Молочек В.А. Ремонт паровых турбин

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 9.8. Номограмма для определения необходимого прогиба вала при его релаксационной правке.

Рисунок 9.9. Правка вала способом релаксации. 1-станина, 2 и 3—подшипники, 4—опоры подшипников, 5 и 6—

траверсы; 7—нажимной трос, 8—стяжной болт, 9—подставка для индикатора, 10 — редуктор, 11—электромотор, 12—

опора привода, 13 — сосуд для смазочного масла, 14 — индикатор, 15 — индукционный нагреватель.

Для ускорения процесса нагрева и пред-

охранения места нагрева от действия потоков хо-

лодного воздуха вал в месте, подлежащем нагреву

газовыми горелками, опоясывается разборным

кожухом из листовой стали (рис. 9.10), состоя-

щим из двух половин. Диаметр кожуха должен

быть на 80—100 мм больше диаметра вала, а его

длина — с расчетом перекрытия места правки на

длине 200— 250 мм. Кожух по всей длине имеет

две прорези шириной 25—30 мм, которые служат

для ввода и непрерывного передвижения головок

горелок вдоль оси вала во время нагрева. Кроме

того, кожух имеет приваренный штуцер, необхо-

димый для ввода через кожух термопары, которая

присоединяется к гальванометру и дает возмож-

ность периодически путем касания вала опреде-

лять температуру его нагрева. Кожух снаружи

обкладывается асбестовой изоляцией.

После нагрева горелки выключаются, вал

плотно обертывается сухим асбестовым полотном

с толщиной слоя 10—15 мм, и непрерывное вра-

щение продолжается до полного охлаждения.

Отжиг вала путем нагрева газовыми го-

релками необходимо вести осторожно, чтобы не

испортить ожогами поверхность вала, под-

вергающуюся нагреву, и обеспечить правильное

ведение процесса отжига, главными условиями

которого являются: подъем до определенного

предела температуры нагрева, необходимая вы-

держка при предельной температуре и медленное

охлаждение вала.

Более рациональным способом местного

нагрева при отжиге является индукционный на-

грев токами промышленной частоты, дающий

более равномерный нагрев всего сечения вала.

Здесь нагревателем служит индуктор, представ-

ляющий собой катушку, наматываемую вокруг

вала из медного многожильного гибкого кабеля

или медных шин. Сечение кабеля или шин и чис-

ло витков катушки берется в зависимости от рас-

четной силы тока и диаметра вала или барабана.

Для нагрева вала диаметром 600 мм до

температуры 600— 650° С требуется катушка на

3000—5000 ампер-витков, а для нагрева вала

диаметром 300 мм до той же температуры требу-

ется около 2000 ампер-витков.

Рисунок 9.10. Кожух для нагрева вала автогенными

горелками. 1 — кожух; 2 — прорези для ввода головок

горелок; 3 — штуцер для термопары; 4— петли для

соединения обеих половин кожуха.

На поверхность вала, подлежащую отжигу,

перед ее обмоткой кабелем накладывается слой

асбестового полотна толщиной 15—20 мм или по-

верхность обматывается асбестовым шнуром. Для

контроля за температурами в месте нагрева закла-

дываются термопары. Регулировка температуры

нагрева вала индукционным нагревателем дости-

гается намоткой кабеля в несколько рядов, витки

которых могут включаться последовательно и па-

раллельно, а также регулировочной аппаратурой

•питающих трансформаторов.

Для обеспечения свободного вращения ва-

ла внутри индукционной катушки ее внутренний

диаметр должен быть сделан больше диаметра

вала на двойную толщину указанного слоя изоля-

ции, накладываемой на вал, и двойную величину

зазора, необходимого для свободного вращения

вала и принимаемого 8—10 мм на сторону. Сама

катушка при ее наложении на вал должна быть

хорошо отцентрирована по отношению к валу и

надежно укреплена к станку для правки. Схема

включения такого индукционного нагревателя,

который питается от сети переменного тока через

параллельно включенные трансформаторы типа

СТЭ-23 или через специальные передвижные од-

нофазные трансформаторы, показана на рис. 9.11.

Рисунок 9.11. Схема индукционного нагрева вала.

1—медный кабель; 2—трансформатор; 3 — первичная

обмотка; 4 — сеть.

Местный отжиг может производиться так-

же с помощью разборной электропечи, которая

охватывает вал вокруг места, подлежащего отжи-

гу. Электропечь изготовляется в виде кожуха из

листового металла из двух половин, внутри кото-

рого расположены секции нагревательных эле-

ментов, включаемых в сеть переменного тока. В

верхней половине электропечи предусматривает-

ся открывающийся люк для возможности осмотра

и производства замеров температуры вала в про-

цессе нагрева. Мощность такой электропечи для

нагрева барабана ротора диаметром около

1000 мм на участке длиной 400—500 мм со-

ставляет 40 кВт, а для вала диаметром до 300 мм

при длине нагрева до 4000 мм — 20—30 кВт. На-

личие плавной регулировки мощности, начиная с

2—5 кВт, позволяет производить плавный нагрев

охватываемого электропечью участка вала и рав-

номерный подъем температуры с необходимой

скоростью.

