CC BY
19
УДК: 629.5.035.8.083.2
А.И. Куменко, A.I. Kumenko, e-mail: post@dynamics.ru ООО НПЦ «Динамика», г. Омск, Россия Ltd. «SPC «Dynamics», Omsk, Russia
ДИАГНОСТИКА СБОРКИ ВАЛОПРОВОДОВ КРУПНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТУРБИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТЧИКОВ ВАЛА
DIAGNOSTICS OF ENERGY TURBINES SHAFT LINES ASSEMBLY USING SHAFT SENSOR
Рассмотрены вопросы определения в процессе эксплуатации некоторых видов дефектов сборки вало-проводов крупных энергетических турбоагрегатов, допущенных в процессе проведения ремонтных работ. Путем численного моделирования дефектов показаны особенности движения роторов и возникновения переменных напряжений в шейках роторов, сварных швах и болтах полумуфт. Приведены примеры и показаны основные причины разрушения болтов полумуфт в эксплуатации. Показаны особенности автоматического диагностирования и количественного измерения параметров дефектов в системах мониторинга турбоагрегатов.
The article touches upon operational detection of various defects of big power turbo-units' shaft lines assembly, made during repair works. Specifications of rotor movements and ac voltage in rotor journals, weld joints and half-coupling bolts are shown by the numerical defect modeling. The examples and basic causes of half-coupling bolts operational distortion are revealed. Also, the article shows specifications of automatic diagnosing and quantitative measurement of defect parameters in turbo-unit monitoring systems.
Ключевые слова: турбоагрегат, водопровод, полумуфты, дефекты сборки, расцентровки опор в горячем состоянии, переменные напряжения, виды прецессий, компенсирующие центровки роторов по полумуфтам
Key words: turbine unit, shaft line, semi-couplings, defects of assembly, hot-state support misalignment, ac voltage, the types of precession, compensating centerings of rotors on semi-couplings
Удовлетворительная работа турбоагрегата обеспечивается отсутствием недопустимых величин дефектов, хорошим центрированием деталей в горячем состоянии, неизменным положением опор турбоагрегата, т.е. отсутствием значительных деформаций фундамента тур-
161
Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014
боагрегата и значительного взаимного смещения опор при переходе от неостывшего или холодного турбоагрегата к горячему состоянию.
После сборки роторов в валопровод возникает два вида проблем.
Первая группа проблем возникает из-за погрешностей сопряжения полумуфт роторов. Несмотря на жесткие требования к результатам такого сопряжения, в том числе к остаточным значениям несовершенств сборки - величинам коленчатости и излома осей (маятника), остаточные дефекты часто вдвое и более превышают допустимые значения. При этом в журналах отсутствуют фактические значения оставленных дефектов. Данные дефекты вызывают, как известно, кинематическое возмущение роторов в валопроводе и, в зависимости от размеров дефектов и степени отстройки роторов от критических частот на рабочей частоте вращения, могут вызвать как статические, так и динамические напряжения в элементах роторов. Статические напряжения возникают при значительном удалении частоты вращения от критических частот роторов при прямой синхронной круговой прецессии деформированного ротора (вал вращается изогнутым). Динамические добавки возникают при нарушении прецессии из-за приближения частоты вращения к критическому значению, когда возникают преимущественно вертикальные или горизонтальные колебания роторов в валопроводе.
Вторая группа проблем возникает в связи с изменением взаимного положения опор при переходе от холодного к горячему состоянию. Вертикальные и горизонтальные перемещения опор и фундамента в среднем достигают нескольких миллиметров. Особенно опасными являются взаимные смещения смежных опор. Это приводит часто к полной разгрузке
одной из опор и к значительной перегрузке другой. В свою очередь изменение нагрузок в опорах приводит к существенному изменению критических частот роторов в валопроводе и нарушению его отстройки от резонансов. Изменения критических частот роторов может достигать 500 мин-1 и более.
Обычно для группы однотипных турбоагрегатов существуют типовые штатные корректирующие центровки и достаточно высокие требования к выставлению линии валопрово-да в горячем состоянии - расцентровка роторов по полумуфтам не должна превышать более (0,02-0,03) мм.
При некорректных центровках валопровода в горячем состоянии имеем нерасчетные реакции опор валопровода, нерасчетные всплытия, перекосы шеек в расточках подшипников, повышенные статические и динамические нагрузки на баббит, задевания по баббиту, прогибы роторов и повышенные напряжения в зонах концентраторов напряжений элементов роторов и болтов полумуфт. Переменные напряжения (с частотой вращения) от расцентровок опор складываясь с напряжениями от собственного веса неоднократно приводили к возникновению трещин в роторах турбоагрегатов, о чем свидетельствуют десятки примеров.
Наблюдаемость технологических несовершенств сборки роторов для обеих групп дефектов при традиционном мониторинге по датчикам абсолютной вибрации опор очень слабая, так как признаки дефектов «тонут» в многочисленных откликах на другие дефекты, в том числе от соседних роторов.
