Расчет турбины К-200-130

а)

б) 

Рис. 1.2 Примеры спектральных характеристик  пульсаций давления.

а) - РК2 (верхний датчик);б) - РК3 (нижний датчик). 

      Результаты  проведенных исследований показали наличие как высокочастотных (50…1000 Гц), так и низкочастотных (15…25 Гц) пульсации давления с амплитудами, достигающими значений 1,5…1,7 МПа. Такой уровень пульсаций является причиной сокращения ресурсных характеристик наиболее слабых элементов системы парораспределения. Важной следует признать существенную зависимость частоты пульсаций давления в РК от режима по нагрузке турбоагрегата. Отмечены различные формы тренда частот, включая и скачкообразные. Стабильность частотных характеристик наблюдается в установившихся режимах несения номинальной и близкой к номинальной нагрузках энергоблока. Особенно неблагополучны режимы несения частичных нагрузок при малых степенях подъема штока регулирующего клапана. Можно предположить что, обусловленность подобной нестационарности объясняется не только особенностями процессов в регулирующем клапане, но и изменением характеристик парового потока в котельном агрегате и паропроводах. Сюда же следует отнести и влияние на нестационарность неустановившихся режимов по нагрузке турбоагрегата, когда в короткий промежуток времени мощность изменяется на 1…3 МВт. Таким образом при удовлетворительной виброактивности регулирующих клапанов, высокочастотные пульсационные характеристики потока рабочей среды за ними могут иметь повышенные уровни амплитуд. Они проявляются не только неявным образом в процессах накопления усталостных эффектов в элементах системы парораспределения, но и отражаются в форме тренда или резких скачков уровня вибрации опор валопровода турбины.

      Особенности пусковых режимов показаны на основе результатов испытаний, представленных на рис. 1.3, а и б для различных частотных диапазонов. На рис. 1.3, (а) даны спектральные характеристики пульсаций давления по соответствующим частотам в диапазоне нагрузок N от 0 до 20 МВт. На рис. 1.3, (б) представлены аналогичные характеристики для условий частичного открытия клапанов РК1 и РК2 в диапазоне нагрузок от 10 до 50 МВт.

Первая особенность  полученных результатов состоит  в том, что пульсации давления начинаются с момента открытия клапанов (см. рис. 3, а). По отношению к давлению рабочей среды после клапана их уровень достаточно высок (15…25 %), а в частотном диапазоне, соответствующем собственным частотам колебаний разгруженной конструкции клапана (500…600 Гц), пульсации по абсолютному значению достигают уровня 1,6 МПа (см. рис. 3, б). Вторая особенность заключается в генерации РК высокочастотного спектра пульсаций давления. Представленные спектрограммы свидетельствуют о диапазоне частот 275…750 Гц. В качестве третьей особенности можно принять избирательность частот возмущений рабочей среды за открывающимся клапаном в зависимости от степени его открытия. Как правило, с подъемом чаши клапана частота пульсационных характеристик растет. При этом в ряде областей частотного поля отмечаются и обратимые вариации частот. Четвертая особенность отмечает правильность ранее сделанного вывода об аэродинамической связи сопловых коробок по пульсационным характеристикам.

а)

б) 

Рис. 1.3. Примеры спектральных характеристик пульсаций давления в РК2 для условий первого пускового режима энергоблока. 

     Итак, полученные результаты подтверждают известный  факт повышенного уровня виброактивности  регулирующих клапанов в режимах  несения частичных нагрузок турбины, определяемых малой степенью подъема  штоков клапанов. По отношению к давлению пара после его дросселирования уровень пульсаций давления может достигать 30 % при их относительно высоких частотах. В той же мере приведенные особенности проявляются и для режимов останова турбины.

     Пример  графика пульсаций давления для условий длительного несения частичной нагрузки 80…85 МВт, чаще всего устанавливаемой диспетчерским графиком нагрузок для исследованного энергоблока, представлен на рис. 1.4, (а). Такой режим по нагрузке соответствует условиям частичного открытия клапанов РК1 и РК2, обслуживающих верхние сопловые коробки, при закрытых остальных клапанах ЦВД. Полученные обобщенные результаты таких испытаний свидетельствуют о меньшем вкладе низкочастотных составляющих в общий спектр пульсаций. Отмечается высокая чувствительность пульсационных процессов к небольшим отклонениям положения штоков клапанов и избирательность пульсаций по частотам.