Для свободного вращения вала и пред-

охранения от образования окалины элементы на-

гревателей электропечи должны быть рас-

положены от вала на расстоянии не менее 100 мм,

а поверхность места отжига и близлежащие пазы

под лопатки изолированы от нагрева. Изоляция

выполняется путем обмазки смесью асбестовой

крошки, размешанной на воде с б—8% жидкого

стекла; после нанесения слоя толщиной 8—10 мм

изоляция покрывается асбестовым полотном. С

наружной стороны электропечь должна быть изо-

лирована асбестом для предохранения от ожогов

лиц, производящих отжиг или правку.

Наилучшие результаты применения ука-

занных способов местного нагрева при правке и

отжиге могут быть достигнуты при предва-

рительном снятии с вала всех насаженных на него

деталей, которые будут подвергаться нагреву

(диски с лопатками, лабиринтовые втулки, упор-

ные гребни и др.). В этом случае нагрев может

102

быть произведен до максимальных температур,

требующихся по условиям правки и отжига без

опасения за состояние насаженных деталей.

Для правки и отжига в случаях, когда про-

гиб вала обнаружен в нескольких местах по его

длине и имеет значительную величину, а, главное,

когда требуется производить высокий нагрев

средней части барабанных и цельнокованых ро-

торов, возникает необходимость в проведении

общего нагрева вала, так как местный нагрев ме-

жду дисками цельнокованого ротора весьма за-

труднителен и может приводить к короблению

дисков. Если отправить ротор для соответствую-

щей обработки на завод-изготовитель не пред-

ставляется возможным, правку и отжиг в услови-

ях электростанции приходится выполнять в элек-

тропечи, в газовой или в огневой печи, отапли-

ваемой древесным углем.

При невозможности обеспечить детали ва-

ла необходимой полноценной тепловой изо-

ляцией общий нагрев барабанных и цельноко-

ваных роторов производится до температуры, не

превышающей 520—550° С, а роторов с насажен-

ными дисками, если они по каким-нибудь сооб-

ражениям не снимаются, не выше 450—480° С.

Однако при всех условиях следует производить

изоляцию лопаток от высокого нагрева; для этого

производится их покрытие с обеих сторон слоем

изоляции толщиной до 10 мм из указанной выше

смеси асбестовой крошки и жидкого стекла и по-

крытие этой изоляции асбестовым полотном, про-

шитым проволокой, пропускаемой через лопатки.

Для обеспечения свободного вращения под

кожухом печь по размерам делается соответст-

венно габаритам ротора с учетом толщины изоля-

ции и с припуском по отношению к любой точке

ротора в 100—120 мм, а также из расчета воз-

можности подъема температуры в ней до 600—

650° С. Такая печь устанавливается в зоне, где

могут быть поставлены надежные козлы (козлы

для балансировочного станка) или двутавровые

балки, допускающие установку и вращение рото-

ра, и где под ротор может быть подведен соответ-

ствующий металлический или кирпичный фунда-

мент для установки печи, ее укрепления и пита-

ния током или топливом. Ротор устанавливается

на специально изготовленные для этой цели брон-

зовые подшипники с водяным охлаждением, ко-

торые прочно устанавливаются на указанные коз-

лы или двутавровые балки. Для равномерного

нагрева и устранения коробления дисков враще-

ние ротора производится со скоростью 15—

25 об/мин.

В электропечи нагреватели выполняются

из железных труб длиной, равной длине печи;

трубы устанавливаются в нижней половине печи

и изолируются асбестом; поверх асбестовой изо-

ляции наматываются три-четыре секции проволо-

ки сопротивления (нихромовая проволока или

проволока из аустенитной стали Я1Т), равномер-

но распределенных по длине печи, что позволяет

производить регулирование скорости нагрева и

равномерности распределения нагрева по длине

вала.

Для ускорения изготовления печи и улуч-

шения условий монтажа нагревательных эле-

ментов (труб с проволокой сопротивления) целе-

сообразно нижнюю часть печи выкладывать из

огнеупорного кирпича. На эту часть, как на фун-

дамент, накладывается охватывающий вал верх-

ний металлический кожух; наружная сторона ко-

жуха должна иметь приваренные ребра жесткости

из уголкового железа для возможности его подня-

тия целиком с наложенной на него поверху асбе-

стовой изоляцией. Верхний металлический кожух

должен иметь несколько закрывающихся люков,

расположенных в нескольких местах по его длине

и сечению, которые позволяли бы в процессе

правки и отжига производить осмотр ротора,

осуществлять путем открытия этих люков уско-

ренное охлаждение вала после отжига, а также

устанавливать термопары для замера температу-

ры внутри печи. В местах выхода вала из печи

делаются уплотнения в виде сальников, уплот-

няемых асбестовыми листами или асбестовым

шнуром.

Огневая печь для правки и отжига роторов

(рис. 9.12, а), отапливаемая древесным углем,

изготовляется примерно так же, как и описанная

выше электропечь, но в ней вместо элек-

тронагревательных элементов устанавливается

выдвижная колосниковая решетка, на которую

загружается уголь. Под решеткой уста-

навливается металлический выдвижной лист

(под) для удаления золы и мелких кусочков не-

сгоревшего угля, падающих с колосниковой ре-

шетки; в пространство между подом и ко-

лосниковой решеткой подается сжатый воздух,

обеспечивающий должную интенсивность горе-

ния. В самой верхней точке верхнего ме-

таллического кожуха для создания тяги уста-

навливается труба диаметром 100—120 мм с за-

слонкой для регулирования горения и соответст-

венно температуры внутри печи.

