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

дыша имеет цилиндрическую форму, то в новом типе уплотнения на рабочей поверхности вкладыша "со сто­ роны воздуха сделаны несущие масляные клинья, равно­ мерно расположенные по всей окружности. Эти клинья центрируют вкладыш относительно вала, сокращают до минимума возможность радиального перемещения вкла­ дыша, препятствуют износу баббита и, следовательно, обеспечивают умеренные расходы масла в сторону водо­ рода [Л. 89].

Рис. 1-20. Торцевые уплотнения вала генератора.

Кольцевые уплотнения всех типов не выходят из строя при перебоях в подаче масла, а подплавление их вкладышей, если оно и случится, не вызывает, как пра­ вило, повреждения поверхности вала.

Торцевые уплотнения применяются в настоящее вре­ мя на большинстве отечественных генераторов большой мощности. Конструктивно они достаточно разнообразны (рис. 1-20). Но как бы эти уплотнения ни отличались друг от друга, все они имеют вкладыш с торцевой рабо­ чей поверхностью, напоминая упорный подшипник.

В торцевых уплотнениях используется центробежный ■эффект вращающейся масляной пленки, тормозящей ра-

70

циальный поток масла в сторону водорода. Небольшое количество масла, находящегося в контакте с водородом, обычно не требует вакуумной очистки всего поступающе­ го в уплотнения масла. Уплотнение состоит из корпуса 4 и вкладыша 1, постоянно прижимаемого к упорному гребню 2. Из напорной камеры 5 масло поступает в кольцевую канавку на рабочей поверхности вкладыша

идалее разделяется на два потока: основной поток на­ правляется в сторону воздуха, обеспечивая смазку и охлаждение вкладыша; меньший поток идет в сторону водорода, предотвращая выход газа и обеспечивая смаз­ ку и охлаждение внутреннего запорного пояска вкладаша. Рабочая поверхность торцевого вкладыша, залитая баббитом, имеет специальную разделку.

При вращении вала между упорным гребнем и рабо­ чей поверхностью вкладыша создается гидродинамиче­ ское давление масла, уравновешивающее усилие, прижи­ мающее вкладыш к гребню. Наиболее напряженно рабо­ тает вкладыш при малых частотах вращения вала (ниже 200—400 мин-1) и особенно при тихоходном провора­ чивании вала во время пуска или расхолаживания тур­ боагрегата, когда режим гидродинамического трения уступает место полужидкостному трению. Зависимость давления, развивающегося в масляном клине, от частоты вращения ротора является общим недостатком торцевых уплотнений.

Вуплотнении, изображенном на рис. 1-20,я, вкладыш прижимается к гребню пружинами 3, давлением масла

идавлением водорода. Суммарное осевое усилие при этом достигает значительных величин, вызывающих на­

рушение^ нормальной работы масляного клина. Поэтому в современных торцевых уплотнениях стараются умень­ шить общее усилие, прижимающее вкладыш к упорному гребню.

На рис. 1-20,6 показано уплотнение, в котором уплот­ няющее масло отжимает вкладыш от гребня. Прижатие же вкладыша осуществляется спиральными пружинами 3 и давлением водорода. Удельное давление на рабочую поверхность вкладыша хотя и возрастает с повышением давления водорода, но не так резко, как в уплотнении рис. 1-20,а, и при номинальном давлении водорода 2 -105 Па получается значительно ниже допустимого. Од­ нако при падении давления масла расход его сни­ жается, а суммарное осевое усилие возрастает, что нару­

71

шает нормальный режим работы уплотнения. Кроме то­ го, при понижении давления водорода, например при вытеснении его углекислотой, отжимающее усилие масла может превысить суммарное прижимающее усилие от пружин и давления водорода, и вкладыш отойдет от гребня, что вызовет повышенный слив масла в сторону водорода.

В уплотнениях рис. 1-20,о вкладыш прижимается к диску пружинами 3 и давлением водорода. Масло под­ водится в напорную камеру 5 между двумя уплотняю­ щими кольцами и не оказывает никакого влияния на прижимание вкладыша к гребню. С целью снижения давления водорода на вкладыш задний торец обоймы имеет минимальную поверхность.

