Огурцов А.П. Паровые турбины ЛМЗ сверхкритических параметров

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 16.2. Исследование напряжений в штоках РК:

а - исходная конструкция; б - модифицированные конструкции;

в - конструкция клапанов с контролируемым трением; г - напряжения в штоке

при малых открытиях клапанов; д - напряжения в штоке при введении демпфи-

рующего устройства; 1-место обрыва штока; 2-тензодатчик для измерения

напряжений.

Дальнейшие мероприятия по повышению надежности ре-

гулирующих клапанов были связаны с конструктивными изменениями.

Так, небольшое увеличение диаметра штока существенно удлинило

срок службы штоков, особенно клапанов диаметром 75 мм. Клапаны

неразгруженного типа диаметром 120 мм были заменены клапанами

разгруженного типа. После этих мероприятий случаи обрывов штоков

регулирующих клапанов в турбинах К-300-240 практически прекрати-

лись.

С целью развития работ по изучению физических процессов,

происходящих в регулирующих клапанах, на одной из ГРЭС был по-

строен специальный стенд, позволяющий испытывать натурные конст-

рукции клапанов в рабочих условиях на всех режимах эксплуатации.

349

Вибрационное состояние турбоагрегатов. Первые пуски тур-

бин К-300-240 показали, что для достижения норм вибрационной на-

дежности необходимо проведение дополнительной балансировки вало-

провода в собственных подшипниках. После проведения такой балан-

350

сировки уровень вибрации турбин стал удовлетворять принятым нор-

мам.

С целью изучения причин повышенной вибрации агрегатов и со-

вершенствования методов балансировки заводом были проведены ком-

плексные вибрационные испытания турбины К-300-240 на Конаков-

ской ГРЭС. В результате этих испытаний был изучен ряд факторов,

связанных с вибрацией турбины-жесткость опор и фундамента, темпе-

ратурные смещения опор и влияние нагрузки агрегата.

Динамическая податливость опор в зоне частот вращения 1000—

3000 мин

-1

изучалась путем раскачки опор специальным вибратором.

При этом были выявлены резонансные формы колебаний системы

«опора—фундамент». В результате анализа данных и сопоставления

чувствительности опор к небалансу и их податливостей из всего спек-

тра частот были выявлены критические скорости собственно валопро-

вода.

Данные по чувствительностям опор к небалансу при рабочей

частоте вращения, полученные при этих испытаниях и в процессе виб-

роналадки большого числа турбин К-300-240, были использованы для

рационализации процесса уравновешивания агрегата с минимальным

числом балансировочных пусков.

Расчетный анализ вынужденных колебаний вала, с учетом полу-

ченных при испытаниях данных, показал, что повышенная вибрация

может возникать из-за небаланса на соединительных муфтах с компен-

сацией его грузами, установленными на плоскостях РНД. Распределе-

ние этих грузов на три плоскости РНД может обеспечить работу ротора

в условиях эксплуатации без вибрации.

Исследованиями температурных смешений опор и фундаментов

была установлена связь изменения реакций опор и появления низкочас-

тотной вибрации. Но эта связь неоднозначна - проявление такой вибра-

ции зависит также и от нагрузки турбоагрегата. Вибрация оборотной

частоты мало связана с тепловым смешением опор.

Для устранения низкочастотной вибрации, которая возникала на

нескольких турбинах, успешно была применена новая конструкция

опорного вкладыша.

С целью дальнейшего улучшения вибрационного состояния тур-

бин на ЛМЗ был создан специальный вакуумный стенд для баланси-

ровки роторов на рабочей частоте вращения. На стенде было использо-

вано оборудование фирмы «Шенк» (ФРГ). Балансировка роторов тур-

бин К-300-240 на стенде существенно улучшила вибрационное состоя-

ние турбин: новые турбины стали вводиться в эксплуатацию без до-

полнительных балансировок валопровода.

В настоящее время вибрация всех турбоагрегатов К-300-240, на-

ходящихся в эксплуатации, не превышает установленных норм, а за-

частую уровень этой вибрации можно считать незначительным.