Эта же печь может быть устроена за пре-

делами кожуха, охватывающего ротор; в этом

случае горячие газы из топки по особым трубам

направляются в кожух перпендикулярно оси ро-

тора. Этот способ нагрева более удобен, но требу-

ет изготовления специальной выносной топки,

что усложняет устройство.

При возможности применения газа не-

сложной для изготовления в условиях элек-

тростанции является разборная газовая печь

(рис. 9.12, б); удобство такой печи для ведения

температурного режима, процесса правки и отжи-

га заключается в простоте регулировки за счет

подачи газа.

Наиболее правильным режимом отжига ва-

ла в любой из указанных печей является режим,

при котором путем медленного и равномерного

повышения температуры в печи вращающийся

вал равномерно нагревается до предельной тем-

пературы, выдерживается определенное время

при этой температуре и затем медленно и равно-

мерно охлаждается. Обычно при общем нагреве в

печи вращающийся вал нагревается со скоростью

50—75 град/ч. Температура предельного нагрева

103

для отжига зависит от марки стали, из которой

изготовлен ротор, и во всяком случае должна не

менее чем на 30—40° С превышать температуру

пара, в которой работает участок нагрева вала. По

окончании выдержки при указанной температуре

проводится охлаждение вращающегося ротора со

скоростью 30—40 град/ч до температуры 250—

300° С, после чего нагрев прекращается; даль-

нейшее охлаждение вала происходит вместе с

медленным и естественным понижением темпе-

ратуры печи. Вращение вала должно продолжать-

ся до тех пор, пока температура его поверхности

понизится так, что будет не больше чем на 50—

60°C выше температуры окружающей среды.

По окончании охлаждения вала произво-

дится повторная проверка его кривизны и, если

она не изменилась или, во всяком случае, оста-

лась в пределах допуска, то операция по правке и

отжигу вала считается законченной.

После окончания правки и отжига необхо-

димо производить динамическую балансировку

ротора.

10.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ,

ВИДЫ И НОРМЫ ВИБРАЦИИ.

Вопросы поддержания нормального вибра-

ционного состояния турбоагрегатов, особенно в

связи с вводом мощных турбин высоких и сверх-

высоких параметров пара и генераторов с водо-

родным охлаждением, имеют особое значение для

обеспечения надежности и экономичности экс-

плуатации.

С вибрационной точки зрения турбоагрегат

представляет собой сложную динамическую сис-

тему, состоящую из роторов, подшипниковых

опор, корпусов (цилиндры турбины, статор гене-

ратора) и фундамента, которые способны возбуж-

дать, воспринимать и усиливать вибрации.

Для понимания явлений, связанных с ви-

брациями, необходимо остановиться на основных

определениях.

Вибрацией называется ряд повторных от-

клонений тела от положения покоя или рав-

104

номерного движения. Источником вибрации тела

является какой-либо повторяющийся импульс

(действие приложенной к нему силы), называю-

щийся возмущающей силой. Любое подвижное

тело может быть приведено в состояние вибрации

и каждый повторяющийся импульс может быть ее

источником.

Лучшим примером таких колебаний может

служить простая механическая система, которая

состоит из жестко закрепленной в основании пло-

ской пружины и подвешенного на ее конце груза

М (рис. 10.1, а). При выводе ее из состояния по-

коя какой-либо внешней силой груз начнет со-

вершать колебательное движение в обе стороны

от центра колебания О, являющегося положением

равновесия.

Величина вибрации характеризуется и из-

меряется размахом колебания. Наибольшее от-

клонение груза от центра колебания О (размер А)

называется амплитудой колебаний. Полный раз-

мах колебания (размер В=2А), т. е. наибольшее

отклонение в обе стороны от центра колебания

(от положения покоя), которым принято оцени-

вать вибрацию турбины, равняется двойной ам-

плитуде колебаний.

Промежуток времени, в течение которого

волна колебаний успевает пройти все положи-

тельные и отрицательные значения, совершая

полный колебательный цикл, равный двум разма-

хам или четырем амплитудам, называется перио-

дом колебаний; период колебаний обычно обо-

значается Т и измеряется в секундах.

Число колебательных циклов тела в секун-

ду называется частотой колебаний и измеряется

герцами (Гц)—числом периодов колебаний в се-

кунду (1 пер/сек =1 Гц); например, частота 10 Гц

обозначает, что в течение 1 сек совершается 10

колебательных циклов. При вращении роторов

турбоагрегата с 3 000 об/мин частота вращения

равна 50 Гц (50 пер/сек).

Рисунок 10.1. Определения колебаний. а—

колебательная система; б—сдвиг фаз; в—затухающие

колебания; г — незатухающие колебания.

При практическом рассмотрении вопросов,

связанных с вибрацией, кроме указанных основ-

ных величин (амплитуда, период колебаний, час-

тота), большое значение имеет фаза колебаний,

которая определяет положение колеблющегося

тела (точки) в данный момент и сдвиг фаз.

Эти понятия можно уяснить при рассмот-

рении колебаний двух одинаковых маятников.

Если маятники отклонить от положения рав-

новесия на одно и то же расстояние и затем от-

пустить сначала один, а через некоторое время

другой, то создается положение, при котором

первый маятник будет проходить через положе-

ние равновесия, в то время как второй будет

иметь наибольшее отклонение или находиться в

каком-либо другом положении; в этом случае

маятники имеют разные фазы колебаний. По за-

писи колебаний маятников и графическому изо-

бражению можно получить две одинаковые кри-

вые (синусоиды), которые будут сдвинуты одна

относительно другой на некоторую часть периода

колебаний (рис. 10.1, б).

