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

Г Л А ВА В ТО РАЯ

СИСТЕМА ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАСЛА

2-1. МАСЛЯНЫЕ НАСОСЫ

а) Главные масляные насосы

Надежность маслоснабжения в большой мере определя­ ет надежность паротурбинной установки. Значение этой проблемы состоит прежде всего в том, что прекращение подачи смазки при номинальной частоте вращения вала за несколько секунд приводит к расплавлению баббита в наиболее нагруженных подшипниках, а это вызывает задевание вала об уплотнения и может привести к рас­ трескиванию шейки вала и повреждению проточной ча­ сти. Тяжелые последствия такой аварии требуют осо­ бенно надежного обеспечения подачи масла в подшип­ ники.

По статистике в США половина всех остановок паро­ вых турбин вызвана неполадками в системе смазки,

. а продолжительность простоев по этой причине в 1.5 раза больше простоев по всем другим причинам [Л. 108].

Существует большое разнообразие схем маслоснаб­ жения, отличающихся типом применяемых насосов (зуб­ чатые, винтовые, центробежные, струйные), приводом насосов (от вала главной турбины через понижающий редуктор или без редуктора, от автономного электриче­ ского или турбинного двигателя), степенью централиза­ ции (совмещенная система регулирования агрегата,- смазки подшипников и уплотнения вала генератора; вы­ деление системы регулирования из общей схемы масло­ снабжения; индивидуальная система смазки каждого подшипника) [Л. 16, 155, 170].

На рис. 2-1,а показана схема маслоснабжения с глав­ ным насосом объемного типа, соединенным с валом тур­ бины редукторной передачей [Л. 16]. Насос подсасывает масло из бака, повышает давление до величины р0 и по­ дает его в систему автоматического регулирования (САР). Для поддержания постоянного давления р0 при перемещениях поршней сервомоторов и других элемен­ тов регулирования на напорной магистрали установлен редукционный клапан (РК), который перепускает масло

80

в систему смазки (СС) подшипников. Во время переход­ ных процессов регулирования, когда большие расходы масла направляются для перемещения поршней сервомо­ торов, редукционный клапан прикрывается, а недостаю­ щий расход масла на подшипники восполняется сливом масла из полостей сервомоторов. Для поддержания не­ обходимого давления масла на смазку подшипников

Рис. 2-1. Схемы маслоснабжения.

1 — картер подшипника; 2 — вал турбины; 3 — дисковый вязкостный насос; 4 — маслоохладитель; 5 — вкладыш.

устанавливается маслосбрасывающий клапан (МСК). У насосов объемного типа напорная полость разобщает­ ся со всасывающей механическим образом (зацеплением зубьев), что обеспечивает надежное всасывание масла из бака даже при неблагоприятных условиях: при низкой частоте вращения вала турбины, при скоплении воздуха во всасывающих магистралях, при неудовлетворительной деаэрации масла в баке.

В насосах объемного типа возможно возникновение кавитационных явлений, вызывающих шум, местную эрозию деталей, снижение подачи. Быстроходность таких

насосов ограничена. Чем больше подача насоса и свя­ занные с ней радиальные его размеры, тем меньше до­ пустимая по условиям кавитации частота вращения на­ соса. При больших расходах масла, применяемых в со­ временных турбинах (10—30 л/с и более), приходится понижать частоту вращения насосов объемного типа до 700—1 500 мин-1 и соединять их с валом турбины через понижающий редуктор. Такая передача усложняет кон­ струкцию блока переднего подшипника, где обычно раз­ мещается насос, и понижает надежность маслоснабжения из-за аварийного разрушения редуктора, нередко наблюдаемого на практике (Л. 108, 155].

Если недавно подавляющее большинство паровых турбин поставлялось с объемными масляными насосами, то в настоящее время широкое распространение получи­ ла схема маслоснабжения с центробежными насосами. Давление, развиваемое центробежным насосом, пропор­ ционально плотности перекачиваемой жидкости и квад­ рату окружной скорости. При запуске, когда во всасы­ вающей полости находится воздух, насос не в состоянии сам подсосать масло из бака на высоту более 100— 150 мм. Поэтому центробежные насосы должны быть всегда заполнены маслом, что достигается установкой маслоструйного инжектора (рис. 2-1,6—г), погруженного под уровень масла в баке, или установкой предвключенного насоса объемного типа [Л. 16].