351

Всесоюзным теплотехническим институтом был проведен ком-

плекс динамических исследований турбины К-300-240 ЛМЗ, во время

которого были поставлены специальные эксперименты по изучению

влияния режимов турбины на поведение масляного клина опорных

подшипников. С этой целью во время испытаний производилось изме-

рение давления в масляном клине датчиками давления с регистратора-

ми, соединенными с масляным клином с помощью импульсных линий

и сверлении в опорных вкладышах каждого подшипника турбины. Од-

новременно проводилось измерение положения линии валопровода и

положения его опор, включая тепловые деформации фундамента и

опор. Во время испытаний были получены распределения давлений в

масляном клине в зависимости от частоты вращения. При этом оказа-

лось, что при частоте вращения ниже 500 мин

-1

на отдельных частотах

наблюдается существенное повышение давления. Стабилизация давле-

ния происходит при 600—700 мин

-1

, а полное выравнивание для каж-

дой точки — при 1200 — 1500 мин

-1

В период прогрева и нагружения турбины изменение давления в

масляном клине было связано как с тепловыми деформациями, так и с

нагрузкой. Так, в частности, было установлено, что колебания активной

нагрузки вызывают синхронные изменения давления в масляном клине.

Прогрев турбоагрегата приводит к перераспределению давлений между

опорами и отдельными точками по вкладышу. Неравномерные тепло-

вые деформации турбоагрегата и, в первую очередь, фундамента вызы-

вают перераспределение опорных реакций между подшипниками: уве-

личивается нагрузка на опору II, разгружаются опоры I и III; одновре-

менно происходит перераспределение реакций между опорами IV и V.

Во время испытаний были получены эпюры давлений в масля-

ном клине подшипников как для холодной, так и для прогретой турби-

ны. При этом выяснилось, что изменение условий нагружения подшип-

ников сочетается с изменением положения осей цапф и расточек вкла-

дышей, вызывая их относительные перекосы и перераспределение зон

максимальных давлении по поверхности вкладышей. С помощью гид-

роуровней было получено результирующее положение линии валов

турбоагрегата К-300-240 с учетом эксплуатационной расцентровки.

Осевые усилия. Для определения действительных нагрузок на

упорный подшипник турбин К-300-240 в эксплуатационных условиях

применялись два метода измерения осевых усилий: тензометрический и

с применением магнитоупругих датчиков.

Основу измерения осевых усилий в тензометрическом устройст-

ве составляют проволочные тензометры сопротивления. Наклеенные на

упругие элементы опорного кольца, установленного в упорном под-

шипнике, они изменяют свои показания в зависимости от усилий, пере-

даваемых этому элементу от каждой колодки подшипника. Предвари-

тельная тарировка этих устройств позволяет использовать их в качестве

динамометров осевых усилий.

В магнитоупругих измерительных устройствах в качестве чувст-

вительного элемента применяются специальные датчики, магнитный

поток в которых изменяется в зависимости от механической нагрузки.

Эти устройства более надежны в условиях эксплуатации, чем тензо-

метрические, и более удобны.

Осевые усилия при полной нагрузке, измеренные на одной из

первых турбин, достигали 250 кН в сторону переднего подшипника.

Тогда было решено уменьшить диаметр думмиса, предусмотренного на

роторе ЦСД. После проточки думмиса осевые усилия существенно сни-

зились (рис. 16.3).

Рисунок 16.3. Осевые усилия тур-

бин К-300-240:

1,2-до проточки думмиса и после.

Для сравнения методов измерения магнитно-упругими дат-

чиками и тензометрическими кольцами на одной из турбин измерение

осевых усилий проводились обоими методами. Результаты показали,

что оба метода дают близкие значения измерений.

Испытания подтвердили, что в зависимости от проходных сече-

ний проточной части и состояния зазоров осевые усилия в различных

турбинах одного типа могут значительно отличаться друг от друга.

Существенно изменяются осевые усилия в зависимости от ре-

жима эжекторов. Так, в одной из турбин измерения показали, что при

наборе вакуума и повышении частоты вращения осевое усилие дейст-

вует в сторону ЦСД, затем меняет направление и до включения пита-

тельного турбонасоса действует в сторону ЦВД. Включение в работу

турбонасоса и подключение ПВД вновь приводит к изменению направ-

ления осевого усилия.