Сдвиг синусоид одной по отношению к

другой, который характеризует величину разрыва

между началами двух колебательных процессов,

выраженную временем, углом, расстоянием, на-

зывается сдвигом фаз.

Если маятники занимают при колебаниях

одинаковое положение по отношению к поло-

жению равновесия и движутся в одну и ту же сто-

рону, то маятники находятся в одинаковых фазах,

если же движение одного маятника по отноше-

нию к другому является как бы зеркальным отра-

жением, то такие маятники находятся в противо-

положных фазах.

Если какая-либо упругая система в виде

пружины, мембраны, стержня или вала выведена

из нормального состояния покоя (положения рав-

новесия), то предоставленная самой себе она бла-

годаря силам упругости, стремится возвратиться в

первоначальное состояние. Достигнув его, ввиду

накопившейся энергии, упругая система перехо-

дит нейтральное положение (положение равнове-

сия), отклоняется в другом направлении, возвра-

щается из него и т.д.

Если упругая система во время своего ко-

лебательного движения не подвергается внешне-

му воздействию и ее движение происходит под

действием только упругих сил самой системы,

она будет совершать свободные колебания в обе

стороны от состояния покоя с определенной час-

тотой (гармонические колебания). Эти колебания

называются свободными или независимыми.

Каждому упругому телу свойственна впол-

не определенная частота свободных колебаний,

зависящих от свойств и природы тела (от конст-

рукции, размера, веса, упругих свойств материала

и характера крепления); такая частота колебаний

называется собственной частотой. Частота собст-

венных колебаний в течение всего времени коле-

бания остается неизменной, а величина их ампли-

туды зависит от величины приложенной возму-

щающей силы в момент вывода системы из со-

стояния покоя.

Если под влиянием различных причин, вы-

зывающих потери энергии, амплитуда колебания

постепенно уменьшается (по закону гео-

метрической прогрессии), то колебания назы-

ваются затухающими. Затухание колебаний вы-

зывается силами сопротивления, связанными с

105

трением между поверхностями скольжения, тре-

нием в воздухе, газах или жидкости, внутренним

трением в металле и т. д. Процесс изменения ко-

лебаний изображается в виде волнообразной кри-

вой, в которой по оси абсцисс откладывается вре-

мя, а по оси ординат—значение амплитуд зату-

хающих колебаний (рис. 10.1, в). При восполне-

нии расходуемой в процессе колебания механиче-

ской энергии за счет какого-либо внешнего ис-

точника, то даже при наличии сил сопротивления

наблюдаются незатухающие колебания.

Если на тело, находящееся в колебатель-

ном движении, воздействуют дополнительные

импульсы, покрывающие потери энергии, и ко-

лебательные движения в течение всего времени

действия этих импульсов будут иметь постоянные

амплитуду и частоту, они будут иметь синусои-

дальный гармонический характер, показанный на

рис 10.1, д. Такие незатухающие колебания тела,

возникающие под действием периодической воз-

мущающей силы, называются вынужденными.

При частоте возмущающей силы, равной

или кратной частоте собственных колебаний тела,

наступает состояние резонанса; при этом даже

при небольшой возмущающей силе происходит

резкое увеличение амплитуды колебаний тела,

так как энергия колебаний увеличивается работой

возмущающей силы, действие которой совпадает

в течение каждого периода с направлением дви-

жения. Частота колебания в данном случае назы-

вается критической частотой Состояние резо-

нанса весьма опасно для тела, так как амплитуда

колебаний, несмотря на неизменную величину

приложенных сил, может возрастать до тех пор,

пока возрастающие вместе с ней напряжения не

приведут к разрушению тела.

Вращающийся ротор турбины не вибри-

рует, а, следовательно, не оказывает возму-

щающих воздействий на подшипники, когда он

полностью уравновешен во всех своих частях.

Однако в процессе эксплуатации это условие мо-

жет быть нарушено вследствие даже ничтожных

изменений в распределении масс ротора по ок-

ружности.

При наличии небаланса в роторе при его

вращении этот небаланс является возмущающей

силой, вызывающей вынужденные колебания ва-

ла, при этом частота вынужденных колебаний

совпадает с числом оборотов ротора, а амплитуда

колебаний изменяется почти пропорционально

изменению величины небаланса Число оборотов

ротора, соответствующее состоянию резонанса

(частота вынужденных колебаний равна или

кратна частоте собственных колебаний ротора),

называется критическим числом оборотов или

критической скоростью вращения.

По достижении критического числа оборо-

тов возникают сильные вибрации ротора, опасные

для его прочности. Работа в таком состоянии

весьма опасна, так как приводит к задеванию

вращающихся частей. Если продолжать увеличи-

вать число оборотов вала, то опасные вибрации

прекратятся. Однако при дальнейшем увеличении

числа оборотов можно дойти до такой скорости

вращения, при которой вал опять начнет сильно

вибрировать, т е. будет достигнута вторая крити-

ческая скорость; дальнейшее увеличение числа

оборотов приведет к достижению третьей крити-

ческой скорости и т.д. Таким образом, роторы

имеют много критических скоростей, но практи-

ческое значение имеют только первые три крити-

ческие скорости.

Если первая критическая скорость ротора

турбины лежит выше его нормальной рабочей

скорости (числа оборотов), то ротор носит на-

звание жесткого; его ось при вращении в экс-

плуатационных условиях не испытывает изгиб-

ных колебаний. Роторы, рабочая скорость кото-

рых близка к первой критической скорости или

превышает ее, называются гибкими.