Большим преимуществом центробежного масляного насоса для маслоснабжения паровых турбин является возможность его расположения непосредственно на валу турбины, т. е. без применения редукторной передачи. Кроме того, для повышения быстродействия системы ре­ гулирования очень полезным является свойство центро­ бежного насоса перегружаться по подаче во время пере­ ходных процессов [Л. 16, 155].

В системах маслоснабжения с центробежными насо­ сами масло в систему смазки подшипников и на уплот­ нив вала генератора обычно подается основным или до­ полнительным инжекторами. Рабочей жидкостью для ин­ жекторов служит масло высокого давления, подводимое к соплу от центробежного насоса. Всасывающая камера дополнительного инжектора соединяется при этом либо с объемом масла в баке, либо с нагнетательной камерой основного инжектора, обеспечивающей лишь небольшое избыточное давление во всасывающей линии центробеж­

S 2

ного насоса. Двухинжекторные схемы, в особенности двухступенчатая схема (рис. 2-1,г), обладают высокой экономичностью по сравнению с одноинжекторными

[Л. 16].

Внекоторых системах маслоснабжения ЛМЗ масло

кцентробежному насосу системы регулирования и на смазку подшипников подводится предвключенным винто­ вым насосом, имеющим редукторный привод (рис. 2-1,<3). В турбинах фирмы Дженерал Электрик для повышения

надежности работы центробежного насоса, установлен­ ного на валу турбины, применяют предвключенный цен­ тробежный насос, расположенный в масляном баке и приводимый во вращение масляной турбинкой, которая питается маслом от главного центробежного насоса и направляет затем это масло пониженного давления на смазку (рис. 2-1,е). Схема с винтовым предвключенным насосом обеспечивает весьма надежную работу главного масляного насоса центробежного типа и, кроме того, снижает расход энергии, так*как коэффициент полезного действия винтового насоса значительно выше к. п-. д. инжектора. Но применение винтового насоса требует редукторной передачи, что снижает надежность насосной группы в целом. Схема с предвключенным центробеж­ ным маслонасосом и масляной турбинкой мало уступает по экономичности схеме с предвключенным винтовым насосом, но по надежности она уступает всем вышеопи­ санным схемам, в частности инжекторным. Инжектор, в котором нет ни одной подвижной детали, всегда на­ дежнее турбомасляного агрегата с постоянно вращаю­ щимися роторами [Л. 16].

Все отечественные турбины мощностью до 200 МВт изготовлялись с главными масляными насосами, приво­ дящимися от вала основного агрегата. Надежность та­ кого привода подтверждена мировым опытом эксплуата­ ции турбин различных типов и мощностей. Однако при

нием масляного насоса в блоке переднего подшипника [Л. 103, 108] и трассировкой к переднему стулу масло­ проводов с достаточной самокомпенсацией его больших перемещений. Требовалось применять повышенное дав­ ление масла в системе регулирования (20-105 Па и бо­ лее), а размещение насосных дисков непосредственно на валу мощной турбины нередко оказывалось конструк­

тивно сложным. Расположение масляного бака большой емкости вместе с инжекторной группой возле горячих паропроводов оказалось опасным в пожарном отноше­ нии. Еще более очевидные трудности при компоновке на­ сосов на валу турбины и масляных баков в непосредст­ венной близости от турбины создались при использова­ нии различных жидкостей в системе смазки (нефтяное масло) и системе регулирования (вода, огнестойкое мас­ ло). Вот почему при проектировании турбин большой мощности конструкторы вынужденно пошли на установ­ ку автономных масляных насосов с приводом от элек­ трического' двигателя, а масляный бак удалили от основ­ ного узла паропроводов. Одновременно с этим возникла возможность создания централизованной системы смаз-' ки, обслуживающей ряд агрегатов, расположенных на разных уровнях: главную турбину, генератор, питатель­ ный турбонасос, питательный электронасос с гидромуф­ той и редуктором, резервный возбудитель.

Централизованная система смазки содержит два глав­ ных центробежных насоса с приводом от электродвига­ телей переменного тока [Л. 117, 152]. Один из насосов является поочередно рабочим, другой — резервным. В конструктивном отношении эти насосы мало чем от­ личаются от центробежных, построенных для работы на воде. В последнее время стали применять масляные на­ сосы вертикальные, одноступенчатые, с двусторонним всасыванием. Уровень дренажной камеры уплотнения вала такого насоса находится выше максимального уров­ ня масла в баке, вследствие чего отпадает необходимость в устройстве сальниковых уплотнений вала. Система смазки с автономными насосами безопаснее в пожар­ ном отношении, так как всегда есть возможность отклю­ чения работающих насосов в случае неблагоприятного развития пожара из-за возгорания масла. Отметим, что это мероприятие осуществимо лишь в том случае, когда подшипники турбоагрегата оборудованы индивидуаль­ ными аварийными бачками (§ 2-2).

