CC BY
37
УДК 620.178.51:621 311.22
РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ВИБРАЦИОННОМ НАДЕЖНОСТИ РОТОРОВ ТУРБОАГРЕГАТА
А. Н. Кумснко. Н Ю. Кузьминых. А. В. Тнмнн
ООО «НПЦ«ДИНАМИКЛ», г. Омск, Россия
Аннотация Для совершенствования снегом опброконтроля. мониторинга и автоматической дпагпо стпкн технического состояния энергетических установок одним из наиболее перспективных направлении является применение датчиков вала. Однако необходимые для этих целей критерии вибрационной нддежностп роторов турбоагрегатов не разработаны в достаточной море. Нормативная база ограничена требованиями к системам внброконтроля и ГОСТами для оценки уровней впбрашш с одной стороны шейки подшипника.
Цель исследования - разработать критерии оценки технического состояния п вибрационной надежности роторов r углокпят чктп.туатапип с иг пользованием пел ной г игтсмк! датчиков нала, как зтога требует ГОСТ Р 55263-2011
С формулированы основные критерии, необходимые для оценки технического состояния в современных система! автоматической диагностики. Предложены граничные значения параметров хтя оценки технического состояния Еалопрэвэдл на опорах с подшипниками скотьженпя Критерии получены на основе экспериментальных п расчетных работ авторов в области динамики роторных систем.
Ключевые слова• системы мониторинга, автоматическая диагностика, датчики вала, турбоагрегат, валопровод. подшипники, дефекты изготовления и сборки роторов
введение
Для адаптации систем управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатацией оборудования (АСУ БЭР - КОМПАКС®) [1. 2] для крупных энергетических установок с применением датчнковперемещеюш вала необходимо крсдъари1сльн.> решив следующие проблемы.
- разрасотать критерии вибрационной надежности и критерии технического состояния на баге измерений гтаттптеггит и дншмияеекик перемещечии шеек роторов;
разработать нормативную базу для реализации предложезпых критериев.
Имеющаяся нормативная база [3,4]. основанная на использовании измерении относительнонвнбрацин датчиками вала и измерений абсолютной вибрации олор и Еала. направлена на совершенствование систем ьиоро-контрохч н не пригодна для более полной оценки технического состояния. Имеются значительные резервы ее совершенствования.
1.еремеценш:вала. от котсрых идет все основное возмещение на другие элементы туроог-грегдта. чувстви-тельны к множеству дефектов, в том числе к дефектам изготовления и сборки. Главные из них в том числе и явления, которые они порождают, следующие [5. 6]:
- ослаючння нсураьнсвсшсшюсль,
- коленчатостъ полумуфт (радна.льный скачок ссен полумуфт);
- излем осей полумуфт (угловой скачок осей пелумуфг): рссцептроысп роторов по полумуфтам;
- перекссы шеек рогороз;
- эллиптичность или огранка шеек роторов:
- остаточный прогиб роторов •
- адсвания в псдонлннкс по баобнту нлн усикам масляным удлотненнн;
- задевания по уплотнениям цилиндра:
- нерасчетные зазоры в подшипниках:
- аЕтоколеоання роторов;
- субгармонические внбрацнлн др.
Под полным комплектом датчиков вала подразумевается установка двух пар датчиков с двух сторон каждой шейки ротора в подшипнике в соответствии с [4].
Для оценки технического состояния валено не столько установить иаллтпе дефекта (остаточные дефекты есть всегда), сколько степень его развития н влияния на работоспособность и исчерпание ресурса. Желательно при этом измернтьего величину или темпы егс изменения для предсказания момента частичной или полной потери работсопосогности
На этечеетвенкых ТЭС. там. где на турбоагрегатах установлена в каждом подшепннеслишь одна пара датчиков вала [б], специалисты по наладке и вибрацнииспользуют данные по всплытию и динамическим перемещения:! шеек роторов для предсказания и оценки некоторых дефектов, а также для корректировки взаимного положения роторов. Без автоматической обр а 5о пел гнглиз такой информации затруднителен н занимает много времени, а ряд дефектов, таких как переносы цапф иле расцентрозкн. метут оыгь оценены весьма приближенно.