В последнее время стали применять двухкамерные уплотнения (рис. 1-20,г), в которых пружины отсутству­ ют. Вкладыш прижимается к гребню усилием от дав­ ления прижимающего масла в камере 8 и давлением водорода в генераторе. Уплотняющее масло подводится по самостоятельной линии в камеру 5 и далее к рабочей поверхности вкладыша. Изменением давления масла в камере 8 можно регулировать усилие, прижимающее вкладыш к гребню, не прибегая к разборке уплотнения. При общем снижении давления масла в системе уплот­ нения генератора прижимающее усилие также снизится, что делает это уплотнение несколько менее чувствитель­ ным к перебоям в подаче масла, чем в уплотнениях дру­ гих типов. Однако двухкамерные уплотнения требуют установки двух регуляторов давления масла: уплотняю­ щего и прижимающего, что в сравнении с однокамерны­ ми уплотнениями является недостатком, так как непо­ ладки с регулятором прижимного масла могут привести к выходу уплотнения из строя (Л. 89].

При эксплуатации масляных уплотнений генераторов нередко происходят неполадки: повышается температура вкладышей выше допустимых норм, появляется водород

всливных маслопроводах, увеличивается расход масла

всторону водорода, происходит попадание масла в кор-, пус генератора [Л. 43].

Температура вкладышей повышается при неправиль­

ной разделке рабочей поверхности баббитовой заливки, неудовлетворительной подвижности вкладыша, увеличен­ ных усилиях прижатая вкладыша к гребню, малых пере­ падах между давлением водорода и давлением уплот-

72

няюицего масла, попадании в смазочный зазор посторон­ них примесей (воды, ржавчины, шлама, грязи). Особен­ но чувствительны торцевые уплотнения к перерывам маслоснабжения. Даже при кратковременном перерыве по­ дачи масла при номинальной нагрузке генератора про­ исходит стремительное повышение температуры баббита, приводящее к частичному подплавлению или полному разрушению антифрикционной заливки. В отдельных случаях при частичном расплавлении баббита происхо­ дит образование высокотвердых кристаллических вклю­ чений, способных интенсивно повреждать поверхность упорного гребня. Подплавление баббита по окружности вкладыша происходит неравномерно. Вследствие этого вкладыш устанавливается с перекосом, что вызывает увеличение расхода масла через недопустимо большие зазоры, снижение давления в напорной камере и прорыв водорода через уплотнение. Задержка с остановом гене­ ратора в этом случае может привести к развитию серь­ езной аварии.

Для предупреждения сильного износа упорного греб­ ня в некоторых уплотнениях применяются ограничители хода вкладыша, которые не допускают соприкосновения поверхностей гребня и разрушенного вкладыша. В дру­ гих конструкциях при перебоях в подаче масла вкладыш отжимается от гребня пружинами, а водород выпускает­ ся в -атмосферу.

Концентрация водорода в сливных маслопроводах не должна превышать 1%. Появление водорода в сливных маслопроводах может происходить из-за неплотного сцепления антифрикционного слоя с корпусом вклады­ ша, нарушения плотности в разъемах корпуса или вкла­ дыша, недостаточной подвижности вкладыша, недоста­ точного усилия прижатия вкладыша к гребню, недопу­ стимо низкого перепада давлений ^часла и водорода. Подвижность вкладыша резко снижается при работе уплотнений на коррозионно-агрессивном обводненном масле.

На ряде генераторов с водородным охлаждением для повышения надежности работы масляных уплотнений вала вкладыши с баббитовой заливкой были заменены вкладышами с сегментами из фторопласта-4 [Л. 89]. При обследовании генераторов с фторопластовыми сегмента­ ми после 1—2 лет эксплуатации в некоторых случаях был обнаружен значительный износ (до 8—9 мм) упор­

73

ного гребня, вызванный как твердыми включениями, за­ стрявшими в размягченном полимере, так и электроэрозионным процессом. Кроме того, во фторопластовом слое вкладыша появились щели, вызвавшие повышенный расход масла в сторону водорода и появление водорода в сливных маслопроводах. По этой причине дальнейшая замена баббита на фторопласт приостановлена.

Для предотвращения утечек масла из напорной ка­ меры вкладыша раньше применяли пластикатовые диаф­ рагмы 6 (рис. 1-20,а), пружинящие стальные, чугунные или текстолитовые кольца 9 (рис. 1-20,6), размещавшие­ ся в специальных канавках. Опыт эксплуатации показал, что текстолитовые кольца разбухают под воздействием обводненного масла, теряют подвижность, приводят к за-' клиниванию вкладышей и нарушению их нормальной ра­ боты. Металлические кольца оставляют большие нара­ ботки (до 0,15 мм за год эксплуатации) на уплотняемых поверхностях, препятствующие свободному перемещению вкладыша. Часто кольца заклиниваются из-за попада­ ния в пазы вместе с маслом воды и грязи или просто ломаются, что приводит к повреждению уплотнения. В современных генераторах для разделения камер на­ порного масла применяют уплотнительные кольца 10 (рис. 1-20,8, г) из маслостойкого резинового шнура, уло­ женного в канавки прямоугольного сечения. Установка резиновых колец снизила расход масла в сторону водо­ рода до 0,01—0,02 л/мин, что в 100 раз меньше, чем при установке металлических колец [Л. 11, 43 89].