Особый интерес представляли измерения осевых усилий при

сбросах электрической нагрузки. Эти измерения при динамических

испытаниях системы регулирования показали, что при сбросах нагруз-

ки усилие в сторону ЦВД возрастает за 0,3—0,4 с. в несколько раз, а

затем—за 1—1,3 с. уменьшается до значений холостого хода.

В целом снижение осевых усилий и ряд конструктивных меро-

приятий по улучшению охлаждения упорных колодок маслом позволи-

ли обеспечить приемлемый уровень температур колодок и надежную

352

353

работу подшипника в длительной эксплуатации на всех турбинах

К-300-240.

Относительные удлинения роторов турбины при изменении

частоты вращения. Во время испытаний и эксплуатации первых тур-

бин К-300-240 было обнаружено быстрое изменение относительных

удлинений РВД и РНД при изменении частоты вращения. С целью вы-

яснения причин этого явления был поставлен ряд экспериментов на

натурных турбинах, во время которых производились измерения абсо-

лютных и относительных удлинений цилиндров и роторов турбины, а

также теплового состояния ЦНД. С тем чтобы исключить влияние тем-

пературного фактора, испытания проводились при постоянном вакуу-

ме.

Во время выбега турбины при ее остановке наблюдались суще-

ственные изменения относительных удлинений РСД и РНД: они увели-

чились соответственно на 1,3 и 3,75 мм. При этом абсолютные осевые

удлинения цилиндров оставались неизменными.

Во время пуска турбины был проведен быстрый набор частоты

вращения от 700 мин

-1

до полной (за 4 мин), с тем, чтобы исключить

влияние температурного фактора. При этом показания датчиков осево-

го сдвига и абсолютных осевых удлинений ЦСД и ЦНД оставались

практически неизменными, а повышение частоты вращения сопровож-

далось относительным укорочением роторов соответственно на 1,2 и

3,7 мм, что близко к соответствующим удлинениям роторов во время

выбега.

Во время одного из опытов (рис. 16.4) после быстрого разгруже-

ния турбины она была остановлена. После выбега и кратковременной

работы на валоповоротном устройстве последовал быстрый набор час-

тоты вращения и выход на холостой ход. Как видно из рис. 16.4, в этом

случае изменения относительных удлинений для соответствующих то-

чек примерно равны и по значению близки к наблюдавшимся в преды-

дущих. Приведенные выше данные об изменении относительных удли-

нений роторов при выбеге или при наборе частоты вращения не могли

быть объяснены температурными факторами, т.е. осевыми температур-

ными деформациями роторов или корпусов. Анализ показал, что в дей-

ствительности быстрые изменения относительных удлинений роторов

при изменении частоты вращения связаны с упругими осевыми дефор-

мациями валов (роторов), вызванных как изменением натяга между

валом и насадными дисками и муфтами, так и действием центробеж-

ных сил самих валов и цельнокованых роторов. Результаты расчетов по

определению упругих осевых деформаций для всех участков валопро-

вода - от упорного подшипника до места, где установлены датчики от-

носительных удлинении, позволили сравнить результаты эксперимен-

тов и расчетов: совпадение расчетных и экспериментальных данных

оказалось вполне удовлетворительным.

Рисунок 16.4. Относительные удлинения роторов

турбины К-300-240 при изменении частоты вращения:

Δl

РВД

, Δl

РСД

, Δl

РНД

-относительные удлинения роторов соответственно

ЦВД, ЦСД и ЦНД; Δос-осевой сдвиг ротора;

1-3-места измерения температуры пара в выхлопе ЦСД

Одновременно были оценены и упругие осевые деформации вала

после горячей посадки дисков. Результаты расчетов проверялись изме-

рением фактических значений упругого удлинения вала РНД турбины

К-300-240 при насадке дисков, муфт и втулок на вал. Приращение дли-

ны вала после насадки на него деталей и остывания определялось как

изменение зазора между торцом вала и шайбой, насаженной на штангу,

проходящую через осевое отверстие вала и закрепленную на другом

его торце. Погрешность измерения оценивалась в 0,02—0,03 мм. Ока-

залось, что удлинения ротора при посадке дисков, полумуфт и втулок

таковы, что их следует учитывать в размерных цепях. При этом была

также подтверждена принятая методика вычисления осевой упругой

деформации вала.