     Особенности пульсационных характеристик при  эксплуатации энергоблока с номинальной  нагрузкой 200 МВт анализируются по результатам испытаний, представленным на рис. 4, б. Данная нагрузка обеспечивается работой уже трех регулирующих клапанов. При этом клапан РК3, снабженный датчиком пульсаций давления, находится в условиях частичного открытия. Особенность данного режима – отсутствие значимых пульсаций на частотах 50 и 100 Гц. Преобладающей в РК2 и РК3 оказалась низкочастотная составляющая с 10 Гц при уровне пульсаций около1,5 МПа.

     Главной особенностью переходных режимов при изменении нагрузки энергоблока является тренд частот пульсаций давления. Например, с ростом мощности блока от 80 до 175 МВт частота пульсаций плавно увеличивается от 200 до 275 Гц, а с дальнейшим ростом мощности до 200 МВт частота сокращается до 225 Гц.

     а)

     б) 

     Рис. 1.4. Примеры спектральных характеристик  пульсаций давления в РК2.

     а - при частичной нагрузке энергоблока; б -при номинальной нагрузке энергоблока. 

     Такой же тренд пульсаций давления происходит и в других диапазонах по частоте. Аналогичная картина наблюдается в переходных режимах, определяемых снижением нагрузки энергоблока. При этом тренд частот может быть различной формы: линейной и нелинейной, Z-образной и S-образной. Стабильность частоты пульсаций отмечается только в условиях установившегося режима эксплуатации энергоблока.

     Взаимосвязь вибрационных характеристик элементов  системы парораспределения турбины  и ее валопровода рассматривалась  в работах специалистов ЛМЗ, МЭИ, ЦКТИ, на основе которых получены первичные  результаты анализа этой сложной и малоисследованной проблемы. Исследования вибрационного состояния турбин со сверхкритическими параметрами показали, что повышенная вибрация РВД возникает в диапазоне нагрузок, определяемом малой и средней степенью открытия клапанов, где отмечается их высокая виброактивность.

     Была  выдвинута гипотеза о том, что  данная вибрация формируется от переменных изгибных воздействий на ротор из-за пульсаций расхода рабочей среды  в сегментах сопловой решетки  регулирующей ступени, обслуживаемых  виброактивными клапанами. При этом отмечается высокая повреждаемость радиальных подшипников РВД, определяемая износом баббитовой заливки нижних вкладышей, что нарушало радиальную центровку ротора. Другими словами, в ряду таких определяющих факторов влияния на повреждаемость подшипников, как особенности центровок подшипников и линии валопровода, эксплуатационные расцентровки опор под воздействием трубопроводов и нагрева фундаментов, проблемы тепловых расширений цилиндров и скольжения корпусов подшипников по опорным поверхностям фундаментных рам, фактор влияния вибрационных характеристик системы парораспределения на уровень вибрации ротора турбины является равнозначным.

     Проведенные в данной работе исследования на турбине  докритических параметров позволили  не только расширить статистическую базу результатов взаимосвязи вибраций клапанов и роторов паровых турбин, выявить их общие закономерности, но и установить особенности проявления этих взаимосвязей для данного класса турбин. Например, в турбинах К-200-130 применяются конструкции радиальных подшипников со сплошными вкладышами, которые в отличие от турбин СКД с сегментными подшипниками способствуют более сильному влиянию условий работы системы парораспределения на вибрационное состояние ротора и, в первую очередь, на его низкочастотную вибрацию (НЧВ).

     В качестве единичного примера в данной статье приведены спектральные характеристики вибрации опор ротора высокого давления, полученные при нагрузке турбоагрегата 82 МВт (рис.1.5).

Рис. 1.5. Спектральные характеристики вибрации опор N 1 и 2 РВД при нагрузке Nэ = 82 МВт. 

     Отмечается  полигармонический характер вибрации. В спектрах виброскорости для  представленного частотного диапазона  одной из основных является гармоника  оборотной частоты, которая вносит определяющий вклад в параметр интенсивности вибрации (виброскорость). Наряду с ней существенными следует считать и гармоники ряда других кратностей (например, с частотами 100 и 400 Гц). Частота 400 Гц характерна для опоры N 1 и, скорее всего, отражает ее резонансное возбуждение по собственной частоте в определенном диапазоне нагрузок. В полученных многочисленных спектрах виброскорости присутствует достаточно сложный высокочастотный гармонический спектр, который наиболее характерен для частотного диапазона 350…700 Гц. Данный диапазон связывается с возбуждением от пульсаций давления в системе парораспределения. Предварительная оценка собственных частот колебаний элементов разгруженной конструкции регулирующего клапана (РК2) и неразгруженной конструкции (РК3) дает диапазон частот возбуждения 200…1100 Гц. Иначе говоря, отмечаемый рост общего уровня вибрации в основном обусловлен высокочастотными составляющим, начиная с 50 Гц и более высокими, кратными ей.

