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

Повышенный нагрев масла и связанное с этим быст­ рое окисление масла нередко наблюдаются в гидромуф­ тах питательных насосов |Л. 136—138].

Масло в условиях работы паровых турбин часто обводняется. В ряде случаев это нежелательное явление превратилось в постоянно действующий фактор, суще­ ственно усложняющий эксплуатацию масляных систем турбомашин. Обычно обезвоженное турбинное масло окисляется очень слабо, а коррозионная активность его незначительна. В присутствии же воды скорость окисли­ тельных процессов возрастает в 3—5, содержание агрес­

Основная доля воды, находящаяся в масле, прони­ кает в систему из-за несовершенства конструкции от­ дельных узлов паровой турбины или нарушения нор­ мальных условий их эксплуатации (§ 4-5), и лишь только незначительная доля образуется как продукт окислительной реакции углеводородов, составляющих масло. При нормальной эксплуатации турбины в мас­ ляной системе не должно быть эмульгированной воды. При неблагоприятных же условиях в масле иногда со­ держится до 2—3%, а в единичных случаях даже до 5% диспергированной воды. Отстоявшейся воды из бака может сливаться до 80 л за 8 ч (одну смену) работы турбины [Л. 48]. Однако прямой зависимости между содержанием воды в циркулирующем масле и количе­ ством слитой воды из нижних точек бака не существует. Масло с высокими деэмульгирующими свойствами, на­ пример содержащее дипроксамины, очень быстро осво­ бождается от воды. Подшипники при этом снабжаются обезвоженным маслом, так как, несмотря на большое попадание воды в систему, она быстро отделяется от масла и полностью удаляется при периодических сли­ вах отстоя из бака.

Основным источником аэрации масла являются под­ шипники, гидромуфты, зубчатые редукторы и другие узлы и механизмы паровой турбины, в которых струи и брызги отработанного масла увлекают за собой в силу вязкого трения тонкую кольцевую прослойку воздуха, а затем разрушают ее на отдельные пузырьки при тур­ булентном движении потока, возмущении свободной поверхности масла дли падении струй и брызг на твер­

160

дую поверхность (стенки картера, отбойные щиты) [Л. 52, 174]. Неорганизованный, открытый слив масла нз полостей главного сервомотора регулирующих клапанов турбины всегда связан с интенсивной аэрацией масла;

подвергается аэрации и надежно смазывает подшипни­ ки без дополнительной очистки или фильтрации.

Попадание масла на ведомое зубчатое колесо валоповоротного устройства вызывает интенсивное переме­ шивание масла с воздухом. Простое средство позволяет освободиться от чрезмерной аэрации: у вкладышей по торцам, обращенным в сторону кожуха полумуфты, следует поставить отбойные щитки, аналогичные масло­

ромуфт, существенно снижается при надлежащем выбо­ ре размеров черпательного устройства с учетом действи­ тельных скоростей потока масла в камере {Л. 136, 138]. Аэрация масла, неизбежная при открытом сливе избы­ точного масла из системы через сливные и предохрани­ тельные клапаны, прекращается при отводе этого же масла по затопленному маслопроводу под уровень масла в баке.

Можно привести много других примеров, наглядно иллюстрирующих влияние правильной организации сли­ ва отработанного масла на снижение или полное пре­ кращение аэрации его.

Определенная часть пузырьков воздуха и других газов примешивается к маслу при снижении давления ниже атмосферного (в нерабочих, вакуумных зонах опорных и упорных подшипников, в полостях гидромуфт

инасосов), при контакте с водородом в уплотняющих подшипниках вала генератора н др.

От организации слива отработанного масла зависят

иобъемное содержание воздуха, и размеры пузырьков. На сливе масла из картеров подшипников содержание воздуха обычно равно 10—15%, на сливе из черпательной гидромуфты 35—40%. Данные о спектре размеров

пузырьков, содержащихся в масле, иллюстрирует табл. 4-1.

По мере движения отработанного масла по сливным трубопроводам пузырьки могут укрупняться, выделять-

Т а б л и ц а 4-1

Размеры пузырьков воздуха в масле

На сливе из опорно-упорных подшипников тур­

ся на поверхность и разрушаться. При бурном движении масла, наоборот, пузырьки могут дробиться, захваты­ ваться потоком извне и, таким образом, ухудшать в по­ следующем процесс деаэрации масла в баке. Интенсив­ ное дробление пузырьков происходит при введении в масло некоторых присадок (антипенных, деэмульги­ рующих), снижающих поверхностное натяжение масла и поверхностную прочность пузырьков. Окисленное мас­ ло тоже снижает поверхностную прочность пузырьков и затрудняет их коалесценцию.