Несвоевременное включение в работу резервного маслонасоса нарушает нормальную подачу масла в систему смазки подшипников и может привести к развитию аварии. Поэтому все турбины обяза­ тельно оснащаются системой автоматических устройств для пуска резервных насосов при снижении давления масла в системе смазки, при отключении электродвигателя рабочего масляного электронасо­ са, при исчезновении напряжения на шинах собственного расхода. Имеются вполне определенные директивные указания об особеннос­

84

таким образом, чтобы обеспечи­

вался U -образный затвор высотой не менее 0,5 м. В верхней части ре­ ле обязательно ставится приспособление для удаления скопившегося воздуха. Рекомендуется систематически проверять работу РПДС без снижения давления в системе смазки при работе турбины под нагрузкой. Для этой цели реле подсоединяется дренажной линией с вентилем условным диаметром не менее 10 мм к линии смазки подшипников и к сливному маслопроводу турбины или к маслобаку. Контрольный манометр, но которому проверяются уставки РПДС, устанавливается на одном уровне с реле (рис. 2-2).

Для каждого типа турбины устанавливаются конкретные устав­ ки РПДС и других автоматических устройств, записанные в инст­ рукции завода — изготовителя турбины. По ПТЭ пуск турбины при неисправности одного из масляных насосов или системы их авто­ матического включения запрещается. Резервные и аварийные масля­ ные насосы и устройства их автоматического включения должны проверяться в работе не реже 2 раз в месяц и перед каждым пус­ ком н остановом турбины.

При работе центробежных насосов нередко возникает пульсация давления масла. Исследованиями ВТИ было установлено [Л. 16, 17], что пульсация давления вызы­ вается вихревым движением масла, возникшим еще до рабочего колеса насоса, например, при обтекании како­ го-либо препятствия в инжекторе, во всасывающем тру­ бопроводе, во входном канале перед рабочими лопатка­ ми. Эти вихри вызывают возмущения в насосе и на вы­ ходе из него. Для уменьшения указанных возмущений на входе в насос устанавливают радиальный направляю­ щий аппарат.

Часть масла после выхода из рабочего колеса воз­ вращается во всасывающую камеру через пазухи между

85

диском и корпусом насоса. Эти утечки отжимают основ­ ной поток масла и вызывают его возмущение. Величина вихревой зоны зависит от расхода масла через уплотне­ ние, скорости возмущаемого потока, конструкции уплот­ нения и плавности входной части покрывающего диска. Эффективным уплотнением, почти полностью исключаю­ щим возмущение, является когтеобразное.

Вихреобразование масла может быть вызвано и на выходе из насоса при отрыве потока от стенок рабочих и направляющих лопаток, при ударном входе масла при нерасчетных режимах. Мерами, уменьшающими вихреобразования, являются повышение чистоты обработки дисков, направляющего аппарата и спиральной камеры; правильное профилирование лопаток и обязательное скругление кромок; тщательная зачистка сварочных швов до устранения неровностей; снижение скорости отвода масла из камеры за направляющим аппаратом и др.

Пульсация давления масла часто возникает при ра­ боте насоса на аэрированном масле. Воздух и паровые фракции масла, попадая в насос, снижают его подачу и напор, а при больших воздухосодержаниях могут даже полностью сорвать работу насоса. Особенно чувствитель­

ухудшается и к. п. д. насоса при работе на аэрирован­ ном масле. С повышением вязкости масла отрицатель­ ное влияние воздуха на основные параметры насоса про­ является еще в большей мере.

Абсолютное давление во всасывающей камере, при котором происходит срыв работы центробежного насоса, обычно называют критическим давлением всасывания рк. Испытания показали [Л. 139], что величина давления Pi{ также зависит от воздухосодержания <р и температу­ ры t масла. В частности, для насоса 2КМ-6 при <р=0

36

тания и снижению времени полного разворота насоса, что вызвано, по-видимому, частичным выталкиванием скопившегося воздуха через всасывающий патрубок и его перемешиванием с маслом. При открытой задвижке время повторного разворота насоса практически стано­ вится одинаковым со временем пуска насоса на чистом масле. Стендовые испытания и опыт эксплуатации по­ казывают эффективность повторных пусков при подо­ зрениях на скопление воздуха в корпусе насоса. Необ­ ходимо всегда осуществлять тщательную эвакуацию воздуха из корпуса насоса и осуществлять эффек­ тивный прогрев резервных масляных насосов. Для этой цели верхние точки тупиковых камер насоса, корпусов задвижек, всасывающих маслопроводов соединяют дре­ нажными линиями с воздушным объемом сливного отсека масляного бака; в ряде случаев для отсоса воз­ духа устанавливается маслоструйный эжектор; в тарел­ ках обратных клапанов насосов просверливают отвер­

87

стия диаметром 2—3 мм, через которые постоянно цир­ кулирует прогревающее масло [Л. 139, 152].