354

355

Упругие изменения длины роторов, возникающие при выбеге и

наборе частоты вращения ввиду их существенных значений необходи-

мо учитывать при разработке пусковых инструкций и в практике экс-

плуатации.

Тензометрирование корпуса ЦВД. На головном образце тур-

бины К-300-240 ЦКТИ и ЛМЗ проводили экспериментальное опреде-

ление напряжения в корпусе и шпильках ЦВД турбины при различных

режимах эксплуатации с помощью разработанных ЦКТИ термостойких

проволочных тензометров сопротивления. Розетки тензодатчиков были

установлены в тех зонах корпуса ЦВД, где ожидались максимальные

напряжения на стенке в зоне паровпуска, на торообразных торцевых

стенках и на верхней образующей. Напряжения измерялись также в

шпильках, расположенных в зоне паровпуска, где ожидались наиболь-

шие перепады температур между фланцем и шпилькой и максимальные

нагрузки от внутреннего давления.

Так как температура корпуса в местах установки тензодатчиков

не превышала 350

С, то для измерения деформаций и напряжений

применялись термостойкие тензодатчики из термообработанной кон-

стантановой проволоки на цементе В-58. Для повышения достоверно-

сти результатов и взаимного контроля в каждой точке измерений кор-

пуса устанавливались розетки термостойких тензодатчиков двух типов

приклеиваемые (на временной бумажной основе) и привариваемые (на

фольговой основе).

Для измерения напряжений в шпильках применялись прикле-

иваемые тензодатчики, которые устанавливались на поверхности шпи-

лек в среднем по высоте сечения в четырех диаметрально противопо-

ложных точках по окружности: по два осевых и по одному окружному

тензодатчику в каждой точке.

Вероятная погрешность измерения напряжений при температу-

рах 280—300

С оценивалась в ± (9,8-12,7) МПа, а при максимальной

рабочей температуре 350

С - ± 17,7 МПа. Каждая розетка тензодатчи-

ков снабжалась термопарой, которая горячим спаем приваривалась к

металлу корпуса с помощью контактной сварки. Показания термопар

использовались для введения температурной поправки по разработан-

ной в ЦКТИ методике.

В процессе оснастки корпуса термостойкими тензодатчиками

был решен целый ряд сложных вопросов сушки цемента, защиты тен-

зодатчиков и выводных концов, предохранения тензодатчиков от меха-

нических повреждений и влаги, схемы измерении и т.д.

Рисунок 16.5. Деформации (а) и напряжения (б) в корпусе ЦВД

турбины К-300-240 при одном из пусков из холодного состояния.

В процессе испытаний были проведены достоверные измерения

деформаций и напряжений при семи пусках турбины из различных те-

пловых состояний, при остывании и при стационарном режиме работы

под нагрузкой. На рис. 16.5 приведены типичные экспериментальные

кривые деформаций и напряжений, полученные при одном из пусков

турбины в пусконаладочный период, откуда видно, что изменение на-

пряжений, измеренных тензодатчиками, соответствует изменению на-

грузок. Так были получены значения напряжений в корпусе турбины

при пусках из холодного и горячего состоянии в местах установки тен-

зодатчиков.

С помощью тензодатчиков, установленных на шпильках, были

замерены напряжения затяжки на монтаже ЦВД турбины К-300-240.

Измеренные напряжения совпадали с ранее проведенными измерения-

ми на турбинах К-200-130 (около 196— 216 МПа). Контроль напряже-

ний в процессе затяжки соседних шпилек разъема позволил выявить

влияние затяжки соседних шпилек на напряжения в ранее затянутой

шпильке. Это снижение достигало 44 МПа.