Виды и нормы вибраций.

По направлениям,

ориентированным относительно главной оси ро-

тора агрегата и измеряемым на вершине крышек

подшипников, различаются три основных вида

вибраций: поперечная (перпендикулярная оси

ротора), продольная (осевая) и вертикальная

(рис 10.2).

Рисунок 10.2. Основные виды вибраций.

Наибольшее практическое значение имеет

поперечная вибрация, вызываемая смещением

центра тяжести вращающегося ротора, т.е. неба-

лансом. Только в редких случаях, что, конечно,

должно быть установлено замерами, вертикальная

вибрация бывает больше горизонтально - попе-

речной, в этом случае контроль при балансировке

ведется по вертикальной вибрации.

При оценке состояния турбоагрегата не-

обходимо производить замеры по всем трем на-

правлением вибрации. Сравнительная оценка

вибраций подшипников турбоагрегата по наи-

большей из этих трех вибраций, замеренных виб-

рометром, независимо от ее направления, произ-

водится по шкале, приведенной в табл. 10.1.

Вибрационное состояние всего турбоагре-

гата считается неудовлетворительным, если виб-

рация хотя бы в одном направлении одного из

подшипников окажется выше указанных норм.

Согласно Правилам технической эксплуа-

тации (ПТЭ) вибрационное состояние турбо-

агрегата должно проверяться в процессе экс-

плуатации: 1) 1 раз в три месяца, 2) непо-

средственно до и после капитального ремонта,

3) при заметном повышении вибрации под-

шипников. Контроль за вибрациями роторов про-

изводится по замерам амплитуд колебания каждо-

го подшипника в отдельности при трех режимах

106

работы: полной электрической и тепловой на-

грузках, половинной нагрузке и на холостом ходу

без возбуждения генератора.

В период капитального ремонта турбоагре-

гата повышенная вибрация должна быть устране-

на или, по крайней мере, доведена до допустимых

норм. Даже при «удовлетворительной» оценке

состояния вибрации следует стремиться к ее сни-

жению, так как вибрация роторов всегда выше,

чем вибрации, замеренные на соответствующих

подшипниках, это объясняется тем, что измере-

ния вращающегося ротора приходится произво-

дить косвенным порядком по амплитудам коле-

баний не подвижных частей агрегата (подшипни-

ков, фундамента), а такие факторы, как жесткость

подшипников, влияние масляной пленки и дру-

гие, могут искажать не только амплитуду, но и

форму колебаний ротора.

Таблица 10.1. Оценка вибрационного

состояния турбоагрегата.

Оценка, мк

Номинальная

скорость

вращения

ротора тур-

бины об/мин

Отлично Хорошо

Удовле-

твори-

тельно

1500

3000

До 40

До 20

До 60

До 30

До 80

До 50

Вибрационные исследования, которые не-

обходимы для установления причин повышенной

вибрации и методов их устранения, являются

весьма сложным процессом и требуют не только

значительной затраты времени, но и высокой ква-

лификации персонала, производящего эти испы-

тания и их измерения.

В ряде случаев найти причины повышен-

ных вибраций возможно только после тщательно

проведенных обследований различных режимов

работы турбоагрегата по специальной программе.

Поэтому за 1—2 мес. до остановки турбоагрегата

на капитальный ремонт должны быть произведе-

ны все предварительные исследования, которые

необходимы для разработки программ и методики

устранения повышенной вибрации турбоагрегата

в процессе его ремонта.

Измерения следует производить одними и

теми же приборами и при тех же параметрах пара

и условиях нагрузки для получения результатов,

которые можно будет сопоставить с данными

предыдущих замеров вибраций.

10.2. ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

ПРИБОРЫ.

Вибрационные исследования турбоагрега-

тов и замеры вибраций при динамических балан-

сировках производятся при помощи различных

ручных и стационарных виброизмерительных

приборов (виброметров, вибрографов, виброско-

пов). Эти приборы и аппаратура, которые по спо-

собу измерения могут быть разделены на механи-

ческие, оптические и электрические, служат для

измерения размаха колебаний, сдвига фаз, скоро-

сти и ускорения колебаний, записывают различ-

ные формы изменений колебаний и т. д.

Рисунок 10.3. Ручные виброметры с использованием

индикаторов часового типа.

В практике электростанций широкое при-

менение получили ручные виброизмерительные

приборы (индикаторные, ВР-1, электровиброгра-

фы и др.), стационарные виброизмерительные

приборы и специальная балансировочная аппа-

ратура (БИП-4, БИП-5, ЦНИИТМАШ и др.).

Одними из наиболее простых ручных виб-

роизмерительных приборов, применяемых еще и

в настоящее время на электростанциях, являются

устройства с использованием индикаторов часо-

вого типа. В этих приборах упругим элементом

является пружина (рис. 10.3, а) или рука, удержи-

вающая прибор за рукоятку (рис 10.3, б). Размах

колебаний вибрирующей поверхности, в сопри-

косновение с которой приводится стержень инди-

катора, определяется по размаху колебаний

стрелки индикатора. Такими виброметрами прак-

тически можно производить измерения при час-

тоте вибрации выше 500 кол/мин (частота собст-

венных колебаний 100—120 кол/мин), но при

сильных вибрациях они быстро выходят из строя.