б) Аварийные масляные насосы

Масляный насос, имеющий привод от вала главной тур­ бины, резервируется пусковым масляным насосом с при­ водом от электродвигателя переменного тока или от вспомогательной турбинки (в турбоагрегатах прежних выпусков). При пуске или останове турбины, а также при неисправностях главного насоса в работу включает­ ся пусковой масляный насос. При потере собственных нужд на электростанции или при аварийном выходе из строя котла, когда нельзя включать пусковые масляные насосы, масло на подшипники останавливаемого турбо­ агрегата подается от аварийных масляных насосов (АМН) с приводом от электродвигателя постоянного' тока. Иногда не удается включить в работу АМН, на­ пример, из-за повреждения электрических кабелей пи­ тания двигателя АМН или контрольных кабелей систе­ мы защиты и управления (при пожаре в кабельном ка­ нале), из-за перегорания предохранителей, при отказе автоматического или дистанционного включения и др. В такой аварийной обстановке подшипники останавли­ ваемой турбины будут получать постепенно уменьшаю­ щееся, но более или менее достаточное количество мас­ ла от главного насоса 1 вплоть до того момента, когда этот насос не прекратит подачи масла при пониженной частоте вращения вала турбины п. Насосы объемного типа, обладающие большим самовсасыванием, сохраня­ ют подачу масла вплоть до достижения сравнительно' малых предельных частот «=400 мин-1. Насосы центро­ бежного типа, установленные на валу турбины, прекра­ щают подачу масла при «=600—800 мин-1, если на входной части насоса установлен гидравлический за­ твор, и при « = 2 000 мин-1, если указанный затвор отсут­ ствует. При частоте вращения вала турбины ниже пре­ дельной останов турбины происходит без подачи масла

1 Если насос исправен.

88

В системах централизованного маслоснабжения (рис. 1) турбинного оборудования мощных энергобло­ ков главный масляный насос системы смазки обычно имеет привод от автономного электродвигателя пере­ менного тока и резервируется аналогичным же насосом [Л. 117]. Эти насосы поочередно используются при пуске турбины, ее нагружении, длительной эксплуатации и плановом останове. При потере собственных нужд пода­ ча масла к подшипникам останавливаемой турбины производится от одного или двух аварийных масляных насосов с приводом от электродвигателей постоянного тока, запитанных от аккумуляторной батареи. Самостоя­ тельно этот резерв недостаточно надежен, так как дви­ гатель не может быть пущен мгновенно и, кроме того, быстрое включение большой нагрузки на аккумулятор­ ную батарею часто приводит к посадке напряжения на ее шинах, что в свою очередь снижает надежность ра­ боты как самого АМН, так и других ответственных по­ требителей постоянного тока (устройств АВР, реле за­ щит, сигнализации, аварийного освещения). Из-за ма­ лых маховых моментов масляных насосов с автоном­ ным электроприводом скорость падения давления в си­ стеме смазки после исчезновения напряжения перемен­ ного тока настолько велика (до 0,5-105 П а/с), что под­ шипники почти сразу же (через 2—3 с) остаются без масла, и запоздалое включение АМН уже не предотвра­ тит аварийного разрушения опор скольжения [Л. 16, 103].

Скорость падения давления масла в системе смазки после исчезновения напряжения переменного тока мо­ жет быть существенно (в 7— 15 раз) снижена за счет установки дополнительных маховиков на валу насосно­ го агрегата. В течение 30—40 с после отключения элект­ родвигателя ротор насоса будет вращаться по инерции и продолжать подавать в систему смазки масло. За это время может включиться в работу АМН и создать не­ обходимое давление в системе. Однако маховики не ре­ шают проблему аварийного маслоснабжения полностью, так как при любых неисправностях с АМН подшипники будут разрушены [Л. 16, 103, 108].

Задача резервирования надежно решается примене­ нием аварийных емкостей в крышках подшипников тур­ боагрегата, предложенных ВТИ [Л. 16] и реализованных всеми отечественными турбостроительными заводами на

89