11.5. Вопросы для самопроверки

1. Для чего предназначена система тепловых расширений?

2. Назовите основные элементы системы тепловых расширений.

3. Что такое фикспункт турбины? Где он располагается?

4. Для чего предназначены поперечные шпонки?

5. Для чего предназначены вертикальные шпонки?

6. Как проявляются нарушения нормальной работы системы тепловых расширений турбины?

7. Назовите основные причины нарушения нормальной работы системы тепловых расширений турбины в условиях эксплуатации. Какие силы возникают при этом?

8. Перечислите главные причины возникновения поперечных усилий, действующих на корпус подшипника.

9. Какие мероприятия обычно проводятся для уменьшения сил трения на поверхностях скольжения опор турбины?

10. Что такое МФЛ? Из чего она состоит? Назовите другие варианты композиционных материалов, применяемых для нормализации тепловых расширений.

11. Для чего предназначены разгрузочные устройства?

12. Назовите основные причины заклинивания в соединениях корпус подшипника — продольная шпонка.

13. Перечислите мероприятия, применяемые для предотвращения заклинивания в соединениях корпус подшипника — продольная шпонка.

14. Какова должна быть величина зазоров в шпоночных соединениях?

15. Назовите возможные варианты модернизации поперечных шпонок. В чем их смысл?

16. Перечислите мероприятия, которые рекомендуется выполнять при капитальных ремонтах турбин для нормализации тепловых расширений турбины.

17. Почему не рекомендуется одновременный подъем первого и второго стульев (корпусов подшипников турбины) при очистке поверхностей скольжения?

18. Назовите последовательность операций при подъеме стула (корпуса подшипников турбины).

19. Какими методами восстанавливается прилегание подошвы корпуса подшипников турбины к фундаментной раме?

Глава 12 нормализация вибрационного состояния турбоагрегата

12.1. Основные причины возникновения вибрации

Вибрацией или колебаниями тела называют его небольшие, периодически повторяющиеся перемещения относительно положения равновесия.

В простейшем случае колебания совершаются по гармоническому закону, при этом координата колеблющейся точки описывается уравнением

y = Asin(t + )

где А — амплитуда колебаний,

ω — круговая частота колебаний,

φ — начальная фаза колебаний.

Величина ω в этой формуле называется круговой частотой собственных колебаний и представляет собой число колебаний за время 2π. Круговая частота колебаний определяется частотой колебаний f:

ω = 2πf.

Частота колебаний f определяет число колебаний за 1с и измеряется в герцах.

Время одного полного колебательного цикла называется периодом колебаний Т:

T = 1/f.

Если на тело при колебаниях не действуют никакие силы, то такие колебания называются свободными. Свободные колебания совершаются с частотой собственных колебаний. При этом если амплитуда колебаний уменьшаться не будет, то эти колебания называются незатухающими. При наличии сил трения незатухающие колебания могут быть вызваны только внешней гармонической силой. Такие колебания называются вынужденными, а вызывающая их сила — возмущающей. Вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте возмущающей силы.

Необходимо отметить, что частота собственных колебаний является характеристикой тела, зависящей от его параметров, например, для ротора турбины она определяется геометрическими размерами.

Амплитуда вынужденных колебаний при постоянной возмущающей силе зависит в основном от соотношения частот возмущающей силы и собственных колебаний. Совпадение этих частот вызывает резкий рост амплитуды колебаний из-за явления резонанса.

Вибрация турбоагрегата — это вынужденные колебания, которые чаще всего бывают вызваны одновременным действием нескольких возмущающих сил разной частоты и носят полигармонический характер. При этом большинство возмущающих сил, возникающих в турбине и вызывающих колебания роторов, кратны частоте вращения валопровода. Под вибрацией турбоагрегата принято понимать колебания системы, состоящей из собственно турбоагрегата, его фундамента и основания, на котором установлен фундамент. Источником колебаний является валопровод, который через вкладыши и корпуса подшипников возбуждает вибрацию верхней фундаментной плиты, колонн и нижней фундаментной плиты [19].