В настоящее время в отрасли отсутствуют системы контроля сборки роторов. Даже в тех автоматизированных системах виброконтроля, вибромониторинга и вибродиагностики (АСВКМД), где установлены датчики вала, они максимум фиксируют параметры относительной вибрации и всплытие, как правило, с одной стороны цапфы. Хотя всплытие связано с центровками роторов по полумуфтам и нагрузками в опорах, из-за перекосов цапф и корпусов подшипников можно, например, получить неверные суждения о фактической величине и знаке расцентровки.
С учетом низкого качества ремонтных работ и использования устаревших ремонтных формуляров система контроля сборки роторов позволяет значительно повысить эффективность и качество ремонтных работ, а специалистам по ремонту будет невозможно спрятать результаты отступления от технологического процесса или ошибки сборки. В результате
162
Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014
имеем значительный эффект от повышения надежности оборудования. Так же будут выявляться ошибки в устаревших заводских формулярах. Благодаря измерениям величин всплытия роторов на Рефтинской ГРЭС были пересмотрены минимальные радиальные зазоры и их распределение по окружности во всех типах уплотнений. Таким образом, контроль сборки проточной части может дать значительный экономический эффект за счет сохранения зазоров и снижения утечек рабочей среды.
В этой связи работа по исследованию, мониторингу и диагностике статических и динамических перемещений роторов с использованием полной системы датчиков вала [1, 2] и разработка методов расчета оптимальных корректирующих центровок роторов по результатам непрерывной эксплуатационной диагностики является актуальной.
Установка полного комплекта датчиков позволяет определять не только упомянутые дефекты и полностью контролировать результаты сборочных работ, но также и напряжения в валопроводе. Кроме того, такая система позволит автоматически измерить или вычислить целый ряд дефектов валопровода, которые другими системами либо совсем не определяются (система ОАО «ВТИ», Вибробит-300 и др), либо предполагаются с неопределенной вероятностью («Видас» ЦКТИ).
Например, кривые всплытия цапф и траектории движения, построенные в области возможных перемещений цапфы на разных частотах с учетом фактического технологического разброса зазоров (рис. 1.) дают богатую информацию для оценки результатов центровки валопровода.
На рис. 1 указаны возможные технологические изменения зазоров, которые в пределах допуска меняют зону допустимых перемещений цапф. Со штрихом - максимальный зазор, с двумя штрихами - минимальный. Если цапфа попадает в зоны А и В, то нагрузка на цапфу отрицательная, масляный клин в верхнем вкладыше. Это свидетельствует о грубой ошибке сборки роторов из-за некорректного учета перемещений опор при переходе в горячее
состояние. Если цапфа попадает в зону Б, это говорит о грубой ошибке выставления опоры в горизонтальном положении. Рабочей зоной является зона С. Любой паре координат в рассматриваемой зоне возможных перемещений соответствует пара гидродинамических реакций масляного слоя, которые можно определить по специальной программе с высокой точностью. Рассматривая точки всплытия для заданной частоты вращения с двух сторон цапфы можно оценить не только реакцию, но и момент, действующий на цапфу, как статический, так и динамический. Зная статические нагрузки на цапфу с использованием специальных расчетов получаем корректирующие центровки опор.
ю
КГ*^- Ог-О
Д"в / /V А / / / / у \ --- '' Зот кривых всплышя при \ меняющейся вертикальной нагрузке ц \ \ с учетом геометрического разброса \ \ зазоров в подшнпннке. С \\
\ \ ш/ \ с Ш//я \\ V, орсПВНА--» NN М' х> щ 6 Дтч1-ш яа Д"г\1-т" Щмш0г// // п V/ и Жо&о Зона технологического разброса возможных ¡^Го" перемещений
Рис. 1. Технологические изменения зазоров 163
Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014
Выводы:
1. Предлагается новое поколение систем автоматического контроля и диагностики, расцентровок и дефектов сборки роторов турбоагрегатов с определением корректирующих центровок роторов с использованием полного или частичного комплекта датчиков относительных смещений вала.
2. Система впервые позволяет получить и контролировать ремонтно-технологичес-кую информацию о величине фактических погрешностей сборки валопровода.
3. Применение полной системы датчиков вала позволяет автоматически измерять с высокой степенью точности тренды изменения размеров целого ряда дефектов (коленча-тость, маятник, остаточный прогиб, задевания по баббиту, статические и динамические перекосы в подшипнике, расцентровки опор (нарушение взаимного положения опор), повышенные статические и динамические реакции в опорах и пр.).
Библиографический список
1. Куменко, А.И. Диагностика напряженного состояния при колебаниях валопровода с использованием датчиков перемещений вала / А. И. Куменко, О.А. Злобин // Электрические станции. - 2012. - № 12. - С. 48-51.
2. Использование датчиков вала для диагностики, наладки и корректировки расцен-тровок роторов по полумуфтам на турбоагрегатах Рефтинской ГРЭС / А. И. Куменко, О.А. Злобин, А.В. Тимин [и др.] // Надежность и безопасность энергетики. - 2013. - № 1.