Ряд зарубежных фирм использует кривые всплытия для диагностики машин различного назначения, однако не идут дальше задач, сформулированных в PICO 7С 17-2:2000. В ссотвегствпн с этнмИСО пара датчнков-кошроля иерсмешеькй вала yoiаиавликаси.* .ш.пь с одной сюроны шы на uouepe-шой оси подшипника. Однако из-за перекосов шеек роторов, зависящих от ряда других факторов, по одной паре датчиков невозможно корректно оиенить техническое состояние опоры.
Существующими отечественными системами информация с датчиков ьаха перерабатывается в мшшмаль ном объеме, лишь с целью решения задач внброконтроля. Эти задачи отражены в невем ГОСТ [3]. который
пришел ш» замену старого ГОСТ 27165 1998. Глазная информация, содержащаяся d измеряемых датчиками вала статических характеристиках (кривая всплытия. минимальные зазоры и т.п.)и в соответствующих им других характеристиках (потерн мощности на трсннс. расцснтрозки. жесткость н демпфирование масляной пленки н др.) не испсльзуется и не анализируется. Новый ГОСТ [5] не подкреплен никакими методическими материалами для диагностики дефектов н использования характеристик. зависящих ог конструкции и условий работы подшипника няжнейптими m ко-оры\* 5пш1ш>т~я параметры несущей способности ч потерь на трение
ТТ OrHORHbTF ЗАДАЧИ РРПТДРШЛ= ДП» ОКРГТТКЧРНИЯ МОНИТОРИНГА ТРУНИЧРГГОГО состояния
ВАДСПРОВОДА И ОПОР ОРЮАГРЕГАТА
При раараоотге и адаптации системы г использованием датчигои вала возникают некотсрые те\нологиче-скне труднссти Часть из них связана с необходимостью повышать точность измерений при фиксации мгновенного цалфы в расточке подшипника, другая часть связанз с необходимостью разработки новы:-: н ссверпген-стзсвання ряда известных алгоритмов решения статических н динамических задач по расчету характеристик масляной пленки подшипников н системы многоопоркых водопроводов в целом, применяемых практические режиме реального времени. Система должна не только успевать измерять и обрабатывать дс.т/-ченную информацию. по также успевать делать экспертные оценки целого ряда параметроз технического состояния турбо агрегатов.
Техническое состояние в ал о препода и опор турбоагрегата может быть сценепо по следующим параметрам:
- наличие задеваний по баббиту или в уплотнениях поддшпнпкое е протонной части или высокая ьероят-.-íOLJb их нояьленил. Эцсниьаен-и но ciai нчетким динамическим перемещениям роюра лнисиимьио cia-торных зле'лен-оч г учетом угтангтпенчых при сбзрке чачорпи минимальные статические или динамические зазоры .меньше доиуешмых,
- перекос шейки ротора в расточке ледшнпннка:
- сущегтвенное превышение на допустимую величину статической нагрузки на опору:
- нарушение взаимного положения опор и пэЕышгннс из-за расцсктровск опор напряжений в болтах по-лумуфт выше допустимых (отраслевая норма 20 мпа):
- превышение ш-ja расценфиник опер наирлжгнни в шейхах poiupim н сварных швал. выше дсиуоимых,
- огтаточная неуравновешенность ротора превышает допустимую;
- из-за нарушения взаимного положения олор или параметров жесткости е демпфирования опорных под-дшпнпкое недостаточная огсгройка от резонанса на рабочей частоте зращения
- недостаточная отстройка от резонанса на удвоенной частоте врашення:
- олаючный ирлиб би.шшг ДОЦ)СШМ01 о,
- появление трещины:
- превышение нормативных значений коленчатостн и или излома осей полумуфт:
- повышенная динамическая податлнзостъ опоры:
- реггжанг оппрм;
- превьппенне норм абсолютной Енбрацин опор б соответствии с ГОСТ Р 5Í 265.2-2Э12; превышение иормотлеентельиой впбрашш шеек роторов в соответствии с ГОСТ Р 55263 2012;
- превышение нормаб:олютной внерацнн шеек роторов з соответствии с ГОСТ Р 55263-2012;
- нд.шчнг субгармонически] орезенашае опасным уровнем алш.ииуд.
