и из-лому оси. Они сводятся к минимуму путём подгонки полумуфт смежных роторов с доведением расцентровок до нормируемого минимума. Коленча-тость и излом оси могут являться источником возмущающих сил, вызваю-
щих также колебания с частотой f = 2n.
3. Неравножёсткость сечений вала относительно взаимно перпенди-кулярных осей. Это чисто конструктивная причина и устранить её баланси-ровкой ротора нельзя. Источником возмущений при этом является собст-венный вес ротора. Если ротор имеет такое сечение, что жёсткость вала от-носительно взаимно перпендикулярных осей различна, то прогиб ротора зависит от его углового положения. Например, роторы двухполюсных эле-ктрических генераторов имеют неравножёсткие сечения, в связи с тем, что на бочке ротора выполнены продольные пазы для размещения обмотки. За один оборот такой ротор совершает два цикла колебаний под действием собственного веса, вследствие чего возникают параметрические колебания с двойной частотой по отношению к частоте вращения f = 2n.
Параметрическими колебания являются по причине зависимости жёсткости ротора от параметра угла поворота ротора по отношению к вер-тикали. В случае, если имеется большая трещина на роторе, то f = n.
4. Автоколебания ротора. Автоколебания - это самовозбуждающиеся колебания, связанные с действием сил различного происхождения, прояв-ляющиеся при линейном или угловом смещении оси ротора по отношению к оси корпуса. Наиболее важное значение имеют следующие силы:
а) силы со стороны масляного слоя в опорных подшипниках скольже-ния – масляное возбуждение. Оно возникает при воздействии гидродина-мических сил в опорных подшипниках. При этом шейка вала теряет устой-чивое положение и начинает совершать круговое движение при вращении в расточке вкладыша (прецессию). Частота возмущений при этом равна 0,5 частоты вращения ротора;
б) переменные по окружности усилия на рабочих лопатках, вызывае-мые неравномерностью расходов протечек пара по окружности в перифе-рийных и диафрагменных уплотнениях ступени – так называемые венцо-вые силы;
в) силы от неравномерного распределения по окружности бандажа рабочих лопаток давлений, вызываемых нарушением осесимметричного течения пара через надбандажные уплотнения ступени – так называемые надбандажные силы;
г) силы от неравномерного распределения по окружности вала дав-лений в зонах концевых и диафрагменных уплотнений, вызываемые нару-шением осесимметричности течения пара через уплотнения – так называе-мые лабиринтные силы.
Характерной особенностью автоколебаний является то, что их часто-та, как правило, совпадает с одной из собственных частот колебаний вало-провода т.е. f=fm, где fm – m-я собственная частота колебаний валопровода
(одна из низших частот).
5. Субгармонические колебания. Это колебания роторов происходя-щие с дробной частотой по отношению к частоте вращения: f = n/k (k = 2; 3). В практике эксплуатации известны субгармонические колебания с частотами
f = n/k = 50/2 = 25 Гц, и 50/3 ≈ 17 Гц.
Условия возникновения субгармонических колебаний роторов в турбоагрегатах менее всего изучены. Из общей теории субгармонических колебаний следует, что для их возникновения необходимы: возмущающая сила (типа неуравновешенности) и наличие в колеблющейся системе не-линейных элементов. Нелинейные элементы в системе валопровода при-сутствуют – это масляные слои в подшипниках, возмущающие силы также всегда существуют. Поэтому возникновение субгармонических колебаний валопроводов объяснимо, но способы их устранения неизвестны. Субгар-монические колебания имеют частоту меньше оборотной, автоколебания, как правило, также происходят с собственными частотами меньшими оборотной. Автоколебания и субгармонические колебания можно назвать низкочастотной вибрацией (НЧВ) валопровода.
6. Искривление оси ротора (в т.ч. остаточное) из-за неравномерного прогрева-охлаждения, задевания в уплотнениях, а также по причине его тепловой нестабильности.