Благодаря оснащению шпилек осевыми и окружными тензодат-

чиками были измерены температурные напряжения в шпильках, возни-

кающие в процессе их нагрева электрическими карборундовыми нагре-

вателями перед горячей затяжкой. Осевые и окружные температурные

напряжения на поверхности шпилек составляли 98—147 МПа. На

рис. 16.6 представлены изменения напряжений в шпильках горизон-

тального разъема ЦВД в процессе пуска турбины К-300-240 из холод-

ного состояния. Максимальные напряжения в шпильках были по-

лучены либо при максимальных разностях температур между фланца-

ми и шпилькой, либо в момент набора максимальной нагрузки. После

выхода на стационарный режим и выравнивания температурных пере-

падов напряжения в шпильках существенно уменьшаются.

356

В процессе пусков систематически наблюдался изгиб шпилек

относительно оси, параллельной оси турбины. Изгиб отчетливо наблю-

дался по разности показаний тензодатчиков, установленных в диамет-

рально противоположных точках. Наличие изгиба может быть объяс-

нено перепадами температур по ширине фланца и между верхним и

нижним фланцами.

Максимальные значения пусковых напряжений в шпильках на-

блюдались при пусках из холодного состояния при нагрузке 100-

130 МВт и достигали (с учетом изгиба) 118—147 МПа, осевые растяги-

вающие напряжения на нейтральной оси или при отсутствии изгиба

составляли 39—59 МПа. Таким образом, максимальные суммарные

напряжения в шпильках при пусках из холодного состояния, включая

напряжения затяга, от внутреннего давления и температурные в про-

цессе пуска достигали 343 МПа.

Рисунок 16.6. Деформации (а) и напряжения (б) в шпильках

горизонтального разъема ЦВД турбины К-300-240

при одном из пусков из холодного состояния:

1-растяжение при изгибе; 2 и 3-растяжение на нейтральной

оси различных шпилек.

При пусках из горячего состояния напряжения в шпильках были

меньше, что является следствием более равномерных температурных

полей.

Температурное состояние ЦНД. Для изучения теплового со-

стояния корпуса ЦНД турбины К-300-240 была разработана специаль-

ная оснастка в виде различных малоинерционных термопар, позво-

ляющая производить измерение температуры пара и металла, как по

проточной части, так и в других местах ЦНД на всех эксплуатационных

режимах. Схема установки термопар приведена на рис. 16.7. При этом

был получен целый ряд новых данных о работе ЦНД в различных ре-

жимах, в частности при работе на холостом ходу при наличии сбросов

пара от БРОУ в пароприемные устройства конденсаторов.

357

Измерения температур потока по проточной части и на выхлопе

ЦНД при работе на холостом ходу в условиях, когда давление на вы-

хлопе не превышало 16,7 кПа, показало, что независимо от температу-

ры пара перед ЦНД и режима работы до выхода на холостой ход, тем-

пература в выхлопной части не превышала 70° С (рис. 16.8).

Рисунок 16.7. Схема расположения

термопар по проточной части ЦНД

турбины К-300-240 во время испыта-

ний (цифры--номера термопар).

358

В условиях плохого вакуума, когда давление на выхлопе было

больше 16,7 кПа, при работе на холостом ходу наблюдалось быстрое и

существенное повышение температуры пара по всей проточной части

ЦНД. Было установлено, что температура пара на выхлопе практически

определяется только давлением в конденсаторе и слабо зависит от вре-

мени работы при данном давлении.

Рисунок 16.8. Температура пара

по проточной части ЦНД

турбины К-300-240;

1-нагрузка 300 МВт; Рк=6 кПа;

2—холостой ход, Рк=8 кПа;

3-холостой ход, Рк=16,5 кПа

При давлении в конденсаторе до 16,7 кПа не наблюдается суще-

ственной неравномерности температурного поля по радиусу. При более

высоких давлениях эта неравномерность значительна.

Как видно из рис. 16.9 еще при Рк=16,7 кПа (0,17 ат) температу-

ра потока непосредственно за последней ступенью по всей высоте ло-

паток примерно одинакова и близка к температуре насыщения при дан-

ном давлении. При давлении в конденсаторе 20,6 кПа примерно до по-

ловины высоты лопаток эта температура близка к температуре насы-

щения, а выше ее наблюдается резкое увеличение.