4-2. УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ИЗ МАСЛА В БАКЕ а) Конструкция масляного бака

Масляный бак — это резервуар, в котором собирается, хранится и отстаивается от посторонних примесей (воз­ духа, воды, шлама) масло, сливающееся из подшипни­ ков, уплотнений генератора, системы гидроавтоматики и других элементов масляной системы. Опыт эксплуа­ тации показывает, что качество масла в системе смазки сохраняется тем лучше, чем интенсивнее отделяются в нем посторонние примеси. При хорошей организации потоков масла в баке можно достигнуть длительной работы масла (свыше 10 лет), и, наоборот, при неудов­ летворительной организации отстоя масла срок службы его сокращается до 1 года,

162

Масло, находящееся в системе, распределяется меж­ ду баком и элементами коммуникаций системы смазки и регулирования. Емкость масла в системе определяет­ ся следующим выражением:

1,=^г(^г+в»)' (4-|)

где W — общее количество тепла, которое должно отво­ диться маслом от подшипников, уплотнений генератора,

циркуляции масла в системе, т. е. часовой расход мас­ ла Q, отнесенный ко всему количеству масла V, зали­ того в систему. Кратность циркуляции Zc показывает, сколько раз в течение часа все количество масла про­ качивается через систему маслоснабжения. На практике обычно принимают Zc= 8 h-12 ч - 1 , х о т я в последнее вре­

мя для турбин большой мощности стали задавать по­ вышенную кратность циркуляции (Zc= 20-r-30 ч-1) [Л. 71].

Как будет показано ниже, эффективность осаждения примесей зависит от времени пребывания тр масла в ба­ ке. Величина, обратная тр и измеренная в ч-1, по анало­

можность полного опорожнения всей масляной системы после останова масляных насосов без опасности его переполнения. Емкость масляной системы и бака увеличивается с ростом мощности турбоагрегата (рис. 4-2) и усложнением системы регулирования.

У теплофикационных тур­ бин емкость масляной си­ стемы, объединяющей си­ стемы смазки и регулиро­ вания, всегда выше, чем

уконденсационных тур­ Рис. 4-2. Емкость масляных си­

бака содержит три отсека: сливной для приема и предва­ рительной очистки «грязного» масла, промежуточный для основной очистки масла от примесей, «чистый» для сбора очищенного и отфильтрованного масла. Отсеки отделяются двойными вертикальными сетками, установ­ ленными в шандорах, и могут выниматься последова­ тельно через люк для очистки во время работы турбины. Наиболее часто применяются латунные тканые прово­ лочные сетки квадратного переплетения (ГОСТ 6613-53). В ряде случаев применяют более прочную сетку из фос­ фористой бронзы, а в случае необходимости — сетки повышенной антикоррозионной стойкости из никеля, монель-металла, нержавеющей стали. Тонкость очистки, обеспечиваемая сетками, определяется размерами ячей­ ки в свету, поэтому уменьшение их с этой точки зрения является желательным. Однако уменьшение размеров ячеек ведет к уменьшению коэффициента живого сече­ ния и как следствие к увеличению гидравлического сопротивления сетки. Первый ряд сеток, отделяющий сливной и промежуточный отсеки бака, обычно имеет размер ячейки в свету 250—400 мкм; перед отсеком «чистого» масла устанавливаются сетки с размером ячейки в свету 125— 100 мкм и меньше. Необходимая площадь поверхности сеток F определяется зависи­ мостью (Л. 3]

ность сетки. Практические значения коэффициента k для металлических сеток приведены ниже:

Для более тонкой фильтрации масла от механиче­ ских примесей на обычные сетки накладывают неболь­ шие участки более плотной сетки, например, с разме­ ром ячейки в свету 20—40 мкм (и меньше). Таким способом осуществляется частично-поточная тонкая фильтрация масла, и с течением определенного времени

164

все масло будет тщательно очищено от мельчайших частиц [Л. 156].

Масло, поступающее в сливной отсек, не должно возмущать свободную масляную поверхность. Для за­ медления потока применяют отбойные щитки, карманы, небольшие гидрозатворы, сетчатые и дырчатые поддоны, специальные лотки. Масло, которое не подвергается аэрации, обводнению и загрязнению, а поэтому и не требует очистки, не следует направлять в сливной отсек п перегружать бак. Эти потоки (слив избыточного мас­ ла через маслосбрасывающне клапаны, возврат после центрифуги, пресс-фильтра пли адсорбера, слив нз на­ порных импульсных линий системы регулирования и др.) полезно направлять в промежуточный или даже в «чи­ стый» отсек бака под уровень масла с тем, чтобы избе­ жать заражения этих потоков воздухом при свободном сливе их на поверхность.