При измерении размаха колебаний ручным

вибрографом типа ВР-1 (рис. 10.4, а) корпус при-

бора удерживается в руках, а его измерительный

стержень соприкасается с вибрирующей поверх-

ностью, вибрация которой измеряется. Переста-

новкой упоров можно изменять положение пере-

движной муфты (рис. 10.4, б) и тем самым регу-

лировать упругость пружины и нажим измери-

тельного стержня на вибрирующую поверхность.

Запись колебаний на передвигаемой часо-

вым механизмом вощеной бумажной ленте (ско-

рость 40 мм/сек) можно видеть через открытую

крышку прибора по положению записывающего

острия рычажного устройства. Скорость движе-

ния ленты, имеющей общую длину 9 м, определя-

ется по отметчику времени, действующему от

часового механизма.

По виброграмме и скорости движения лен-

ты определяются размах колебаний, периоды, а

следовательно, и частота измеряемых колебаний.

Пределы измерений этим вибрографом ограничи-

ваются размахом колебаний от 0,02 до 6 мм, а

диапазон частот от 8 до 80 Гц. Для увеличения

видимости показаний амплитуды колебаний и

оценки колебаний с размахом в сотые доли мил-

лиметра используется лупа с 6-кратным увеличе-

нием.

107

На таком же принципе, когда корпус при-

бора является инерционной массой, а руки, удер-

живающие прибор при соприкосновении его

штифта с измеряемой вибрирующей по-

верхностью, являются упругой связью, построены

и ручные электрические виброметры и виброгра-

фы; основное отличие этих приборов от приборов

типа ВР-1 состоит в том, что в них механические

колебания преобразуются в электрические; в

электрических виброметрах эти колебания изме-

ряются и указываются электрическим индикато-

ром, в вибрографах— измеряются и после усиле-

ния записываются осциллографом.

Рисунок 10.4. Ручной виброметр ВР-1. а — конструк-

ция виброметра б — принципиальная схема вибромет-

ра. 1 — измерительный стержень 2—регулирующие

упоры, 3—крышка прибора, 4 — записывающее ост-

рие, 5 — передвижная муфта, 6 — пружина,

7 — бумажная лента. S — колебания корпуса прибора,

Sn — колебания создаваемые вибрацией ротора,

Т—период колебаний.

В стационарных виброизмерительных при-

борах не корпус является инерционной массой, а

специальная инерционная масса упруго подвеши-

вается в корпусе, благодаря чему она является по

отношению к корпусу практически неподвижной.

Корпус прибора, устанавливаемый непосредст-

венно на измеряемый подшипник, совершает те

же колебания, что и подшипник. Измерение этих

колебаний по отношению к неподвижной инер-

ционной массе и определяет величину колебаний

подшипника.

Специальная балансировочная аппаратура

типа БИП-4, БИП-5, приборы ЦНИИТМАШ и пр.,

имея транспортабельные вес и размеры, вместе с

тем обеспечивают необходимую для эксплуата-

ционных условий точность измерений вибраций и

дают возможность измерять не только размахи

колебаний, но и скорости, ускорения, фазы коле-

баний и др.

На электростанциях большим распростра-

нением для исследования колебаний турбоаг-

регатов, их фундаментов и балансировки роторов

мощных турбоагрегатов в собственных подшип-

никах пользуется универсальный виб-

роизмерительный прибор БИП-5), выпускаемый

Киевским и Таганрогским предприятиями Союз-

энергоремонта. Этот прибор позволяет произво-

дить измерения амплитуд смещений, скоростей и

ускорений, частоты колебаний, сдвига фаз коле-

баний и наблюдения за формой колебаний. При-

бор БИП-5 имеет предел измерений по частоте от

15 до 200 Гц и по двойной амплитуде смещений

от 5 до 1000 мк. Комплект БИП-5 в футляре имеет

габариты 400х160х310 мм, вес 12 кг и состоит из

двух вибродатчиков, измерительного блока, фазо-

вого датчика и лампы стробоскопа. В этом прибо-

ре в качестве чувствительного элемента, воспри-

нимающего измеряемую вибрацию, используются

индукционные вибродатчики сейсмического типа.

При замерах вибрации подшипников вибродатчи-

ки прибора могут использоваться в качестве виб-

рощупов; они прижимаются к подшипникам ру-

ками наблюдателя или могут крепиться к под-

шипникам с расчетом замера вибрации соответст-

вующего направления (вертикального, попереч-

ного и продольного); сам прибор устанавливается

вблизи источника питания напряжением 220 В.

Весьма совершенными являются также оп-

тико-электрические приборы — шлейфовые и

катодные осциллографы, которые служат для за-

писи электрических колебаний, возбуждаемых

колебаниями механическими.

Для непрерывного наблюдения за вибра-

цией у современных мощных турбоагрегатов ус-

танавливаются на подшипниках инерционные

датчики, а на щитах перед турбиной мно-

гоканальные самопишущие приборы, записы-

вающие уровень вибрации подшипников во вре-

мени в виде непрерывных кривых и дающие пре-

дупредительные сигналы при повышении уровня

вибрации.

10.3. ПРИЧИНЫ ВИБРАЦИИ

ТУРБИН.

Наиболее распространенной причиной ви-

брации турбины является неуравновешенность

ротора, под которой понимаются нарушения в

распределении масс ротора относительно оси его

вращения.