В первом случае возникает тепловой прогиб ротора по причинам по-дачи пара на концевые уплотнения при пуске турбины и появления разнос-
ти температур между нижней и верхней частями ротора после остановки.
Тепловой прогиб, возникающий по этим причинам устраняется вращением
ротора валоповоротными устройствами.
Одной из распространенных причин, теплового прогиба (дисбаланса) роторов агрегатов являются задевания в уплотнениях. Задевания вызыва-ются недостаточными радиальными зазорами, плохой центровкой уплот-нительных колец, расцентровкой уплотнений при тепловых деформациях узлов статора, большим центральным эксцентриситетом ротора. Перво-начальный тепловой прогиб вызывает усиление задеваний и повышения тепловыделения в местах контакта вследствие сухого трения. Прогиб на-растает лавинообразно, вибрация достигает высоких значений и обычно требует экстренной остановки агрегата. Характерной особенностью вибра-ции оборотной частоты, вызванной первоначальным тепловым прогибом, является её исчезновение по мере прогрева ротора. Нередко последствием задеваний является остаточный прогиб ротора. Задевания не всегда приво-дят к интенсивному росту вибрации. Они могут быть следствием, а не при-чиной вибрации. В большинстве случаев небольшие задевания компенси-руются местной выработкой радиальных уплотнений. Причиной теплового прогиба также может служить недостаточность тепловых зазоров между насадными деталями. Для устранения теплового прогиба ротора, на его по-
верхности в области диафрагменных уплотнений выполняют т.н. тепловые
канавки.
Тепловая нестабильность проявляется в искривлении оси ротора из-за неоднородности свойств его материала и, соответственно, неодинаковости
коэффициентов температурного расширения материала по объёму ротора.
Каждый ротор должен проходить заводскую проверку на тепловую неста-бильность.
Указанные в п.5 причины вызывают колебания ротора с оборотной частотой f = n.
7. Механическая нестабильность ротора возникает при его деформа-
ции и вызывается трением на поверхности контакта насадных дисков и
вала. Механическая нестабильность проявляется в необратимости попере-чной деформации (прогиба) ротора: при нагружении поперечными силами и последующей разгрузке ротор не возвращается в первоначальное состо-яние. Остаточный прогиб является причиной вибрации.
8. Внезапные динамические воздействия на ротор. К таким воздейст-виям относятся:
а) внезапная разбалансировка ротора при поломке и вылете рабочих лопаток;
б) короткое замыкание в цепи электрического генератора и несинфаз-ное включение генератора;
в) сейсмическое воздействие.
При вылете лопаток (в особенности последних лопаток ЦНД) на ротор ударно прикладывается большая поперечная вращающаяся сила, так, при отделении от корня одной лопатки создаётся сила 1,0 – 2,5 МН (100 – 250 т.с.). Эта сила вызывает поперечные изгибные колебания ротора.
Короткое замыкание на клеммах генератора, за трансформатором, в
линиях электропередачи, а также несинхронные включения, отключения и
повторные включения генератора в сеть вызывают интенсивные пульсации крутящего момента, действующие на валопровод со стороны генератора. Эти возмущения определённой частоты могут быть причиной развития крутильных колебаний всего валопровода и возникновения значительных
динамических крутящих моментов в валопроводе (см. также п. 3.4).
Сейсмическое воздействие вызывает изгибные и продольные колеба-ния валопровода. Наиболее опасными признаются продольные осевые им-пульсы, при которых особенно нагружается упорный подшипник валопро-
вода. По нормам турбоагрегаты должны выдерживать землетрясения до семи баллов включительно.
9. Неравномерная затяжка или частичное разрушение болтов в соеди-
нительных муфтах роторов вызывает колебания типа параметрических,
поскольку при этом возникает неравножёсткость муфты на изгиб. Частота
колебаний по этой причине определяется как f = kn (k = 1; 2; 3).