- появление выше допустимых норм НЧБ на холостсм ходу (хх):
Таким образом, дтя оценки технического состояния роторной системы необходнме решэтьеледукшие об-дщезадзчн:
- адаптация систем КОМ11АКС* хля энергетических установок с подшипниками :коль:кения;
- разработка методического обеспеченна, в том чи:ле разработка днлтю:тичсских признаков дефектов энергетических установок : использованием измерений по датчикам вала для их автоматического определенна; а решение ряда вспомогательных диагностических задач;
- прсверка и отработка диагностических признаков путем физического и математического моделирования
- разработка перечня и алгоритмов статических и динамических характеристик водопровода, подшипников н опор, характеризующих техническое состояние турбоагрегата:
- совершенствование технических треЗсваннй к системам виброконтреля. мониторинга и диагностики турбоагрегатев различного назначения.
Решение этих общих гадяч поичолге- повысить и расширить rcimoa-чпгти актпма-ичегкоч пиагноггики роторов и опор многоопорных валспроесдов турбоагрегатов.
В [7-9] для систем КОМПАКС* были рассмотрены перспективы применения полного комплекта датчиков вала с целью совершенствования балансировок и центровок роторов агрегатов. Б этих работах также даны методические основы решения ряда задач.
Ш. Критерии и диагностические признаки дефектов с использованием полной системы датчиков вала
Анализ результатов натурных измерений [6] и результатов модслнрованияпсрсмсщсннй вала [10] с использованием полного комплекта датчиков позволяет сформулировать следующиеднагностические признаки дефектов (см. таблицу). В этой же таблице предлагаются дополнительные критерии обеспечения надежности. Критерии и диагностические признаки дефектов, приведенные в таблице, .лишь частично могут быть обоснованы действующими документами. Они должны бытьпроанализироваЕЫ и. при необходимости, усовершенствованы применительно к конкретному агрегату электростанции з процессе адаптации системы. В процессе адаптации на машине измеряются и исследуются все основные исходные динамические свойства элементов, параметры которых участвуют затем в оценке технического состояния турбоагрегата.
Наряду с предложенными критериями должны, очевидно, выполняться критерии обеспечения надежности турбоагрегатов € эксплуатации € соответствии г [3.4]
ТАБЛИЦА I
ПЕРЕЧЕНЬ ДЕФЕКТОВ. ИЗМЕРЯЕМЫХ ИДИ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ С ПРИМЕНЕШ1ЕМДАТЧИКОВ ВАЛА
№ и/и Дефект Диагностнческне признаки дефектов Примечание
а) статические дефекты
1 Минимальный статический за-ор меньше допустимого 6 <[6] [б] - определяемся индивидуально для каждого подшипника
2 Перекос иапоы Требуют разработки Неравномерная нагрузка на опору из-за некорректной центровки пс и м или закусывания опоры
3 Отклонение в статической нагрузке ДС>>0.4*С> Отклонение статической нагрузки более40 %
4 Задевания по баобиту Минимальный шор отрицательный Т*б>[Тбаб] [ 1 ба<] - назначается изготовителем. Рассшгается спектр сигнала.