В турбоагрегате возбуждающие силы наиболее часто вызывают вибрацию, совпадающую по частоте с частотой вращения валопровода (оборотную вибрацию). Кроме того, достаточно часто встречаются случаи возбуждения вибрации с частотой, равной половине частоты вращения (вибрация низкой частоты) или вдвое превышающей частоту вращения (вибрация двойной оборотной частоты). Каждая из возмущающих сил, вызывающих эти виды вибрации, имеет различные причины [7, 19, 122...125].

Вибрация оборотной частоты возбуждается обычно центробежной силой в случае, когда центры тяжести отдельных сечений ротора не совпадают с линией, вокруг которой происходит его вращение. Существует две основных причины такого несовпадения:

1. Несовпадение линии центров тяжести отдельных сечений с линией геометрических центров этих же сечений из-за наличия неуравновешенной массы.

2. Смещение отдельных сечений относительно оси вращения.

Неуравновешенность ротора (дисбаланс) в процессе ремонта может возникнуть при замене лопаток, бандажей и других деталей. В процессе эксплуатации дисбаланс возникает чаще всего из-за поломки лопаток и бандажных связей, а также отложения солей в проточной части.

Смещение отдельных сечений относительно оси вращения происходит при прогибе вала, нарушении контакта сопрягаемых поверхностей вала и насадных деталей (нарушения посадки деталей), при дефектах соединения роторов, возникших при сборке валопровода.

Вибрация низкой частоты возникает в случае потери устойчивости вращения вала на масляной пленке подшипников и имеет характер автоколебаний. Случайно возникшие отклонения вала от положения устойчивого равновесия сопровождаются возникновением сил, которые поддерживают эти колебания и усиливают их даже после исчезновения силы, вызвавшей первоначальное отклонение.

У турбоагрегатов преобладает низкочастотная вибрация с половинной оборотной частотой (25 Гц), иногда встречаются частоты, совпадающие с первой критической частотой вала, а также более низкие частоты.

Основная причина возникновения низкочастотной вибрации (НЧВ) — потеря динамической устойчивости вращения ротора из-за действия циркуляционных сил в смазочном слое подшипника или в потоке пара. В соответствии с этим, НЧВ подразделяют на "масляную" и "паровую".

Источником "масляной" НЧВ являются циркуляционные силы в масляном слое подшипника, вызывающие прецессию вала с частотой, равной половине его частоты вращения. Циркуляционные силы в масляном слое подшипника возникают при некоторых дефектах расточки вкладыша или нарушении центровки опор.

Источником "паровой" НЧВ являются газодинамические циркуляционные силы, действующие в проточной части турбины.

Венцовые циркуляционные силы возникают на венце рабочих лопаток из-за неравномерности по окружности надбандажной утечки пара, вследствие неодинакового по окружности радиального зазора.

Бандажные силы возникают в зоне надбандажных уплотнений вследствие появления окружной неравномерности поля давления вдоль окружности бандажа из-за смещения ротора.

Циркуляционные силы в уплотнениях чаще всего возникают в уплотнениях первых ступеней и в промежуточном уплотнении цилиндров, имеющих поворот потока пара, из-за нарушения симметрии окружного течения пара при смещении ротора.

Силы, возбуждающие "паровую" НЧВ, возникают обычно при неравномерных зазорах в уплотнениях и нарушениях центровки проточной части.

Вибрация высокой частоты возбуждается обычно силами, возникающими на роторе генератора; при этом под высокочастотной вибрацией понимают вибрацию, вдвое превышающую частоту вращения (двойную оборотную).

Основными причинами возникновения колебаний ротора генератора с двойной частотой вращения являются:

— наличие изгибной анизотропии ротора (неодинаковая жесткость в двух взаимно перпендикулярных плоскостях из-за конструктивного выполнения двухполюсного ротора);

— электромагнитные силы, возникающие при расцентровке ротора в расточке статора;

— эллиптичность (овальность) шеек роторов.