Повышенный расход масла в сторону генератора не­ редко происходит вследствие нарушения нормальной работы маслозащитных гребенчатых уплотнений 7 (рис. 1-20,а) (износ, неправильная установка, повышен­ ный зазор в разъеме и др.), недостаточного усилия при­ жатия вкладыша к гребню, повышенного перепада меж­ ду давлениями уплотняющего масла и водорода и др.

1-7. ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРОАВТОМАТИКИ

а] Регулирование паровых турбин

Система регулирования и защиты современных паровых турбин со­ держит гидравлические сервомоторы и золотники, представляющие собой поршневые механизмы. Перемещение поршней происходит иногда под воздействием весьма небольших сил. Для уменьшения сил трения применяется ряд конструктивных решений, направленных

74

на создание масляной прослойки между подвижными и неподвижны­ ми деталями или на уменьшение силы прижатия подвижной детали к неподвижной. К таким мероприятиям относится применение кон­ струкции самоцентрирующего поршня, конструкции вращающегося

ных пузырьков) ухудшает работу элементов гидравлической авто­ матики, а в ряде случаев вызывает серьезные аварии. Механические примеси, содержащиеся в масле, способны засорить регулирующие окна букс, шайб и отверстий. В большинстве случаев засорение происходит в пусковой период, когда масляная система еще не очи­ стилась от механических частиц (формовочной земли, сварочного грата, окалины, других твердых загрязнений различного происхож­ дения). Особенно опасны отложения на элементах регулирования смолистых веществ, обычно находящихся в растворенном состоянии, но способных при определенных условиях выделяться в виде вязких и липких, а иногда и твердых примесей. Эти вещества нельзя от­ фильтровать, и поэтому следует принимать все меры для преду­ преждения подобных отложений {Л. 16]. Попадание твердых частиц в зазор между подвижными частями элементов регулирования не только увеличивает их нечувствительность, но приводит иногда к полной потере подвижности этих элементов, что сопряжено с на­ рушением нормальной работы системы регулирования. Особенно усложняется аварийная обстановка при сопутствующих и утяжеля­ ющих условиях. Так, при аварийных разрушениях упорных подшип­ ников, когда в масляную систему попадает стружка баббита или бронзы, одновременно нарушается работа системы регулирования и защиты турбины [Л. 17]. Устранить эти недостатки можно двумя путями: предохранением системы регулирования от попадания в нее посторонних примесей и созданием конструкций, работа которых не зависит от чистоты масла. Для обеспечения надежной работы систе­ мы регулирования обычно объединяют оба указанных метода. Кроме общей фильтрации масла в баках (отстойниках) паровых турбин, перед ответственными элементами системы регулирования устанав­ ливаются дополнительные щелевые, проволочные или иные фильтры, конструктивно встроенные в детали узлов. Масло для системы гид­ равлической автоматики турбин должно быть очищено от твердых частиц с определяющим размером *, большим, чем диаметральный зазор с в золотниках и сервомоторах. Обычно с=0.08—0,12 мм, сле­ довательно, фильтрация должна производиться от всех частиц раз­ мером до 0,06 мм {Л. 17].

Весьма неудовлетворительно работают элементы регулирования и защиты на обводненном масле. Вследствие коррозионной агрес­ сивности обводненного масла происходят изъязвление деталей, ржав­ ление трубопроводов, засорение воздушников и других отверстий продуктами износа и коррозии деталей, зашламление системы. Осо­ бенно в неблагоприятных условиях оказываются устройства с не­ подвижными золотниками, например, в элементах защиты турбины. На течение масла через щели малого размера существенное влияние1

1 Меньший из трех габаритов частицы называется определяю­ щим размером.

75

оказывают граничные условия, обусловленные силами молекулярного взаимодействия, действующими на границе раздела жидкой я твер­ дой фаз. В результате на поверхности щели адсорбируется слой поляризованных молекул масла, который способствует дальнейшему засорению (заращиванию) канала твердыми и вязкими включениями. Образующийся слой веществ приобретает свойство упругой прочно­ сти на сдвиг (свойство квазитвердого тела), поэтому утечки масла через щель уменьшаются. Рассматриваемое явление получило на. звание облитерации капиллярных каналов [Л. 3, 17]. Слой облитера­ ции обычно разрушается при возмущениях золотника (вращение, вибрация, самоцентрирование и др.). При длительном неподвижном положении золотника происходит постепенное напластование раз­ личного рода веществ в зазоре, и золотник теряет возможность пе­ ремещаться. Прочное закупоривание зазора между золотником и буксой нередко наблюдалось в первый период освоения турбинных масел, изготовленных из сернистых нефтей.

