книги из ГПНТБ / Казанский, В. Н. Системы смазки паровых турбин

в) Механическая смесь масла и воздуха

Нерастворенный воздух, присутствующий в масле, умень­ шает модуль объемной упругости рабочей жидкости, замедляет скорость передачи гидравлических импульсов в системе регулирования, вызывает пульсацию диффе­ ренциальных поршней, снижает устойчивость шипа на масляной пленке, способствует эрозийному износу дрос­ селирующих поверхностей, снижает подачу и напор мас­ ляных насосов, ускоряет окисление масла и вызывает повышенные потери его (пена очень текуча и проникает через незначительные неплотности), ухудшает теплооб­ мен в маслоохладителях, усложняет эксплуатацию эле­ ментов масляной системы и прежде всего масляного бака [Л. 50, 52]. Известен случай аварийного разрушения маслопроводов на работающей турбине 25 МВт из-за интенсивных гидравлических ударов в масляной системе, появившихся вследствие недопустимых пульсаций золот­ ников и качания нагрузки. Было обнаружено, что от­ верстия для эвакуации воздуха из тупиковых камер про­ точно-импульсных линий системы регулирования заби­ лись смолистыми продуктами окисления чрезмерно об­ водненного и аэрированного масла [Л. 50].

Важно знать количественное содержание воздуха в масле.

Согласно общепринятой терминологии под относи­ тельным объемным воздухосодержанием 'ср масловоздуш­ ной смеси понимают отношение объема всех воздушных включений V" к суммарному объему смеси VCM=V' + V",

Т’ 6' <p=V"/{V' + V"). (3-11)

Величину ф> иногда называют «концентрацией возду­ ха», степенью аэрации масла или просто воздухосодер­ жанием масла.

Для его измерения применяют различные методы: не­ посредственное взвешивание отобранной пробы масла; гидростатическое взвешивание поплавковыми приборами или дифференциальным манометром; отстаивание ото­ бранной пробы масла; фотоэлектроколориметрический, радиоактивный, ультразвуковой, компрессионный, электроемкостный способы [Л. 20, 50, 53, 54, 178].

Для измерения воздуха в масляных баках часто при­ меняют поршневые герметичные пробоотборники, одна из конструкций которого показана на рис. 3-4,а [Л. 54].

130

Пробоотборник состоит из прозрачного стакана 5, в ко­ тором перемещается золотник 6, снабженный резиновы­ ми уплотнениями 4 и 8. К стакану привернута труба 3, через которую проходит шток 2. Стакан и золотник мо­ гут быть плотно прижаты друг к другу накидной гайкой 1. К золотнику гайкой 9 крепится протарированная

в объемных единицах измерительная трубка 10 из орга­ нического стекла. Чтобы избежать сжатия воздуха при отсечении пробы масловоздушной смеси, в гайке 7 сде­ лан специальный вырез.

Пробы отбираются в три этапа:

1.Измерительная трубка заливается чистым маслом,

чоткрытый прибор осторожно погружается в исследуе­

мую точку бака (рис. 3-4,6).

2. После прогрева прибора в течение 2—3 мин в по­ токе масла быстрым смещением стакана относительно золотника отсекают пробу масла (рис. 3-4,в). Затем отборник следует оставить в потоке масла на 5—6 мин.

3. После того как выделятся все воздушные пузырь­ ки, прибор извлекают из бака и переворачивают измери­ тельной трубкой кверху (рис. 3-4,г). В таком положении определяется абсолютный объем воздуха V" в отобран­ ной пробе масловоздушной смеси 1/См. Относительное

объемное воздухосодержание подсчитывается по фор­ муле

где а—термический коэффициент объемного расширения

после взятия пробы и процесс выделения воздуха не со­ провождается охлаждением масла, то разность темпера­ тур At равняется нулю и вторым членом в формуле (3-12) можно пренебречь. В противном случае возможны погрешности измерений.

В ряде случаев, например для расчета масловоздуш­ ных отстойников; определения скорости растворения пузырьков, попавших с маслом в систему регулирования; изучения процессов зарождения и развития аэрации масла; определения влияния антипенных присадок на дробление воздушных пузырьков в сливных трубопро­ водах и др., необходимо знать спектр размеров пузырь­ ков.

Обычно для этой цели применяют метод микрофо­ тографирования небольшого объема масловоздушной смеси, отобранной в прозрачные ловушки [Л. 53, 55].

По данным измерений пузырьков строят интеграль­ ные кривые N(d) счетного распределения пузырьков по размерам. В вероятностно-логарифмических координа­ тах эта зависимость представляется прямой линией (рис. 3-5,6). Графическим дифференцированием интег­ ральной зависимости получаются дифференциальные кривые n(d) счетного распределения пузырьков по раз­ мерам (рис. 3-5,а). Максимум функции ti(d) определяет модальный размер пузырька, т. е. размер наибольшего по счету пузырька. Аналогичным способом можно по­ строить интегральные M(d) и дифференциальные m(d)

132

Рис. 3-5. Дифференциальные (а) и интегральные (б) кри­ вые счетного (1) и объемного (2) распределения размеров воздушных пузырьков в турбинном масле [Л. 55].

