РТМ 108.021.05-82 Турбины паровые стационарные. Методы предотвращения низкочастотной вибрации валопроводов

1.1. Под низкочастотной вибрацией (НЧВ) понимаются самовозбуждающиеся колебания валопровода, частота которых ниже частоты его вращения.

Самовозбуждающиеся колебания возникают в результате действия приложенных к ротору неуравновешенных сил, приводящих к потере устойчивости основного движения оси валопровода - вынужденных колебаний (прецессии) оборотной частоты, вызываемых дисбалансом ротора.

1.2. Существуют две основные причины возникновения низкочастотной вибрации валопровода паротурбинного агрегата:

• неуравновешенные гидродинамические силы в подшипниках;

• неуравновешенные газодинамические (паровые) силы в проточной части турбины.

Влияние этих сил на низкочастотную вибрацию возрастает с уменьшением собственной частоты и массы ротора. В связи с этим критическая частота вращения валопровода , определяемая ротором высокого давления, на работающем агрегате должна удовлетворять соотношению

,

где - рабочая частота вращения.

1.3. Неуравновешенные гидродинамические силы в смазочном слое подшипников могут вызывать низкочастотную вибрацию валопровода при недостаточной статической нагруженности или перекосах опор, неправильно выбранных масляных зазорах, изменении формы расточки вкладыша вследствие повреждения баббитовой заливки и по другим причинам.

Низкочастотная вибрация, вызываемая действием только смазочного слоя ("масляная" НЧВ), может проявляться на любом участке валопровода при всех режимах, включая холостой ход.

1.4. Неуравновешенные паровые силы в проточной части турбины возникают при динамическом отклонении ротора от концентричного положения относительно статора. Они обусловлены окружной неравномерностью усилий на венцах рабочих лопаток и давления в камерах уплотнений. Паровые силы проявляются в основном в цилиндрах высокого давления.

В результате создаваемого при этом возбуждения с ростом расхода пара может возникнуть низкочастотная вибрация валопровода, препятствующая расчетному режиму эксплуатации турбины ("паровая" НЧВ). Появлению "паровой" НЧВ способствуют дестабилизирующие гидродинамические силы в опорных подшипниках. Такие самовозбуждающиеся колебания в наибольшей степени свойственны роторам высокого давления турбин на высокие и сверхкритические параметры пара.

Опыт показывает, что для надежной эксплуатации турбины размах низкочастотной составляющей колебаний опор валопровода должен быть не выше 10 мкм. При более высоком уровне низкочастотной вибрации может разрушаться баббитовая заливка опорных подшипников; кроме того, незначительное увеличение расхода пара способно вызвать интенсивный рост низкочастотных колебаний, требующий срочного разгружения машины.

По месту приложения неуравновешенные паровые силы можно разделить на следующие типы:

"венцовые" силы, возникающие из-за неравномерности окружного усилия на венце рабочих лопаток;

"бандажные" силы, вызываемые неравномерным распределением давления по окружности бандажного уплотнения;

"диафрагменные" силы, обусловленные неравномерным распределением давления по окружности камер диафрагменного уплотнения;

"лабиринтовые" силы, действующие в концевых и промежуточном уплотнениях, определяемые неравномерным распределением давления по окружности камер этих уплотнений.

1.5. Кроме неуравновешенных паровых сил, оказывающих непосредственное влияние на устойчивость валопровода, в проточной части действуют статические паровые силы, которые косвенно влияют на устойчивость через изменение нагруженности опорных подшипников. Статические паровые силы могут ухудшить устойчивость валопровода из-за нарушения расчетной нагруженности опор.

Статические паровые силы возникают:

• в уплотнениях и на венце рабочих лопаток при статическом неконцентричном расположении ротора относительно статора;

• на регулирующем колесе при несимметричном пропуске пара через сопловой аппарат;

• на венце рабочих лопаток из-за окружной несимметрии теплового перепада на ступень, вызываемой отборами пли выхлопами.

1.6. При проектировании новых турбоагрегатов на высокие и сверхкритические параметры пара рекомендуется выполнять расчет устойчивости валопровода согласно методике НПО ЦКТИ.

2.1. Уменьшение возбуждающего действия неуравновешенных гидродинамических сил в опорных подшипниках с неподвижными рабочими поверхностями (с цилиндрической и эллиптической расточками) может быть достигнуто:

• увеличением удельной нагрузки на подшипник;

• выбором оптимальной конструкции подшипника, формы расточки и величии масляных зазоров;

• рациональной организацией подвода и отвода смазки.

2.2. Для подшипников РВД и РСД рекомендуется эллиптическая (лимонная) форма расточки со сплошными рабочими поверхностями (без выборок) и двусторонним подводом масла. Для слабонагруженных опор предпочтительнее подшипники с качающимися рабочими поверхностями (сегментные).

Масляные зазоры подшипника с эллиптической расточкой при монтаже холодной машины должны соответствовать черт.1, степень эллиптичности принимается в пределах:

,

где - радиальный вертикальный зазор;

- радиальный горизонтальный зазор.

а - эллиптический; б - сегментный (расточка цилиндрическая)

Черт.1

3.1. Для турбин высокого и сверхкритического давления наиболее эффективным методом повышения устойчивости валопровода является снижение уровня неуравновешенных сил в проточной части или создание там стабилизирующих усилий. Традиционные конструкции бандажных уплотнений 1, 2, 3 (табл.1) создают интенсивное паровое возбуждение.

Таблица 1

     
Бандажные уплотнения ЦВД отечественных турбин сверхкритического давления

3.2. Уменьшение парового возбуждения достигается:

• увеличением радиальных и уменьшением осевых зазоров в традиционных конструкциях бандажных уплотнений (см. табл.1);

• использованием специальных конструкций уплотнений, снижающих возбуждающие неуравновешенные силы или создающих стабилизирующий эффект (табл.2).

Таблица 2

     
Бандажные уплотнения, рекомендуемые для повышения устойчивости валопровода

3.3. Опыт показывает, что увеличение радиальных зазоров свыше 3,0 мм практически устраняет возбуждающие силы в традиционных конструкциях уплотнений, однако при этом существенно снижается экономичность турбины. Ввиду этого для снижения возбуждающих сил рекомендуется выполнять радиальные зазоры по верхней границе допусков, а осевые - по нижней.

3.4. Осевые уплотнения 4 и 5 (см. табл.1) и 5 (см. табл.2) снижают уровень парового возбуждения по сравнению с традиционными радиальными уплотнениями, имеющими радиальные зазоры от 1,0 до 2,5 мм; при этом обеспечивается сохранность гребней в условиях длительной эксплуатации. Осевые бандажные уплотнения целесообразно применять в тех случаях, когда радиальные смещения статора относительно ротора превышают 1,5 мм. Конструкции применяемых осевых уплотнений приведены на черт.2.

а - К-800-240 ПО ЛМЗ; К-300-240 ПО ЛМЗ; б - Т-250/300-240 ПО "Турбомоторный завод". Рекомендуемая величина 2Б/А - К >1,5

Черт.2

а - с гребнем на статоре; б - с гребнем на роторе; в - с близко расположенными в осевом направлении статорным и роторным гребнями

Черт.3

Уплотнение 4 (см. табл.2) с подбандажным гребнем создает значительный стабилизирующий эффект, но при этом требуется осевая сдвижка ротора при сборке машины.

а - с гребнями на роторе; б - с гребнями на статоре; в - осевое с "закатанными" в ротор гребнями; г - осевое с точеными на роторе гребнями

Черт.4