Нормальная работа системы регулирования нарушается при по­ ступлении вместе с маслом пузырьков воздуха. Нередко из-за скоп­ ления воздуха в тупиковых, недренируемых камерах гидросистемы происходят пульсации золотников, дифференциальных поршней и исполнительных сервомоторов, недопустимые колебания нагрузки турбомашины, гидравлические удары в маслопроводах. Вследствие сжимаемости масловоздушной среды происходит замедление скоро­ сти передачи регулирующих импульсов в гидросистеме. В частности, в литературе отмечается случай существенного запаздывания закры­

чески не содержит свободного воздуха. Растворенный воздух не оказывает существенного влияния на работу гидросистемы. Однако при снижении давления масла происходит процесс выделения ранее растворенного воздуха и образования крупных скоплений воздуха в виде «снарядов». Рассмотрим для примера процесс дросселиро­ вания масла в отверстии малого диаметра при переменной разности давлений A p = p i—pz (рi — давление перед отверстием, р% — давление за отверстием). При снижении давления р2 происходит увеличение расхода масла Q по параболической кривой (рис. 1-21,а). При истет чении сужается поперечное сечение струи масла; давление рд в месте этого сужения при увеличении перепада давлений Ар уменьшается линейно до определенного предела, после чего происходит резкое падение давления рд до величины ниже атмосферного давления.

на прозрачной модели было обнаружено белое облако в дроссели­ рующем отверстии и в некоторой области за ним. Длина облака (факела) увеличивалась по мере снижения давления р 2. Фотографи­ рование при электрическом разряде со временем освещения 10~6 с позволило увидеть лентообразный рой пузырьков, которые в области высокого давления постепенно растворялись в масле. Рассматривае­ мый поток представлял в целом упругую среду с присущими ей кри­ тическим перепадом давлений Ар„р, критической скоростью и пре­ дельным расходом.

Для каждого типа дросселя существует своп зависимость кри­ тической разности давлений от режимных и иных факторов. Форма

76

дросселирующего сечения оказывает большое влияние на количество выделяющегося воздуха. Существует определенное соотношение гео­ метрических размеров дросселя, при котором возникает максималь­ ное разрежение в потоке масла, обусловливающее максимальное выделение воздуха. Так, например, наибольшее выделение воздуха происходит в дросселе круглого сечения при отношении ljd > 10, наи­ меньшее — в щелевом дросселе прямоугольного сечения при отно­ шении //cf>10. Поэтому обычно рекомендуется применять уплотняю­ щие щели длинными и узкими, а регулирующие окна — с коротким каналом и острой кромкой (Л. 141].

Рис. 1-21. Влияние воздуха на работу элементов регулирования тур­ бины.

При одинаковых сравниваемых условиях повышение содержания увлеченного воздуха ср в масле, вызванное, например, неудовлетво­ рительной деаэрацией масла в баке, приводит соответственно к по­ вышению количества выделившегося при дросселировании воздуха. Однако и при <р=0 во время дросселирования масла будет также выделяться воздух, растворенный ранее еще при атмосферном дав­ лении ![Л. 141]. Основные результаты испытаний дифференциального поршня конструкции МЭИ (рис. 1-21,6) приведены на рис. 1-21,в, где обозначено: а=Ау/уо, Ау — смещение поршня от равновесного положения, у 0— ход поршня на степень неравномерности (Л. 141]. Упругость чистого масла практически не приводит к пульсации диф­ ференциального поршня под воздействием пульсации, начального дав­ ления. Наличие воздуха в масле вызывает значительную пульсацию поршня с амплитудой, практически линейно возрастающей с увели­ чением содержания воздуха над поршнем.6

6) Регулирование гидромуфт питательных насосов

Гидромуфта предназначена для изменения частоты вращения вала питательного насоса при неизменной частоте вращения вала электро­ двигателя. Таким образом достигается изменение подачи и напора насоса |Л . 25, 73, 136— 138].

77

Гидромуфта состоит из двух зависимых между собой колес: ведомого и ведущего, смонтированных в общем кожухе, заполнен­ ном маслом. Ведомое колесо связано с валом двигателя, ведущее — с ведомым валом редукторной передачи. Каждое колесо гидромуфты имеет форму чашеобразных дисков, снабженных прямыми или на­ клонными лопатками. Для уравновешивания осевых сил в гидро­ муфте конструкция ее выполняется симметричной: и ведомый ро­ тор, и ведущий состоят из сдвоенных рабочих колес.