кривые объемного распределения пузырьков по размерахМ. Для характеристики спектра размеров пузырьков могут быть использованы среднеарифметический, сред­ неквадратичный и среднекубический радиусы или диаме­ тры пузырьков.

г) Пенообразование масла

Пенообразование — это результат сложения ряда непре­ рывно протекающих процессов: образования в слое мас­ ла газовой эмульсии, выделения пузырьков газа на по­ верхность и образования пенного слоя, разрушения пенного слоя из-за ограниченной его устойчивости. Мас­ ловоздушная эмульсия образуется в результате: 1) выде­ ления растворенного воздуха или другого газа при сни­ жении давления ниже той величины, при которой проис­ ходило насыщение масла воздухом (или другим газом); 2) «вскипания» масла, т. е. образования кавитационных паровых пузырьков при снижении давления ниже пре­ дела упругости масляных паров; 3) увлечения тонкой кольцевой прослойки воздуха струями отработанного масла и последующего распадения ее на множество пузырьков [Л. 3, 52, 174].

133

Когда пузырек находится в слое масла, избыточное давление газа и пара р" внутри него уравновешивается гидростатическим давлением и силами поверхностного натяжения [Л. 32]:

Под влиянием подъемных сил пузырек всплывает, и в момент прорыва его через поверхность состояние его резко нарушается: вследствие быстрого уменьшения гид­ ростатического давления он начинает расширяться и де­ формироваться. Если прочность поверхностной пленки окажется недостаточной, избыточное давление р" приве­ дет пузырек к разрушению. Так и происходит обычно с чистыми (гомогенными) жидкостями, у которых по­ верхностная прочность мала, а поверхностное натяже­ ние, обеспечивающее значительную величину р", доста­ точно велико [Л. 32].

Нефтяные масла не являются гомогенными жидко­ стями. Они представляют сложную смесь различных углеводородов (§ 3-1), содержащую поверхностно-актив­ ные и иные вещества в форме грубых дисперсоидов, кол­ лоидных систем и истинных растворов. Эти вещества по­ нижают поверхностное натяжение, а следовательно, обу­ словливают сравнительно небольшое избыточное давле­ ние в пузырьке. Кроме того, поверхностный слой такого пузырька, насыщенный различными дисперсоидами, об­ разует достаточно прочную, эластичную и подвижную пленку. В момент выхода пузырька на поверхность проч­ ность адсорбированной пленки оказывается вполне до­ статочной для сохранения «жизни» пузырька. Так обра­ зуется пенный слой, состоящий из множества элементар­ ных пенных ячеек [Л. 32, 42, 105].

Ячейки пены постепенно разрушаются. Это происхо­ дит вследствие стекания масла между тонкими адсорби­ рованными слоями, нарушения связующей способности углеводородных молекул и других особенностей строения поверхностных пленок. Время существования ячейки пены определяют устойчивость ее и всего пенного слоя. На место разрушенных ячеек поступают новые порции всплывающих пузырьков. Таким образом, высота пенно­ го слоя, находящегося в динамическом равновесии, за­ висит от количества ячеек пены, образующихся в еди-

134

Рис. 3-6. Влияние отдельных факторов на пенообразование масла

[Л. 32].

и затем дробить его на пузырьки; с понижением вяз­ кости ускоряется подъем пузырьков на поверхность. Иначе говоря, чем ниже вязкость, тем больше «приход­ ная» составляющая пенного слоя. С другой стороны, изза быстрого стекания маловязкого масла между адсор­ бированными слоями пенных ячеек устойчивость их сни­ жается, вследствие чего возрастает и «расходная» со­ ставляющая пенного слоя. В зависимости от того, какой процесс будет превалировать (образование пены или раз­ рушение), будет и конечный эффект пенообразования. Например, с повышением температуры и уменьшением

130

вязкости турбинного масла ценообразование вначале

возрастает, причем с тем большей интенсивностью, чем меньше номинальная вязкость исходного масла. В этом случае образование пены превалирует над ее устойчиво­ стью. Однако при достаточно высокой температуре (90—95°С), несмотря на интенсивное пополнение пенно­ го слоя новыми пузырьками, на поверхности остается весьма рыхлый и неустойчивый тонкий слой пены. При умеренной температуре (40—60°С) образуется наиболее толстый слой пены турбинного масла.

При попадании в масло воды или другого активного агента, снижающего упругость насыщенного пара жидко­ сти, интенсивно образуется устойчивая пена [Л. 3].