Дно бака делается с уклоном к центру отстойника или в сторону сливного отсека. К нижней точке бака подсоединяются магнитные улавливатели частиц желе­ за, дренажный маслопровод и аварийный сброс. Масло к насосам должно отводиться с уровня не менее 150 мм от дна бака. Место отвода масла защищается карма­ ном или дырчатым листом во избежание случайных по­ паданий различных предметов во всасывающий масло­ провод.

На крышке бака устанавливаются дефлекторы, шту­ цера для подсоединения газопроводов к эксгаустеру, маслоуказательные колонки, лючки для различных це­ лей (доливки масла, чистки сеток, ремонтные лазы идр.). Между крышкой бака и свободным уровнем масла размещается сеть дырчатых трубопроводов для подвода углекислоты (из баллонов) для тушения пожара. Для уменьшения пожарной опасности масляный бак вместе с насосами удаляют от турбины на пол конденсацион­ ного помещения, а в некоторых случаях выносят в спе­ циальное помещение вне машинного зала (Л. 168].

Стенки масляного бака покрывают защитной краской, которая иногда оказывается нестойкой и разрушается, например, от воздействия некоторых сортов сернистого масла. Такую краску следует удалить во избежание ненормальной работы системы смазки (закупоривание воздушников и дренажных сверлений в системе регу­ лирования, загрязнения сеток) и ухудшения качества

165

масла (краска образует коллоидный раствор, ухудшаю­ щий деэмульсационные и другие свойства масла).

б) Процессы осаждения примесей из масла

Из всех примесей, содержащихся в масле, наибольший объем занимают воздушные пузырьки, поэтому процесс выделения воздуха из масла рассмотрим подробнее.

Скорость движения v" единичного сферического пузырька диаметром d, всплывающего в большом объе­ ме масла, определяется по теоретической формуле Сток­ са с поправками Адамара — Рыбчинского v"=gdzl 12v (g — ускорение свободного падения, v — кинематическая вязкость масла), справедливой при числах Рейнольдса

Re = di»7v<2 {Л. 83].

Ниже приведены расчетные значения скорости сво­ бодного подъема единичного пузырька в турбинном масле марки 22 при 50 °С и атмосферном давлении:

Скорость пузырька в масле замедляется тем силь­ нее, чем меньше газа растворено в масле, так как из-за диффузии воздуха в масло происходит уменьшение размера пузырька. Наблюдались случаи, когда пузырек,

Поверхностно-активные вещества оказывают тормо­ зящее влияние на скорость подъема воздушных пузырь­ ков. Даже незначительные следы поверхностно-актив­ ных веществ в масле как бы сообщают пузырьку свой­ ства твердого шарика, затрудняют диффузию воздуха через адсорбционный слой на поверхности пузырька, увеличивают устойчивость пузырьков к слиянию друг с другом. Движение вблизи границы раздела жид­ кость— газ в таких пузырьках нарушается, перепад скорости между жидкостью и поверхностью пузырька и связанная с этим перепадом диссипация энергии уве­ личиваются. При числах Re<2 значение коэффициента сопротивления для таких пузырьков в 1,5 раза больше, чем для «неотвердевшего» пузырька. Еще более замед­ ленное движение пузырька в масле происходит при

166

введении добавок, способствующих образованию полимолекулярных коллоидизированных слоев на границе масло — воздух. К таким веществам относится, напри­ мер, полнметилсилоксан — антипенная присадка. До­ статочно чрезвычайно малых количеств поЛиметилсилоксана, чтобы затормозилось тангенциальное движение жидкости у поверхности пузырька, изменилась вязкость дисперсионной среды вблизи границы раздела, накопил­ ся тяжелый коллоидный слой вещества вокруг пузырь­ ка. Скорость подъема пузырька в таком масле не только замедленна, она уже не пропорциональна квадрату диаметра, как это отражено в расчетной формуле для чистых жидкостей [Л. 79].

Пузырьки, движущиеся в турбинном масле марки 22, сохраняют сферическую форму лишь при диаметре по­ рядка 4—5 мм |[Л. 83]. Чем больше объем пузырька, тем больше его форма отличается от шара, принимая сплю­ щенные, грибообразные, весьма неустойчивые формы. Деформированные пузыри движутся по сложным траек­ ториям с большими колебаниями скоростей. Очень часто такие пузырьки дробятся на ряд мел'ких при бур­ ном движении масла в сливных трубопроводах.

