Анализ на динамичните характеристики на валовете на турбинен агрегат в работни условия

А. И. Куменко, А. Л. Некрасов, С. В. Калинин, Алберто Роло.

Работата представя набор от изследвания за изследване на областта на ниските честоти, включително субхармонични вибрации в турбинни блокове и за установяване на причините за вибрациите на конкретни блокове с мощност 200-800 MW. Експерименталният анализ е извършен с помощта на съвременно многоканально оборудване, методи за цифров спектрален анализ на сигнали. Теоретичният анализ беше извършен с помощта на методите и софтуерните системи, разработени в MPEI за изследване на динамиката на движението на шахтната линия. Въз основа на анализа са показани структурни дефекти на турбинните агрегати и са дадени препоръки за тяхното отстраняване.

В процеса на проектиране на мощни парни турбини, поради несъвършенството на приложените методи за изчисляване на динамичните характеристики на роторите, неправилното им и непълно използване, както и поради не най-добрите дизайнерски решения, могат да се допуснат грешки, които след това открити в експлоатация. Нека ги наречем дизайнерски дефекти. Те включват, например, следните дефекти: ниски и неконтролирани критични честоти, повишено съответствие на напречните греди, големи термични и енергийни разминавания на опорите и др. [4]. В някои случаи конструкциите имат ниски граници на стабилност по отношение на скоростта или разхода на пара (често и двете заедно).

Този вид недостатъци могат да бъдат радикално елиминирани само в следващите версии на турбомашини чрез промяна на конструктивните параметри на частите или чрез прилагане на нови дизайнерски решения.

Друга част от дефектите се дължат на недостатъчно познаване на същността на динамичните явления (включително нелинейни ефекти) в такава сложна система като "турбинен блок-фундамент".

В много случаи се оказва, че динамичните характеристики на турбинния агрегат са незадоволителни, по-специално не е предвидено необходимото разстройване на шахтата от три опасни зони 1/2 * w, w, 2 * w, в рамките на които няма естествени честотата на валовете трябва да бъде разположена с марж от 10-15% [12]. По-нататък w е работната скорост. В диапазона 0 - 1/2 * w обикновено е нежелателно да има критични честоти поради практическата невъзможност за разстройване от субхармонични резонанси с честоти 1/5 * ww, 1/4 * ww и 1/3 * ww и намаленият ефект на затихване в масления филм на лагерите от - поради относително дългата дължина на ротора. Пример са многобройните случаи на повишени вибрации на ротори и лагери на генератори в определения честотен диапазон.

Тези групи дефекти след производството на турбинен агрегат са най-трудни и скъпи за отстраняване. Те трябва да бъдат диагностицирани в началния етап на експлоатация както чрез експериментални, така и чрез изчислителни методи и те трябва да бъдат включени в „паспорта“ на динамичните характеристики на машината. Експлоатацията и ремонтът на такава машина до отстраняване на дефекта трябва да се извършват, като се вземат предвид тези индивидуални характеристики.

Друга група дефекти възниква в резултат на технологични отклонения в размерите на частите по време на ремонта и експлоатацията на турбомашините или поради деформации на топлинна мощност на техните елементи, както и поради нарушения на работните условия. Например, често се наблюдават значителни отклонения на лагерите (вертикални и странични) от техните оптимални стойности и подравняването на ротора се извършва неоптимално по време на монтаж или ремонт. При дълги интервали между повторното подравняване на вала (обикновено се извършва за основен ремонт), подравняването може да бъде значително изкривено поради неконтролирано и неравномерно утаяване на основата, достигащо 2-3 mm годишно за отделни турбинни блокове или поради изкривяване на горната конструкция на основата. При някои машини относителното положение на роторите и статорните елементи постепенно се нарушава поради лошо разширение на частите на тялото поради прекалено гъвкави връзки на шпонковите връзки или ухапване на последните.

Нека анализираме спектрите, получени при проверка на вибрациите на турбинен агрегат с помощта на съвременно многоканально оборудване и да видим как в тях се появяват комбинации от различни конструктивни дефекти. Като пример нека разгледаме каскадните спектри, получени по време на изтичането на валовете за турбини от 500 и 800 MW след продължителна експлоатация (вж. Фиг. 1, 2). Ново многоканално изследователско оборудване, базирано на компактен персонален компютър от типа „Notebook“ и съвременни методи за дигитален спектрален анализ, позволяват да се получат не само амплитудно-фазово-честотните характеристики на основната хармоника на много опори на турбинния блок (до 32 точки едновременно), но също така и други спектрални компоненти по време на движение в диапазона 0 - 5 kHz. В този случай стъпката между двете линии в спектъра се постига не повече от 0,1 Hz, което ви позволява да избирате с висока точност всякакви спектрални компоненти и е непостижимо при използване на старо оборудване.