Кроме того, двойная оборотная вибрация может возникать из-за отсутствия натяга в опорных подшипниках в поперечной плоскости, а также из-за несоосности при сборке роторов с жесткими полумуфтами в валопровод; при этом вибрация, как правило, проявляется на опорах, ближайших к муфте, собранной с дефектом.

В ряде случаев возникает высокочастотная вибрация с частотами 3-й, 4-й и более высоких кратностей. Силы, возбуждающие такую вибрацию, возникают при наличии задеваний в проточной части турбины или дефектов упорных подшипников.

12.2. ВИБРАЦИЯ КАК ОДИН ИЗ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ И КАЧЕСТВА РЕМОНТА ТУРБИНЫ

Известно [7, 9, 15, 19, 122, 123], что возникновение практически любых дефектов в турбоагрегате приводит к изменению его вибрационного состояния, поэтому вибрационное состояние имеет большую значимость при оценке состояния агрегата и, в частности, качества его ремонта. Каждая неисправность имеет свое вибрационное проявление, т.е. определенным образом влияет на особенности вибрационного поведения агрегата. Это свойство позволило широко использовать вибродиагностику для оценки состояния большинства узлов и турбоагрегата в целом. При этом, как было сказано в § 12.1, под турбоагрегатом понимается система, состоящая из турбины, генератора, фундамента и основания.

В процессе эксплуатации турбоагрегатов для оценки их состояния осуществляется непрерывный контроль и, как правило, проводятся периодические виброобследования, в том числе перед выводом агрегата в ремонт, а также после ремонта [126].

Проведение периодических виброобследований позволяет выявить возникновение изменений в вибрационном состоянии турбоагрегата, определить их причину и дать рекомендации о нормализации вибросостояния.

Цель проведения виброобследования перед ремонтом — выявить или уточнить наличие дефектов узлов турбин, например теплового прогиба, тепловой нестабильности ротора, стесненности тепловых расширений цилиндров, ослабления соединения опоры и фундамента, и определить объем необходимых ремонтных работ.

Цели проведения виброобследования после ремонта:

1. Определить, устранены ли во время ремонта неисправности, имевшие место до ремонта.

2. Проверить, не появились ли на турбине дефекты, возникшие в процессе ремонта, например нарушение сборки валопровода (спаровки роторов), дефекты центровки, нарушения величины зазоров в проточной части.

Вибрационное состояние — это один из критериев оценки работы турбоагрегата, который жестко нормируется [127].

Необходимость нормирования уровня вибрации турбоагрегата связана с несколькими причинами [9]:

1. С ростом вибрации в роторе увеличиваются циклические напряжения: к циклическим напряжениям, обусловленным собственным весом ротора, добавляются циклические напряжения от вибрации в валах, муфтах, стяжных болтах жестких муфт. Повышенные циклические напряжения снижают надежность, увеличивают вероятность усталостных поломок вала.

2. С ростом вибрации увеличиваются динамические нагрузки на подшипники и возникает опасность их повреждения, связанного с задеванием шеек о поверхности вкладыша, с усталостным (или силовым) повреждением болтов, стягивающих обоймы подшипников, с ослаблением затяжки различных болтовых соединений.

3. С ростом вибрации увеличивается опасность задевания ротора о статор в лабиринтных уплотнениях: концевых, диафрагменных и периферийных (надбандажных). Это в свою очередь может вызвать тепловой прогиб ротора, нарастание вибрации и серьезную аварию.

4. Вибрация турбоагрегата передается на его строительную часть — фундамент и может вызвать его повреждение.

В качестве основного параметра для оценки уровня вибрации используется среднее квадратичное значение виброскорости, измеряемое в миллиметрах в секунду.

В соответствии с [127] уровень вибрации подшипниковых опор турбоагрегатов в процессе эксплуатации не должен превышать 4,5 мм/с; при превышении этого значения вибрации должны быть приняты меры к ее снижению в срок не более 30 суток. При вибрации свыше 7,1 мм/с эксплуатировать турбоагрегат более 7 суток запрещается, а при вибрации 11,2 мм/с турбина должна быть отключена.