Энергия от ведущего ротора передается ведомому путем гидро­ динамического взаимодействия потока и лопастных систем рабочих

Рис. 1-22. Жиклерная (а) и черпательная (б) гидромуфты.

колес. Такая передача энергии происходит с определенными поте­

гулирования. Наибольшее распространение получило регулирование гидромуфт изменением степени заполнения проточной части гидро­

зи с этим различают черпательные и жиклерные гидромуфты. Принцип регулирования черпательной муфты заключается в сле­

дующем (рис. 1-22,6). В пространстве дополнительного объема А, образованного наружной стенкой колеса 11 и вращающимся наруж­ ным кожухом 9, установлена скользящая черпательная трубка 8. Пространство А сообщается с проточной частью гидромуфты посред-

.ством каналов 10 большого сечения. Под действием статического напора, создаваемого насосным колесом, масло из проточной части протекает через каналы 10 в дополнительный объем и заполняет его. В результате вращения гидромуфты в дополнительном объеме

по трубопроводу 13. В масляное кольцо объема А вводится черпа­ тельная трубка 8. Она загнута против вращения гидромуфты и, используя скоростной напор жидкости, прокачивает ее через внешний маслопровод в бак. Черпательная трубка установлена в специаль-

78

ных направляющих и может передвигаться при помощи колонки, управляемой автоматически.

Если трубка оттянута к валу, то весь дополнительный объем и вся проточная часть гидромуфты заполнены маслом; если трубка выдвинута на периферию, она полностью «вычерпывает» масло из дополнительного объема, а следовательно, и проточной части. Про­ межуточные положения трубки дают и промежуточные значения за­ полнения проточной части. С уменьшением заполнения проточной части уменьшается частота вращения ведомого вала 12 при посто­ янной частоте вращения вала электродвигателя 7, и, наоборот, с увеличением заполнения гидромуфты частота вращения ведомого

ра 5 (при неизменной частоте вращения ротора 2) регулируется изменением количества подводимого к ней масла. При установив­ шемся режиме расход подведенного по трубе 1 масла равен его сливу 3 из гидромуфты через жиклеры 4. Расход масла через жик­ леры определяется давлением масла перед ними, причем это дав­ ление зависит только от уровня масла 6 в гидромуфте, т. е. от сте­ пени ее заполнения. При изменении расхода масл? изменяется и уровень масла, и расход через жиклеры. С изменением степени за­ полнения меняется и скольжение ведомого ротора 5 гидромуфты.

При работе гидромуфт происходит интенсивная аэрация масла; В ряде случаев концентрация воздуха в масле, сливающемся из гидромуфты, достигает 35—45% {Л. 136— 138].

В черпательной гидромуфте наибольшая аэрация масла воз­ никает в пространстве дополнительного объема А (рис. 1-22,6). Испытаниями установлено [Л. 70, 137, 138], что входная часть чер­ пательной трубки 8 работает неполным сечением, вследствие чего создаются условия для свободного поступления воздуха в черпательную камеру. Ввод входного сечения черпака под слой масла существенно уменьшает аэрацию масла, однако этот прием приме­ няется очень редко, так как он сопровождается дополнительными потерями энергии. Правильный выбор формы профиля и размеров заборной части черпательной трубки, а также создание необходи­ мого подпора на сливе масла из нее позволяют снизить аэрацию масла. Определенная часть воздуха поступает в гидромуфту под влиянием эжектирующего воздействия струй масла, вводимого по трубе 13 (рис. 1-22,6). Поэтому все мероприятия, направленные на герметизацию полостей гидромуфты, являются эффективными средствами устранения аэрации масла. При этом одновременно сле­ дует избегать и повышенного разрежения в гидромуфте, связанного с выделением растворенного воздуха из масла и появлением обиль­ ного пенного слоя.

В жиклерной гидромуфте аэрация масла происходит вследствие подсоса воздуха струями масла, истекающего с большими скоро­ стями из жиклеров. Кроме того, з жиклерной гидромуфте при ча­ стичном ее заполнении образуется устойчивое разрежение, обуслов­ ливающее подсос воздуха в рабочие полости. Для предотвращения образования вакуума в колесах гидромуфты выполняют наклонные сверления, соединяющие рабочие камеры g воздушной полостью

корпуса гидромуфты1.

1 Есть мнение о целесообразности ликвидации этих отверстий

]Л. 136].

79