Тарадай Д. В., Комаров В. А., Шуранова Ю. А.

ОАО «ВТИ»

Исследование вибрационных и тепломеханических параметров мощных турбоагрегатов

Непрерывное и устойчивое снабжение потребителей электрической и тепловой энергией в решающей степени определяется надёжной работой турбоагрегатов электростанций. В условиях старения установленного на электростанциях основного оборудования и не всегда возможного проведения его обновления, актуальной является проблема продления индивидуального ресурса турбоагрегатов и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя.

Одним из важных элементов турбоустановки является система роторов с облопаченными дисками, соединенными муфтами в валопровод. При эксплуатации на валопровод действуют сложные системы статических и динамических нагрузок, зависящих от веса роторов, эксплуатационных расцентровок, центробежных сил, динамических характеристик опор, и др. В рабочих лопатках, дисках и валах от совокупных нагрузок возникает сложное напряженное состояние. Кроме того, при пуско-остановочных режимах из-за неравномерных температурных полей в металле деталей валопровода возникают сложные термоциклические напряжения, которые могут превосходить предел текучести материала. Накопление повреждаемости в валопроводе исчерпывает и снижает ресурс турбоустановки, который рассчитывается по нормативной методике с учетом накопления деформации пластичности и ползучести высокотемпературных роторов, преимущественно РВД и РСД. Однако опыт эксплуатации показывает, что в роторах может накапливаться дополнительная повреждаемость, связанная с повышенными уровнями вибрации, чрезмерными эксплуатационными расцентровками, жесткими синхронизациями.

Для анализа влияния нестационарных режимов и повреждений авторами были собраны и формализованы данные тепломеханических и вибрационных параметров более 20 турбоагрегатов мощностью 100-800 МВт.

Оказалось, что проблемы с тепломеханическим и вибрационным состоянием встречаются более чем у 15 % эксплуатируемых турбоагрегатов. Уровень нарушений достаточно различается по степени отклонений от нормативного состояния. Встречаются отклонения по тепломеханическим и вибрационным параметрам. Известны случаи, когда сверхнормативная эксплуатационная расцентровка роторов РНД – РГ была достаточным образом напрямую взаимосвязана с зарождением трещины в роторе низкого давления турбины. Это же относится к нескольким случаям разрушения призонных болтов полумуфт РВД–РСД на турбоагрегатах 300 и 500 МВт. Оказалось, что уровень значительных отклонений эксплуатационных параметров может приводить к накоплению пластических деформаций и снижению остаточного ресурса.

При длительной эксплуатации турбоагрегатов в большей степени с многоопорными валопроводами динамическая система «валопровод–подшипники– фундамент» может изменять свои динамические характеристики: критические частоты изгибных колебаний валопровода, балансировочные чувствительности виброперемещений опор и валопровода от штатных плоскостей коррекции, собственные частоты крутильных колебаний объединенного валопровода. Изменения динамических характеристик может приводить к увеличению накопленных остаточных деформаций пластичности контролируемых и расчетных сечений валопровода при ухудшенных тепломеханических и вибрационных параметрах турбоагрегата. Также возникает необходимость эксплуатационной оценки соответствующих пластических напряжений при крутильных колебаниях сечений валопровода.

Крутильные колебания валопроводов энергетических турбоагрегатов возникают под воздействием переменных крутящих моментов, вызываемых нестационарными динамическими процессами в генераторе, электрических сетях, проточной части турбины при сбросах нагрузки. Наибольшей интенсивности достигают крутильные колебания при возникновении автоколебаний в электромеханической системе «валопровод-генератор-сеть», а также при коротких замыканиях в сети на клеммах генератора. При таких режимах максимальные касательные напряжения в опасных сечениях валопровода могут оказаться близкими к предельно допустимым значениям и, при определенных условиях, привести к повреждению и даже разрушению валопровода [1, 2].

ОАО «ВТИ» выполнил математическое моделирование и численный расчет крутильных колебаний для турбоагрегатов различной мощности. Были разработаны программы расчетов свободных, вынужденных (при гармоническом возбуждении и произвольном нестационарном возмущении) крутильных колебаний на основе методов начальных параметров и разложения по собственным формам.

На основании расчетов вынужденных колебаний при гармоническом возбуждении оценивались амплитуды крутильных колебаний в зависимости от места расположения и уровня гармонического возмущающего момента. Полученные данные позволили сформулировать требования к точности измерений крутильных колебаний.

Кроме того, на турбоагрегате 300 МВт были проведены натурные испытания разрабатываемой автоматизированной системы контроля крутильных колебаний. Измерения колебаний выполнялись по временным интервалам между импульсами, генерируемым датчиком при прохождении мимо него в окружном направлении информационной поверхности, представляющей собой звездочку (зубчатое колесо). Для измерений использовались индукционные датчики и датчики Холла. Анализ экспериментальных данных выполнялся с помощью программ отображения зарегистрированных сигналов, разработанной ВТИ и программы спектрального анализа, реализующей алгоритм быстрого преобразования Фурье. Полученные данные по максимальным касательным напряжениям в валопроводе не превосходили 8 МПа при штатных режимах эксплуатации. Следует отметить, что эти напряжения весьма незначительны и не вызывают опасения при работе машины. Однако при повреждении валопровода или нарушении штатных режимов работы, таких как резкий сброс нагрузки, несинхронное включение и режимы короткого замыкания, возможно значительное возрастание напряжений, что требует непрерывного мониторинга крутильных колебаний.

Проведенные испытания и полученные результаты будут использованы для анализа надежности валопровода турбоагрегата при эксплуатации.

Работа выполняется при поддержке Гранта Президента Российской Федерации МК-6431.2013.8.

Литература:

[1] Загретдинов И. Ш., Костюк А. Г., Трухний А. Д., Должанский П. Р. Разрушение турбоагрегата 300 МВт Каширской ГРЭС: причины, последствия и выводы // Теплоэнергетика, 2004, № 5, с.5-15.

[2] Кистойчев А. В., Недошивина Т. А., Урьев Е. В. О проблеме трещинообразования в низкотемпературных роторах теплофикационных турбин // Электрические станции, 2009, № 1, с.38-41.

[3]. Казовский Е. Я., Рубисов Г. В., Аксенова Л. Я. Влияние крутильных колебаний валопровода турбоагрегата на механическую прочность валопроводов при анормальных условиях // Электротехника, 1986, № 11.

[4] Пронякин В. И. Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла: Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук // Москва, 2010, 290с.

[6] Боришанский К. Н., Григорьев Б. Е., Григорьев С. Ю., Наумов А. В. Особенности вибрационного состояния лопаток и валопровода мощных паровых турбин при переходных режимах работы турбоагрегата // Электрические станции, №2, 2011, с.32-37.