При пенообразовании большую роль играют гидро­ динамические факторы. Образование масловоздушной эмульсии, количество и размер пузырьков, скорость их подъема на поверхность во многом зависят от динамиче­ ской и кинематической обстановки процесса. Известно, что выделение растворенного газа из циркулирующего или иным способом возмущенного масла протекает за несколько секунд. При спокойном же состоянии масла этот процесс протекает медленнее, и в известных усло­ виях масло может находиться даже в пересыщенном со­ стоянии. Пузырьки воздуха, подсасываемого в насос через негерметичный трубопровод или через уплотнение вала, размельчаются настолько, что могут находиться в смеси с маслом в течение многих часов. Бурное движе­ ние отработанного масла по сливным трубопроводам со­ провождается захватом воздуха и его дроблением на мельчайшие пузырьки. При упорядоченном же движении масла в тех же трубопроводах происходит, наоборот, процесс слияния (коалесценции) пузырьков. Крупные пузырьки быстрее выделяются на поверхность и быстрее разрушаются, чем мелкие. Перемешивание и возмуще­ ние пенного слоя иногда ускоряют его разрушение. Из­ вестна, например, высокая эффективность воздействия ультразвука на разрушение пены [Л. 4].

Гидродинамическая обстановка влияет на образова­ ние и разрушение пены, не только прямым, но и косвен­ ным путем изменяя физико-химические свойства адсор­ бированных пленок. Например, упорядоченное движение масла в баке способствует выделению шлама, воды и других активных (в отношении вспенивания) компонен­ тов. Это приводит к изменению поверхностного натяже-

137

Мйя, гетерогенности раствора таких веществ, к измене­ нию прочности и других свойств пленок, совокупность которых определяет весь процесс ценообразования. С другой стороны, свойства масел и характер их загряз­ нений влияют на кинематические условия образования масловоздушной эмульсии. Например, снижение поверх­ ностного натяжения приводит к интенсивному дроблению пузырьков, к образованию высокодисперсной вязкой пены.

Следует еще раз подчеркнуть, что ни вязкость, ни по­ верхностное натяжение, ни гидродинамическая обстанов­ ка процесса не могут исчерпать в отдельности все мно­ гообразные физико-химические свойства масла и физикотехнические факторы, определяющие сложный процесс пенообразования.

3-4. ОБВОДНЕНИЕ МАСЛА

а] Гигроскопичность масла

Масло способно поглощать воду и водяные пары из окружающей среды [Л. 85]. Гигроскопичность турбинного масла хотя и незначительна, но она оказывает большое каталитическое воздействие на процессы старения масла.

Содержание поглощенной (растворенной) воды в нефнятом масле при данной температуре определяется за­ коном Генри (рис. 3-7,а ) :

хМакс — максимально возможная концентрация раствори­ мой воды при данной температуре, % массы; ф — отно­ сительная влажность воздуха, %; р — упругость паров воды в воздухе; ря — упругость насыщенных паров воды в воздухе при данной температуре; k—xM&KC/pH.

Нагрев масла при неизменных температурах и влаж­ ности окружающего воздуха сопровождается осушкой масла. Наоборот, при охлаждении масла (но неизменной температуре и влажности воздуха) часть ранее раство­ ренной воды выделяется в виде мелких капель, образуя эмульсию «вода в масле». Наличие в масле продуктов окисления, полярных компонентов (кислот, мыл, спир­ тов) ведет к повышению гигроскопичности масла и на-

1 3 8

Рис. 3-7. Влияние температуры (а) и кислотности (б) на гигроско­ пичность нефтяного масла [Л. 85].

Кислотность в мг КОН на 1 г масла: 1 — 0,02; 2 — 0,17; 3 — 0,21.

рушению линейной зависимости поглощающей способ­ ности от влажности воздуха (рис. 3-7,6). Наиболее ин­ тенсивно повышают гигроскопичность масла низкомоле­ кулярные кислоты (муравьиная, пропионовая, уксусная) и нафтенаты некоторых металлов. Поэтому масло, недо­ статочно очищенное или сильно окисленное в процессе эксплуатации, обладает большей гигроскопичностью и труднее поддается обезвоживанию. Насыщение масла во­ дой, так же как и обратный процесс — выделение влаги из масла в виде капель, происходит с определенной ско­ ростью, зависящей от толщины слоя масла, размеров свободной поверхности, соотношения между упругостями паров воды в масле и воздухе, температуры и других факторов.

Для определения количества растворенной влаги в нефтяном масле используют стандартизированные ме­ тоды (ГОСТ 1574-42, 7822-50).

6] Эмульгируемость масла

Попадание воды в масло — весьма распространенное явление при эксплуатации паровых турбин. Если вода не смешивается с маслом, она опускается на дно масля-

139