5 Нарушение центровок опор Торцевая или радиальная расценгроЕки превышает Лопугти\гсле Назначаются индивидуально для каждой полумуфты
б Скачек взаимного положения шейки ротсрав расточке подшипника Необратимое изменение взаимного положения шейки ротора и расточки Устанавливается индивидуально для каждой опоры
7 Задевания по уплотнениям Минимальный зазор в уплотнениях прогнозируется меньше допустимого
8 Превышенные напряжения о шейках роторов, сварных швах и болтах полумуфт от расцентровок о>М Гд1 = 20 МПа
б) динамические дефекты
9 Повышенная хгнамическая нагрузка Вероятность разрушения баббита
10 Ос. а 1 очная неуравновелен-нссть преьышаетдопустн-мую ег[е] Усынавливапся индивидуально для каждой опоры в зависимости от податливости каждой опоры [7]
11 Минимальный динамический зазор меньше цопустн- 5д<[5д] Угроза задеваний по баббиту [сд] определяется индивидуально для
№ п/п Дефект Диагностические признаки дефектов Примечание
мого. каждого лодшипника
12 Недостаточная отстройка от резонанса на рабочей частоте вращения Отстройка от критической частоты меньше 10% Появляется опасность высокой вибрации сосоротной частотой
13 Недостаточная отстройка от резонанса на удвсенной частоте вращения Отстройка от критической частоты меньше 10% Появляется опасность знбрацнн: двойной оборотней частотой
14 Сстаточный прогиб Бей ротора с внутренней стороны цилиндра на малых оберотах превышает допустимый в 0.05 мм Повышенные Бисрапни и разрушение уплотнений при проходе критических частот
15 Трещина Комплексами критерий изменения трендов спектральных характеристик
16 «КоЛС НО :> Бой ротора со стороны по-лумуфты нз малых оборотах превьппает допустимый Противофазный характер для смежных опор
17 «Маятник» Бой ротора со стороны полумуфты нз малых оборотах превышает допустимый Синфазный характер для смежных опер
1S 19 Пиьышениая динамическая податливость опоры Резонанс опоры Бо.шшая вибрация спорь, при малом возмущении Независимое положение резонанса оперы или статора фуцдамептат/а при от с уте тв ни резонанса вало-прозода Динамические нодах.шьос1и опор должны контролироваться Резонанс олоры подлежит устранению
20 Резонанс ротора 'системы роторов) в валолроводе Наблюдается резонанс ро-тсра в залопрсводе Частично устраняется некорректной центровкой роторов по полумуфтам ннлншмененнем зазоров в подшипнике либо конструктивными изменениями
21 Превышенные переменные напряжения в шейках роторов. сзарныхшвах и болтах полумуфт от знбрацнн а>[«] [л]=?СМПа
в) спектральные характеристики
22 Субгармонический резонанс Частота равна «точно» 1/2; 1/3:1/4 и т.д. от рабочей, амплитуда Vcr> 0.1 мм/с
23 НЧБ на XX VH4B¿- 0.1 ММ/С
24 КЧВ под нагрузкой Унчв^ 0.1 мм/с
IV ЛПТИОРНОЕ РЕШЕН] ЕЕ ЗАДАЧ ДИАГНОС ТИРОВАНИЯ
Реализация данных критериев предполагает в процессе мониторинга в режиме ONLENEpeincKHC следующих задач:
- определение минимальных зазоров н перекосов з подшипниках, т.е. режимов с недопустимыми зазорами и потерей несущей способности чо.чтиттнтсои
установление связи минимальных зазоров и перекосов с температурами баббита па Dcex режимах по налрузке и по часчше вращения.
- вычисление корреляции зазоров н перекссов пеек с данными по абсолютным расширениям корпусов;
- вычисление статических и динамических нагрузок в операх:
- определение величин скачков взаимного положения оеек ротороь в расточках подшипников;
- выявчение н предотвращение режимов с задеваниями по баббиту и уплотнениям агрегата;
- выявление корреляции величин динамических перекосов шеек с вибрацией роторов:
- ьмлишение сценки гехническою сисюших валииривода но результатам шмерешш колебаний aaia в соответствии с требованиями [3.4];
- анализ АФЧХ важан опор лдяразных систем грузов дщ пусков или выбегов к иакспленне информации для более зффеыивнши и автоматическою определенна неуравьовешенниин л систем корремкрунлцих ipy-
iOB;
- выполнение оденки остаточного дисбаланса роторов;
- выявление резоиаисов опор (с.аюра-фундамеыа) и резонансовроюров в вакшреводе,
- вычисление траекторий, спектральные н других характеристик движения вала:
- опенка соев ротора, связанных с его остаточным прогибом или с несовершенством сборки роторов по
иолумуфшм.