     Наибольшая  степень влияния пульсаций давления в РК наблюдается на ближайших  к ним областях валопровода, что реализуется в исследованной турбине на ближайших к органам парораспределения ЦВД опорах. На рис. 6 представлены зависимости изменения суммарной виброскорости опор N 1 и 2 в период испытаний. Наиболее отчетлива связь параметра вибрации опоры с режимом открытия клапана РК3. Скачкообразный характер изменения виброскорости обусловлен ударным воздействием рабочей среды за клапаном при его открытии, выражающемся в изменении вектора окружной составляющей силы, действующей в регулирующей ступени. Тренд виброскорости в горизонтальном направлении для опоры N 2 свидетельствует о появлении дополнительной поперечной составляющей этой силы и ее влиянии на параметр вибрации опоры. Корреляция всплесков вибрации с указанными ранее частотами возбуждения элементов регулирующих клапанов может свидетельствовать о соответствующих формах проявления их автоколебаний.

     В одном из выводов данной работы говорится  о наличии в исследованной  турбине вибрации квазистационарного характера и связь ее с пульсациями  давления в системе парораспределения. Это, прежде всего, взаимосвязь тренда виброскорости по времени (нагрузке) и соответствующего тренда пульсаций давления в РК. Известно также, что причинами квазистационарной вибрации являются тепловой дисбаланс разного происхождения, тепловая

(режимная) расцентровка, электромагнитные возбуждения [12]. Можно отметить и очевидное  присутствие переменных по знаку  изменений интенсивности вибрации  на разных режимах.  

Рис. 1.6. Характер изменения суммарной виброскорости опор N 1 и 2 РВД в вертикальном и поперечном направлениях при росте нагрузки энергоблока от 80 до 167 МВт. 

     В ряде случаев наблюдаются скачкообразный характер изменения параметра интенсивности  вибрации и его повышенный уровень. Это говорит о существенной роли в рассматриваемых процессах аэродинамической нестационарности, которая может определять нестационарный характер вибрации валопровода турбины.

     Следует отметить, что в рамках проведенных  испытаний масштаб изменения  вибрации от такой нестационарности меньше, чем от других источников ее появления (обрывы деталей ротора, проскальзывание элемента опорной системы ротора после заедания). Признаком вибрации от аэродинамической нестационарности в системе парораспределения можно считать увеличение вибрации мелкими скачками, неравномерно распределенными по времени. Другим признаком может служить избирательность неравномерности вибрации по частотному диапазону, соответствующему собственным частотам колебаний регулирующих клапанов.

     Наличие богатого спектра высокочастотных составляющих гармоник можно рассматривать как признак акустических и автоколебательных явлений в системе парораспределения. Принимая во внимание, что механизмы автоколебаний в каждом конкретном случае имеют свои особенности, дать однозначную трактовку этим явлениям для конкретной конструкции клапана и соответствующего режима по нагрузке турбины можно лишь на основе специальных исследований. Например, при отрыве чаши клапана от посадочной поверхности седла могут возникать ударные нагрузки в объеме сопловых коробок из-за высоких уровней пульсаций давления. Они, в свою очередь, вызывают сложногармоническую вибрацию ротора турбины с богатым спектром высоких частот, кратных частоте возмущения. При этом следует выявлять различия в проявлении высокочастотной вибрации от таких дефектов, как коленчатость ротора, ослабления в креплениях опор, износ баббитовой заливки вкладышей подшипников, трещина в роторе и разного рода задевания [12-14]. Особенно сложно диагностировать эффекты акустических явлений в органах парораспределения. Например, наличие при малых степенях открытия клапана сверхзвуковых течений в области его чаши приводит к возможности формирования акустических резонансов в сопловой коробке (с учетом каналов сопловой решетки регулирующей ступени). В большей степени подобные эффекты могут инициировать разного рода отрывы потока, а также поперечные колебания чаш клапанов. Отсюда очевидная и значимая роль пульсаций в формировании разного рода силовых воздействий, как в объеме сопловой коробки, так и через регулирующую ступень на валопровод турбины.