Вибрация турбоагрегата и ее последствия

Глава 4. Вибрационная надежность турбоагрегата

4.1.  Вибрация турбоагрегата и ее последствия

Когда говорят о вибрации турбоагрегата, то обычно имеют в виду колебания системы, состоя­щей из собственно турбоагрегата и его фундамента, установленного на свайное основание или грунт. Непосредственным источником колебаний является валопровод турбоагрегата, который, вращаясь на масляной пленке подшипников, передает через нее усилия на вкладыши подшипников и их корпуса. В свою очередь вибрирующие корпуса подшипников и связанные с ними корпуса цилиндров возбуждают вибрацию верхней фундаментной платы, а та – вибрацию колонн и нижней фундаментной плиты. Вибрация турбоагрегата должна измеряться и регистрироваться с помощью стационарной аппаратуры непрерывного контроля вибрации подшипников опор, которая должна соответствовать государст­венному стандарту. В частности, эта аппаратура должна включать в себя систему защиты с сигнали­зацией и последующей остановкой турбоагрегата в случае возникновения недопустимой вибрации или ее внезапного изменения.

Вибрация турбоагрегата может происходить во всех трех направлениях. Поэтому ее измеряют на всех корпусах подшипников в трех взаимно перпен­дикулярных направлениях (рис. 2.1): вертикаль­ном, горизонтально–поперечном и горизонтально–осевом по отношению к оси вала турбоагрегата.

Горизонтально–осевую и горизонталь­но–поперечную вибрацию измеряют на уров­не оси вала турбоагрегата против середины шири­ны опорного вкладыша с левой стороны, если смот­реть со стороны переднего подшипника. Измери­тельные датчики прикрепляются к фланцу крышки подшипника. Вертикальную вибрацию изме­ряют на верхней части крышки подшипника над се­рединой ширины его вкладыша.

Рис. 4.1. Возникновение вибрации вследствие небаланса

Рекомендуемые материалы

Анализ вибрации турбоагрегатов показывает, что она носит сложный характер во времени и по­этому в общем случае не может быть измерена та­кой простой величиной, как амплитуда колебаний. Однако, как бы ни была сложна вибрация, ее можно представить как результат сложения бесконечного числа синусоид частоты ω_i и амплитуды  А_i. Поэто­му мерой уровня вибрации является виброскорость:

,                                                             (4.1)

измеряемая непосредственно прибором и выводи­мая на щит управления и на регистрацию.

Во многих случаях оказывается, что частота си­нусоиды с самой большой амплитудой совпадает с частотой вращения, иными словами, в сложной виб­рации преобладает синусоида оборотной частоты. Поэтому такую вибрацию называют вибрацией оборотной частоты.

Если преобладает синусоида с частотой, равной примерно половине частоты вращения, такая вибра­ция называется низкочастотной.

Иногда в сложном спектре колебаний решаю­щую роль играет синусоида с частотой, вдвое пре­восходящей частоту вращения. Такую вибрацию называют высокочастотной.

Вибрация каждого из перечисленных видов име­ет свои, принципиально отличные от других, при­чины. Повышенная, выходящая за рамки допусти­мой (см. ниже) вибрация вызывает тяжелые нару­шения во всем турбоагрегате.

При вибрации вал вращается в прогнутом со­стоянии и, если этот прогиб чрезмерен, возникают задевания вращающихся деталей о неподвижные. Даже при небольших задеваниях происходит износ уплотнений, увеличение радиальных зазоров, и как следствие – снижение экономичности. Если же задевания значительны, то возникающая вибрация может потребовать аварийной остановки турбины, а в ее конструкции могут произойти остаточные из­менения, например, постоянный изгиб вала.

Большую опасность представляет вибрация для электрического генератора, так как она может при­вести к смещениям электрических обмоток, корот­ким замыканиям и другим повреждениям. Повы­шенная вибрация приводит к задеваниям шеек вала о баббитовую заливку подшипника и ее износу.

При вибрации происходит ослабление связей отдельных деталей: половин вкладышей и их обойм, крышек подшипников и нижних половин их корпусов, корпусов подшипников и фундаментной плиты. Если фундамент недостаточно гасит пере­дающиеся на него вибрации, то вибрация нижней фундаментной плиты приводит к неравномерной осадке фундамента, перекосам отдельных зон верх­ней фундаментной плиты, взаимному вертикально­му смещению опор и как следствие – к расцентровке валопровода и прогрессирующему нараста­нию вибрации.

Опыт эксплуатации показывает, что примерно 20 % времени вынужденных простоев турбоагрега­тов связано с вибрационной наладкой. Например, иногда необходимая разовая установка грузов при балансировке роторов трехцилиндровой турбины в собственных подшипниках занимает 20 ч, а такая же работа на роторе генератора – 2 сут.

Бесплатная лекция: "7.2. Информационные технологии о-р деятельности" также доступна.

Особенно больших затрат сил, времени и средств с привлечением самого квалифицированно­го персонала требует вибрационная наладка турбоагрегатов новых конструкций. При их освоении часто появляются принципиально новые явления, требующие для своего изучения широкого привле­чения научных работников исследовательских ла­бораторий и выполнения трудоемких наладочных работ. Такое положение возникло, например, при освоении энергоблоков сверхкритического давле­ния, когда внезапно возникающая при определен­ной мощности низкочастотная вибрация не позво­ляла достичь номинальной мощности турбины.

Исследование турбоагрегатов показало, что каж­дый из них имеет вполне определенную предель­ную так называемую пороговую мощность, при достижении которой начинается интенсивная низкочастотная вибрация, исчезающая только после значительного уменьшения мощности. С ростом единичной мощности турбоагрегаты все ближе и ближе подходили к этому опасному пределу.

Впервые проблема низкочастотной вибрации серьезно встала для турбины К–300–23,5. На некото­рых турбинах низкочастотная вибрация возникала при 220–290 МВт. На турбинах мощностью 500 МВт низкочастотная вибрация с амплитудой, достигавшей 180 мкм, возникла при 160 МВт, и по­надобился год наладочных работ для того, чтобы поднять пороговую мощность до 320 МВт. В процессе наладки пришлось провести огромные работы по опробованию различных вариантов вкла­дышей подшипников, по исследованию влияния по­рядка открытия регулирующих клапанов; потребо­вались значительные изменения зазоров в проточ­ной части турбины. В настоящее время турбина ра­ботает нормально при номинальной мощности.

Много проблем было с вибрационной наладкой турбины Т–250/300–23,5 ТМЗ, ликвидировать низко­частотную вибрацию на которой удалось только после внедрения виброустойчивых уплотнений.

Иногда последствия повышенной вибрации бы­вают катастрофическими.

Пример 4.1. В 1972 г. на одной из ТЭС Японии при наладке турбоагрегата мощностью 600 МВт при частоте вращения 64,2 1/с (номинальная частота вращения 60 1/с) произошел разрыв валопровода в 17 местах. Причиной аварии послужила повышенная вибрация подшипника, вызвавшая отделение верхней половины вкладыша от нижней. Это изменило критическую частоту вращения валопровода и привело к ее совпадению с частотой вра­щения турбины, т.е. к явлению резонанса. Обломки вало­провода, вкладышей и других деталей повредили масло­провод, что привело к пожару, длившемуся более 1,5 ч.