определение напряжении в шейках роторов, созрных швах или в болтах полумуфт от нарушения помп нального взаимного положения опор,
- оиредслснлс напряжений в указанных сечениях и ил часшшо временные зависимости ms л повышенных вибраций опор, вызванных различными дефектами [РЛО];
- оценка исчерпания ресурса ротороз болтов полумуфт в соответствии с действующими нормативными
меюдакимв,
В перспективе должны решаться задачи крутильных колебакнн н термомеханической усталости высокотемпературных роторов Все перечисленные задачи быстро можно решить только в автоматическом режиме. Зарубежные системы днггностикн. з силу ограниченного числа датчиков вала, позволяют решить лишь небольшую чягтк из перечис.тгенттк-х задач
V. ВЫВОДЫ ]1 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Предложен комплекс задач, решаемых при диагнсстике технического состояния валопровода и спор. Приз едены диагностические признаки дефектов, измеряемых с использованием датчиков вала н предложены дополнительные критерии надежней работы валопровода и опор турбоагрегзта е экепчуатадии
2. Изложенный подхед позволяет непосредственно измерять и наблюдать прсцессы в опорах которые в нынешних системах контроля не регистрируется и пе оцениваются.
3. Данная технология может быть использована в системах мониторинга для определеиш корректирующих деахровок poitpoB но данным измерений перемещения даиф в раг.очкач. лодшш.нлков с использованием иол-иой системы датчиков вала.
Данная работа выполняется при финансовой пэддсржкеРПФ в соответствии с соглашением № 15-19-00267от 19 мая 2015 г.
СПИСОК ЛИТЕГАТУГЫ
1. Костюксв В. Н_ Бсйченко С. Н. Костюкоз А В. Автоматизированные системы управления безопасной ре:урсо:серегающеп жсог.'атсцлей оборудования иефтеперерабатываюших и пефтехимнчесюгх производств (АСУ БЭР - КОМПАКС). М: Мадшностроение. 1999. 163 с.
2. Костюксв В II. Мониторинг безопасности производства. М.: Машиностроение. 2002. 224 с.
3. ГОСТ Р 55263-2012.3пбрщня.Конлроль состояния машин по результатам измерения вибрадии на вра-щжщихся валах. Ч. 2. Стационарные паровые турбины и генерагеры мощностью более 50МВт с рабочим частотами врешепня 1500. 1300. 3000. 36Х1 еб мнп. М.: Стапдартнлформ. 201-1.12 с.
4. ГОСТ Р 55265.2-2012. Вибрация. Опенка ссстояиш машин по результатам измерения вибрапнн на невращакя^ихся частях. Ч. 2. Стационарное яаривме турбины и . енераюрь. мощностью более 50 МВт с рабочими частотами вр.гщений 1500. 1800. ЗСОО и 3600 мин'1. М.: Стандгртннформ. 2014
5. Турбины тепловых н атомных электрических станций / под ред. Костюка А Г.. Фролова В. В М.: Изд-во МЭИ. 20С1.
6. Куменко А. И.. Злобин О. А. Тимин А В. [к др.]. Использование датчиков вала для диагностики. наладки н корректировки распентровок роторов по полумуфтам на турбоагрегатах Реотинсксй ГРЭС // Надежность и безопаслссть энергетики. 2012. № 1. С. 59 61.
7. Куменко А.И. Диагностика Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 4. С. 161-164.
S. Куменко А. И. Балансировка iибких риюров н вашприводов на основе систем КОМПАКСх с применением датчиков взла. 2015. 17 апреля. URL: http: /ceftegaz то seier.ee vie\v/1053/
Куменко А. И_, Костюков В. Н.. Кузьминых Н. Ю. [н др.] Диагностика результатов сборки валопровода в эксплуатации с использованием датчиков вала И Современные технологии сборки: материалы IV Между нар. науч.-техн. семннара,22-23 окгя&ря2015 г. / МАМИ. М.. 2015. С. 50-62.
10. Куменко А. И.. Титан А. Б.Особенности динамического поведения валопроводовтур&оагрегатов К-1000-60/1500 н расчет напряжений в болтах прн технологических несовершенствах сборки попу муфт Н Технология машиностроения. 2015. № 6. С. 35-^40.