В реальных условиях приходится иметь дело не с одним пузырьком, а с огромным их количеством. Между движущимися пузырьками существует гидро­ динамическое взаимодействие, оказывающее двоякое влияние на скорость подъема пузырьков: ускоряющее и замедляющее. Взаимно вертикальное расположение пу­ зырьков, оформление в объеме смеси струйчатого, цепочечного движения групп пузырьков, неравномер­ ность концентрации воздуха по ширине слоя способст­ вуют ускоренному их подъему. В простейшем случае, когда взаимодействуют только два пузырька диаметром di и d2, движущиеся в одинаковом направлении, сопро­

пузырька уменьшается в 4 раза, при 1=1,5di — в 2 раза, при l = 2di — в 1,6 раза. При большом количестве пузырь­ ков взаимодействия между ними суммируются. Однако величину этого взаимодействия не удалось определить теоретически даже для случая совместного движения трех пузырьков. Экспериментальный коэффициент вза­ имодействия а, определяемый отношением «групповой»

167

скорости подъема системы пузырьков к скорости подъе­ ма изолированного пузырька, оказывается равным 2—3.

Нарушение цепочечного движения пузырьков, равно­ мерное распределение их по объему сосуда, перемеши­ вание масла, турбулизация потока приводят к замедле­ нию подъема пузырьков на поверхность.

Рис. 4-3. Всплывание единичного пузырька и «ансамбля» пузырьков.

Пузырек, всплывая, увлекает за собой масло (а), что приводит к возникнове­ нию обратного движения среды (б). Когда расстояния между пузырьками не­ велики, взаимное влияние их ускоряет подъем (я); при стесненном всплыва­ нии (г) скорость подъема пузырьков замедляется; цепочечное движение (д) ускоряет подъем пузырьков; облако пузырьков (£) поднимается со скоростью,

превышающей скорость всплывания единичного пузырька.

При массовом всплывании пузырьков, сопровождаю­ щемся перемешиванием среды, не представляется воз­ можным определить скорость отдельных пузырьков раз­ личных размеров. К тому же эта скорость и не является характерной, так как по ходу подъема скорость отдель­ ных пузырьков меняется вследствие изменения условий стеснения и наличия нисходящих токов масла. Вначале, когда содержание воздуха в масле велико, а распреде­ ление пузырьков, по размерам неравномерное, происхо­ дит бурное выделение воздуха, пузырьки при движении обгоняют друг друга, трутся, ударяются. Краска, вве­ денная в верхние слои масла в экспериментальном баке, довольно быстро окрашивает почти весь объем масла. Явно обнаруживаются нисходящие токи его, увлекаю­ щие вниз мельчайшие пузырьки воздуха. В конечном

168

периоде процесса воздуховыделения, когда перемешива­ ние практически прекращается, на границе раздела чистого масла и эмульсионной структуры оформляется цепочечное движение пузырьков.

Для математического описания процесса выделения пузырьков воздуха из аэрированного масла применяют­ ся теории конвективной диффузии, вероятностные и дру­ гие методы. Результаты, полученные при расчетах, не являются точными из-за осложнений, возникающих при совместном подъеме пузырьков различной крупности (перемешивание, нисходящий поток, образование цепо­ чек и др.). Поэтому для практических целей обычно ориентируются не на аналитические зависимости, а на

в заданном объеме смеси с течением времени, а также суммарное время для полного выделения всех пузырь­ ков из слоя масла. В УралВТИ (Л. 63] для определения указанных выше зависимостей применяется вертикаль­ ная теплоизолированная колонна 1 (рис. 4-4), содержа­ щая клапан-отсекатель 2 и пьезометр 3. Масло, сли­ вающееся из подшипников или экспериментальных аэра­ торов. прокачивается через колонну снизу вверх до установления стационарного режима. Затем быстрым закрытием клапана 2 поток масла в колонне отсекается. Из оставшегося в колонне слоя масла постепенно вы­ деляются воздушные пузырьки, о чем свидетельствует снижение уровня масла в пьезометре. Эксперимент прекращается, когда уровень масла /Д в пьезометре

промежуточный момент времени т можно определить по формулам:

где Р, Н — размеры участков колонны (рис. 4-4); pi — плотность масла в пьезометре; р2 — плотность масла (без воздуха) в колонне.

169