Фигура: 1. Спектри на вибрационните скорости по време на движение
т/а К-500-240

Фигура: 2. Спектри на вибрационните скорости по време на движение
т/а К-800-240

На фиг. 1 показва амплитудните стойности на спектралните компоненти на вибрационната скорост на седмата опора на ротора с ниско налягане по време на изтичане на турбоблок от 500 MW, честотата на въртене на турбинния блок варира от 50 Hz (вж. началната секция) до 8 Hz. Общият брой порции, всяка от които е заснета за около 3 секунди. с честота на вземане на проби от 2,5 kHz, беше най-малко 170 с продължителност на представената секция от около 25 минути. В допълнение към основната хармоника, вторите хармонични компоненти са ясно видими с импулси при честоти, равни на два пъти критичните честоти, което може да служи като признаци за наличие на неравномерна твърдост в системата, която се появява не само от генератора, но и поради нарушаване на еднородността на дисковете, неравномерно затягане на болтовете, наличие на пукнатина и т. н. В допълнение, това може да е последица от необработеността на щифтовете, разминаване на две съседни опори, или нелинейност в системата. От третата и четвъртата хармоника виждаме само бледи следи. Тъй като при леко намаляване на скоростта от 50 Hz се наблюдава рязък спад на трептенията, очевидно е, че системата има критична честота на оборотите в рамките на работната скорост. Виждат се няколко изблика на скоростта на вибрациите в диапазона от 48 до 40 Hz, които са отговор на преминаването на критични скорости от други ротори. В допълнение, забележим прилив на трептения в основната хармоника се наблюдава при около 25 Hz, т.е. валът не се намалява от половината честота на въртене. За да се изясни приносът на специфични дефекти, са необходими допълнителни спектрални изследвания. Многократните измервания на такива каскадни характеристики и сравнението с предишните, като правило, ни позволяват да изясним наличието на определени дефекти.

На фиг. 2 за четвъртата опора на турбината K-800-240-5 е показан каскаден спектър, състоящ се от 150 спектрални части, когато честотата на въртене се променя от 50 на 8 Hz. Освен основната, виждаме следи от втората, третата и четвъртата хармоника. Както в първия случай, когато честотата намалее от 50 Hz, има рязък спад в амплитудите на вибрациите, което показва лоша изолация на системата от резонанс при работната скорост.

От получените данни следва, че и двата блока имат критични честоти, близки до половината от скоростта на въртене, което може да провокира появата на субхармоничен резонанс.

Като се вземат предвид подобни спектри, получени за други опори, данни за техните динамични тестове [4] и изчислителен анализ на конструкциите, могат да се посочат следните недостатъци на динамичните свойства на горните единици:

лоша детонизация при двете валове от споменатите опасни честотни зони - няма запас за детониране от 1/2, 1/3 и 1/4 от работната скорост, както и от самата работна скорост;
високо свързване на вибрации на ротори и опори;
прекомерно високо съответствие на опорите HPR и RLM на 800 MW t/a поради резонансите на първите три опори на ротори с високо налягане в субхармоничния честотен диапазон с коефициент 1/4, 1/3 и 1/2;
прекомерно високо съответствие при работната честота на въртене на опорите LPR за турбоагрегат 800 MW, достигащ до 12-16 микрона/т;
повишена гъвкавост до 12 μm/t за първата и втората опора на 500 MW турбинен агрегат при честота 25 Hz [4].

За турбинни блокове от 500 и 800 MW нивото на съответствие значително надвишава установените норми. В резултат на това в условията на електроцентрали, особено в случай на чести пускания и спирки или внезапни промени в електрическото натоварване, са възможни интензивни изблици на LFV, дори на блокове от 200 MW (вж. Фиг. 3-5).

На фиг. Фигури 3 и 4 показват спектралните компоненти на вибрационните скорости на четвъртата и осмата опора на турбоагрегат с мощност 200 MW при работна честота на въртене, от което може да се види, че тези опори имат нискочестотни компоненти на вибрационната скорост в обхват от 10-50 Hz и най-вече при 25 Hz. Нискочестотните вибрации се причиняват от хидродинамично възбуждане в масления филм на опорните лагери при условия на неоптимално разпределение на реакциите поради увеличени разминавания на лагерите. Това се улеснява от: - намаляване на степента на елиптичност на отвора на лагерните черупки по време на ремонти; прекомерно намаляване на страничния просвет; носеща конструкция с избор в горната вложка и др. Спектърът на нискочестотните вибрации е достатъчно широк и освен споменатата честота, могат да се забележат изблици на спектрални компоненти от около 10, 12, 17,5, 19 и 20 Hz (фиг. 3, 4). Освен това тези опори имат конвенционални суперхармонични компоненти с честоти 100, 150, 200 Hz. и т.н. Съществуват и следи от комбинирани честоти, които са кратни на 25 Hz (75, 125, 175 Hz и др.), Което може да показва нелинейност в системата, причинена например от частично разделяне на носещите повърхности на лагерните корпуси и цилиндри, появата на пукнатини в частите на статора и др. На фиг. 4 спектралните компоненти на осмата опора (във вертикална посока) на друга единица от 200 MW в нискочестотната област достигат 2 mm/s. На фиг. 5, същата опора в хоризонтална посока има изразени компоненти с честоти 75, 125 и 175 Hz. Трябва също да се отбележи, че средно-квадратната скорост на вибрациите за дадените опори значително надвишава допустимото ниво.