Неуравновешенная масса ротора при его

вращении вызывает появление возмущающей

силы, которая равна центробежной силе не-

уравновешенной массы и определяется по форму-

ле:

C=mω

r,где т—неуравновешенная масса,

равная M/g, Kг-ceк

/см; М—вес неуравновешен-

ной массы, кг; g—ускорение силы тяжести, рав-

ное 981 см/сек

; r—расстояние центра тяжести

неуравновешенной массы от оси вращения, см;

—угловая скорость вращения, 1/сек:

ω=3,14*n/30; п—число оборотов ротора, об/мин.

108

Если принять, что вес неуравновешенного

на роторе груза 0,5 кг и расстояние его от оси

вращения 80 см, то при n=

1500об/мин, С=1000 кг,

а при п = 3 000 об/мин С =4000 кг.

Отсюда видно, что небаланс только в

0,5 кг, расположенный на радиусе 0,8 м, при 1500

об/мин вызовет возмущающую силу величиной

1000 кг, а при 3000 об/мин эта сила будет уже

равна 4000 кг. Вполне понятно, что работа с рото-

ром, имеющим подобный небаланс, вызовет уси-

ленную вибрацию турбины.

В условиях эксплуатации нарушения, свя-

занные со смещением центра тяжести и по-

явлением неуравновешенных центробежных сил,

могут возникать от целого ряда причин, к кото-

рым следует отнести: прогиб вала, вылет лопаток,

неравномерный износ лапаток вследствие эрозии

и коррозии, неравномерный занос лопаток отло-

жениями солей, неисправность соединительных

муфт между роторами и др.

Если после капитального ремонта произой-

дет ухудшение вибрационного состояния агре-

гата, то проведенный ремонт не может быть при-

знан удовлетворительным; ухудшение может

быть вызвано неудовлетворительным вы-

полнением таких работ, как: 1) замена или пере-

садка дисков и других деталей на роторе (перекос

шпонок относительно шпоночных пазов, забоины

на посадочных местах, эксцентричность расточки

втулок и колец, эллипсность посадочных мест,

перекос торца закрепляющей гайки относительно

торца закрепляемой детали, перекос торцов двух

рядом насаженных дисков и др.); 2) переоблопа-

чивание (несоблюдение баланса, особенно при

длинных лопатках); 3) замена и ремонт соедини-

тельной муфты и ее деталей (болтов, шпонок,

пружин и др.); 4) правка или проточка шеек ро-

тора; 5) замена изоляции обмотки генератора и

др.

Кроме указанных, причины возбуждения

вибрации могут быть и более сложные, связанные

с неустойчивостью вала на масляной пленке, с

нарушениями нормальной смазки, вызванными

неправильной формой расточки подшипников,

неправильными зазорами, ослаблением крепления

вкладышей подшипников, а также причинами

электромагнитного характера, лежащими в гене-

раторе (витковые замыкания в обмотке ротора и

др.), или резонансного характера, связанные с

близостью резонансных скоростей к рабочей ско-

рости вращения. В практике устранения причин

повышенной вибрации известны случаи, когда

максимальная амплитуда вибрации находилась в

одной части агрегата, в то время как причина этой

вибрации находилась в другой части. Такие виб-

рации могут быть вызваны неудовлетворитель-

ным состоянием системы смазки, неравномерным

смещением подшипников турбины и генератора,

передачей вибрации с вала турбины на вал гене-

ратора и, наоборот, тепловой деформацией фун-

дамента и даже вибрациями, вызванными други-

ми агрегатами турбинного цеха.

Отсюда ясно, что необходимость баланси-

ровки роторов возникает не во всех случаях на-

рушения первоначального баланса. Балан-

сировкой нельзя устранять те вибрации, которые

вызываются, например, прогибом вала, заносом

лопаток накипью, ослаблением посадки дисков на

валу или концов вала в барабане, задеваниями в

уплотнениях и т.д. Ротор при наличии некоторого

прогиба может быть отбалансирован и без его

правки, но такая балансировка не обеспечивает

надежности эксплуатации турбины вследствие

биения консольных концов ротора.

Повышенные вибрации являются объек-

тивными показателями имеющихся в турбоагре-

гате дефектов и могут приводить к самым серьез-

ным авариям и повреждениям. При определенных

условиях под действием повышенной вибрации

возможны: расстройство взаимного крепления

частей, нарушение жесткой связи корпусов под-

шипников с фундаментом, задевания вращаю-

щихся частей за неподвижные, расцентровка и

прогиб валов, разрыв масло- и паропроводов, по-

явление усталостных трещин в роторах, бетоне

фундамента и др.

В ряде случаев вибрационное состояние

турбоагрегата определяет продолжительность

междуремонтного периода эксплуатации. В целях

обеспечения надежности и экономичности экс-

плуатации во всех случаях необходимо до-

биваться снижения вибраций турбоагрегата до

допустимого уровня на всех режимах, начиная от

момента пуска, вращения на холостом ходу и

кончая всеми режимами нагрузки турбоагрегата.

Из приведенного выше видно, насколько

разнообразными и сложными могут быть при-

чины вибрации и наблюдающиеся вибрационные

явления. Выявление причины вибрации часто

представляет значительные трудности, и дать

точные указания по определению причин вибра-

ции без предварительных вибрационных исследо-

ваний невозможно.

