Описание

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.

Причины возникновения

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.

Основные дефекты, влияющие на изменение вибрационного состояния турбины

Дисбаланс ротора является наиболее распространенной причиной повышенной вибрации. Дисбаланс возникает в процессе эксплуатации и ремонта турбин из-за поломок рабочих лопаток и бандажных связей, отложения солей и эрозионного износа лопаток, попадания масла в осевой канал ротора, некачественной балансировки и ряда других причин.

Прогиб ротора представляет собой искривление его геометрической оси. Прогиб может быть двух типов: остаточный не зависящий от нагрузки и теплового состояния турбины, и тепловой, возникающий на определенных режимах работы турбины.

Остаточный прогиб ротора — явление необратимое и возникает чаще всего вследствие задеваний ротора о статор, заброса воды в проточную часть, нарушения режима прогрева или охлаждения турбины. Устранить остаточный прогиб можно только методами правки.

Тепловой прогиб ротора вызывается ассиметрией температурного поля в роторе, неоднородностью свойств материала или его тепловой нестабильностью. Тепловой прогиб может возникнуть при отсутствии (или недостаточности величины) аксиальных тепловых зазоров между насадными деталями. Величина прогиба изменяется в зависимости от теплового состояния турбины.

Увеличение уровня вибрации при этом вызывает механический дисбаланс, созданный смещением масс ротора относительно оси вращения при прогибе.

Нарушение геометрии шеек ротора может проявляться в виде конусности, «бочкообразности» либо «корсетности» шеек, а также в виде некруглости (эллипсности, треугольности) шейки. На вибрационном состоянии турбоагрегата отражается, в основном, только некруглость шеек.

Некруглость наиболее часто наблюдается в виде эллипсности шеек, которая представляет собой разность в размерах между максимальным диаметром шейки и диаметром шейки в перпендикулярном направлении. При наличии эллипсности шейки наблюдается бой поверхности шейки относительно ее геометрической оси, при этом возникает колебательное движение центра шейки, что вызывает колебания всего ротора. За один оборот ротора центр шейки совершает два полных колебания. Следовательно, эллипсность шеек возбуждает вибрацию с двойной оборотной частотой.

В ряде случаев причинами возникновения вибрации являются дефекты баббита: подплавление, выкрашивание, отслаивание баббитовой заливки, а также износ баббита, приводящий к увеличению зазоров в подшипниках. Возникновение этих дефектов и вызванное ими ухудшение вибросостояния турбоагрегата происходит, как правило, в течение длительного периода времени.

Неудовлетворительное состояние упорного подшипника: износ или плохая сборка упорного подшипника приводят к постепенному, в течение длительного времени, ухудшению вибросостояния турбоагрегата.

Дефекты сопряжения муфт вызывают дисбаланс за счет смещения осей центров масс и смещение осей поверхности шеек относительно оси вращения.

Расцентровка опор — нарушение центровки, состоящее в отклонении осей подшипников от положения, при котором оси опирающихся на них роторов с разъединенными муфтами совпадают. Расцентровка опор возникает в процессе эксплуатации из-за тепловых деформаций фундамента и опор, износа опорных подшипников, а также под действием вакуума в конденсаторе. Расцентровка приводит к изменению опорных реакций и перераспределению нагрузок между опорами турбоагрегата. Предельным случаем является полная разгрузка одного из подшипников. Вибрационное состояние турбоагрегата при расцентровке зависит от многих факторов и имеет малоповторимый характер. Расцентровка может возникать только на некоторых режимах, а также иметь сезонный характер.

Задевания в проточной части элементов ротора о детали статора происходят из-за недостаточной величины зазоров в проточной части, появления прогиба ротора (например, при забросе воды) и по ряду других причин. При задеваниях может также возникать прогиб вала в местах контакта со статорными деталями.

Вибрация турбоагрегата носит нестабильный характер, изменяется от пуска к пуску и в зависимости от причины задеваний может быть различной — в некоторых случаях вибрация устойчивая и медленно нарастает, в других — изменение вибрации происходит скачкообразно.

При возникновении стесненности тепловых расширений цилиндров абсолютное расширение цилиндра не изменяется или изменяется скачками, часто наблюдается изменение уклона корпуса подшипника. При этом происходит изменение вибрационного состояния турбоагрегата вследствие изменений центровки проточной части и возникновения расцентровок опор.

Ослабление соединений опор и фундамента происходит за счет ослабления резьбовых соединений, разрушения элементов фундамента, дефектов крепления фундаментных рам, а также за счет влияния трубопроводов. При нарушении плотности соединения элементов опоры происходят изменения вибрационного состояния турбоагрегата.

Трещины в роторах возникают достаточно редко, но их появление может привести к тяжелым последствиям. В связи с этим в объемах ремонта турбин, отработавших парковый ресурс, предусмотрены специальные мероприятия, например осмотр осевого канала ротора. Развитие трещины — длительный процесс, который сопровождается изменением вибрационного состояния турбины.

Операции

В процессе ремонта необходимо выполнить следующие технологические операции:

• восстановление или замену поврежденных деталей роторов и опорной системы;

• центровку роторов по полумуфтам с учетом ее изменений в процессе эксплуатации турбоагрегата;

• обеспечение нормальных зазоров по уплотнениям роторов и в других местах между ротором и статором с целью исключения задеваний и автоколебательных процессов;

• контроль и восстановление формы расточки вкладышей подшипников;

• компенсацию методами балансировки неуравновешенностей, привнесенных в процессе ремонта роторов;

• балансировку роторов, на которых возник дисбаланс в процессе эксплуатации (эрозионный износ, релаксационный прогиб);

• исключение дефектов сопряжения жестких муфт (коленчатости и излома оси, отклонений торцов полумуфт от плоскости);

• восстановление или замену деталей подвижных муфт;

• обеспечение нормальных натягов и зазоров по всем насадным деталям роторов как в радиальном, так и в осевом направлениях;

• обеспечение нормальных натягов и зазоров по подшипникам и другим деталям опорной системы;

• правку и (или) балансировку вала при наличии остаточного прогиба;

• обеспечение чистоты и плотности внутренней полости (центрального отверстия) ротора;

• выполнение мероприятий по нормализации тепловых перемещений (расширений) подвижных корпусов турбин.