Во многих случаях поиск причин вибрации

без серьезного анализа вибрационного состояния,

без изучения условий эксплуатации и истории

вопроса, без проведения специальных исследова-

ний по типовой программе с производством кон-

трольных измерений и определением вибрацион-

ных скоростных характеристик (зависимость ам-

плитуды и фазы вибрации от скорости вращения)

— может быть безрезультатным и привести к

ошибкам. В результате анализа суточных ведомо-

стей, диаграмм регистрирующих приборов, вах-

тенных журналов, аварийных актов и других экс-

плуатационных документов, а также опроса экс-

плуатационного персонала (должны привлечь

внимание такие аварийные моменты, как значи-

тельные и резкие изменения нагрузки, параметров

свежего и отработанного пара, температуры мас-

ла, начало появления вибрации, нарастание виб-

рации по времени и при изменениях режима экс-

плуатации, работы, проведенные по устранению

вибрации, и др.) могут быть выявлены основные

факторы, влияющие на вибрационное состояние,

и тем самым определены причины и намечены

правильные пути по устранению вибрации. Ба-

лансировка роторов на пониженных или нор-

109

мальных оборотах для устранения неуравнове-

шенности должна являться завершающей опера-

цией.

10.4. СТАТИЧЕСКАЯ И

ДИНАМИЧЕСКАЯ

НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ.

При рассмотрении вопросов, связанных с

вибрациями роторов и их устранением (уравно-

вешиванием-балансировкой), приходится иметь

дело с двумя видами неуравновешенности: стати-

ческой и динамической.

Под статической понимается неуравнове-

шенность, когда все неуравновешенные массы

ротора могут быть заменены одной так назы-

ваемой приведенной массой т, центр тяжести

которой не лежит на оси вращения, а расположен

от нее на расстоянии г (рис. 10.6, а). Как указано

выше, при вращении приведенная масса m дает

центробежную силу С=mω

r, которая, воздейст-

вуя на подшипники, вызывает их вибрацию. Этот

вид неуравновешенности может быть обнаружен

статически, без сообщения ротору вращательного

движения, поэтому и устранение такой неуравно-

вешенности называется статическим уравнове-

шиванием или статической балансировкой.

Рисунок 10.6. Схема действия центробежных сил от

неуравновешенных масс.

Под динамической понимается неуравнове-

шенность, когда все неуравновешенные массы

ротора приводятся к двум массам, лежащим в

одной диаметральной плоскости, но по разные

стороны от оси вращения. Если статические мо-

менты этих масс относительно ротора равны ме-

жду собой, то при вращении poтopа эти массы

дают две центробежные силы, которые образуют

пару сил, воздействующею на подшипники и вы-

зывающую вибрацию, момент пары сил выража-

ется формулой М=m

a (рис. 10.6, б) Из этой

формулы видно, что при увеличении угловой

скорости (числа оборотов n) момент пары сил

увеличивается, а при прекращении вращения —

становится равным нулю. Отсюда следует, что

неуравновешенность, вызванная парой сил, может

быть обнаружена только при вращении ротора,

поэтому такая балансировка называется динами-

ческой.

Наиболее общей и чаще всего встречаю-

щейся на практике является динамическая сме-

шанная (комбинированная) неуравновешенность,

когда центробежные силы неуравновешенных

масс ротора лежат в различных осевых сечениях.

Эта система сил может быть приведена к паре сил

(F, F) и к радиальной силе С, которые не лежат в

одной плоскости (рис 10.6, в) и представляет со-

бой случай совместной статической и динамиче-

ской неуравновешенности.

Пара сил (F, F) и радиальная сила С в свою

очередь могут быть приведены к двум скрещи-

вающимся силам, которые лежат в произвольно

выбранных плоскостях I и II, перпендикулярных

оси вращения ротора/ Такое приведение выполня-

ется путем: 1) разложения силы С на две парал-

лельные ей силы C

и С

, лежащие в плоскостях I

и II; 2) разложения каждой из сил пары (F, F) на

составляющие F

, F'

и F

, F"

,; 3) сложения в

плоскости I сходящейся системы сил C

, F’

, F’’

и в плоскости II—С

, F’

, F’’

. В результате полу-

чаются две равнодействующие силы R

и R

, ко-

торые показывают, что все неуравновешенные

массы ротора могут быть заменены двумя масса-

ми m

и т

, лежащими в произвольно выбранных

плоскостях/ Такая смешанная неуравновешен-

ность обычно и имеет место у роторов турбин,

генераторов, многоступенчатых насосов и других

деталей, длина которых по оси вращения больше

поперечных размеров

Из рассмотрения указанных видов неурав-

новешенности следует: 1) ротор, находящийся в

состоянии динамического равновесия, одно-

временно находится и в состоянии статического

равновесия, но это не означает обратного, что

ротор, находящийся в состоянии статического

равновесия, находится также и в состоянии дина-

мического равновесия; 2) при незначительной

длине по оси и большом диаметре балансируемо-

го ротора (например, при балансировке одного

диска, вращающегося на двух подшипниках)

практически вполне до статочно уравновесить его

только статически. Устранение вибрации обоих

подшипников установкой только одного груза в

плоскости, перпендикулярной оси вращения, объ-

ясняется тем, что действие любой пары сил бла-

годаря незначительной длине плеча (расстояние

между силами по оси) будет очень невелико; 3)

при длинных роторах (барабанные и с большим

числом дисков) необходима именно динамиче-

ская балансировка, так как одним статическим

уравновешиванием невозможно определить точку

приложения уравновешивающих грузов вдоль оси

вращения, произвольное приложение груза, даю-

щего статическую уравновешенность, может вы-

звать появление дополнительного динамического

небаланса в роторе; 4) чем больше расстояние

между сечениями, где укрепляются уравновеши-

110