Актуальность проблемы. Современное состояние отечественной энергетики требует особого внимания к обеспечению надежности энергетических турбоагрегатов тепловых электростанций, которая в значительной степени определяется их вибрационным состоянием.
Высокий уровень вибрационной надежности турбоагрегатов достигается за счет реализации целого комплекса мероприятий на всех этапах их жизненного цикла. Основы вибрационной надежности закладываются еще на этапе проектирования турбомашин и обеспечиваются достоверностью расчетов, в частности вибрационных характеристик. Однако многие типы турбоагрегатов и в процессе дальнейшей эксплуатации требуют уточнения их характеристик и корректировки на этой основе инструкций по эксплуатации.
На этапе эксплуатации одним из основных средств обеспечения и поддержания надежности на требуемом уровне является диагностика. Поскольку диагностика турбоагрегатов, в большинстве случаев, требует многофакторного анализа и не может быть реализована по простой и однозначной схеме «признак - дефект», то повышение ее эффективности может быть достигнуто только путем обобщения опыта выявления дефектов, анализа механизмов их возникновения и протекающих при этом процессов и явлений. Кроме того, в процессе эксплуатации важнейшей задачей является не только однозначная оценка технического состояния турбоагрегатов на основе анализа их вибрационных характеристик, но и устранение возникающих дефектов при минимальных затратах, что определяет необходимость разработки прогрессивных методов ремонта.
Особого внимания требуют задачи обеспечения надежности стареющего оборудования. В условиях длительной эксплуатации турбин возникают принципиально новые проблемы, связанные с возникновением серьезных повреждений. Одной из них является трещинообразование в низкотемпературных роторах теплофикационных турбин ПТ-135-130, Т-175-130 (УТМЗ). При решении подобных проблем возможности существующих методов и средств вибрационной диагностики и мониторинга часто оказываются недостаточными, и возникает необходимость в разработке и внедрении принципиально новых методов исследований и соответствующих измерительных средств.
Научная идея, объединяющая комплекс работ, выполненных в процессе подготовки настоящей диссертации, состоит в изучении широкого спектра проблем, обобщении результатов расчетных и экспериментальных исследований и решении ряда задач, связанных с обеспечением вибрационной надежности турбоагрегатов на электростанциях.
Цель работы заключается в разработке принципиально новых и совершенствовании существующих методов мониторинга, диагностики и ремонта турбоагрегатов с использованием результатов численного моделирования, экспериментальных исследований и опыта вибрационной наладки и ремонта турбоагрегатов Омской энергосистемы.
Научная новизна работы определяется тем, что:
- впервые поставлен вопрос корректности существующих подходов к построению расчетных моделей сборных роторов и выдвинута гипотеза влияния краевых эффектов узких насадных дисков на повышение собственных частот таких роторов;
- впервые показана и экспериментально подтверждена возможность возникновения дополнительных критических частот системы «ротор - подшипники - опоры» в результате повторной реализации изгибных форм ротора; для объяснения данного эффекта введено понятие «дубль - форм»;
- сформулированы основные принципы и доказана перспективность применения методов вибрационной обработки сборных роторов при решении задач устранения их прогибов, возникающих в процессе ремонта и эксплуатации; разработан и апробирован метод вибрационной обработки роторов с целью обеспечения качественной посадки полумуфт;
- исследованы причины и установлены определяющие факторы возникновения низкочастотной вибрации (НЧВ) на опорах турбин Т-175-130 (УТМЗ); объясняются также причины срыва в НЧВ турбин, имеющих в своей конструкции гибкую соединительную муфту, при появлении некоторых отклонений в ее работе;
- показан механизм термоупругого прогиба высокотемпературного ротора при попадании жидкости в его осевой канал, установлены и обоснованы диагностические признаки возникновения данного дефекта;
- разработаны требования к организации мониторинга крутильных колебаний валопроводов турбоагрегатов в условиях эксплуатации; обоснованы места измерений для валопровода турбины Т-175-130 (УТМЗ) и рекомендован частотный диапазон регистрации параметров;
- разработан прототип штатной системы мониторинга крутильных колебаний валопровода турбоагрегата.
Достоверность и обоснованность результатов работы определяются:
- большим объемом опытных данных, полученных в ходе выполнения виброналадочных работ на различных агрегатах с использованием современной сертифицированной измерительной аппаратуры;
- хорошим совпадением результатов теоретических и расчетных исследований с полученными экспериментальными данными и результатами других авторов.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные автором результаты исследований успешно реализованы (внедрены) в ходе ремонтов и вибрационной наладки турбоагрегатов Омской энергосистемы, а также использованы при организации мониторинга крутильных колебаний валопровода турбоагрегата Т-175-130 (УТМЗ) Омской ТЭЦ-5. Представленные в диссертации результаты могут быть широко использованы как при решении задач обеспечения вибрационной надежности турбоагрегатов на электростанциях, так и при проектировании новых образцов турбомашин.
Личный вклад автора состоит в постановке и выполнении расчетных и экспериментальных исследований, направленных на разработку методов обеспечения вибрационной надежности турбоагрегатов на электростанциях; в разработке и реализации мероприятий по нормализации вибрационного состояния турбоагрегатов Омской энергосистемы и совершенствованию технологии их ремонта; в разработке требований к организации мониторинга крутильных колебаний валопровода турбоагрегата, в непосредственном участии в создании прототипа штатной системы мониторинга; в обработке и анализе полученных результатов.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Результаты расчетно-экспериментальных исследовании изгибных колебаний валопровода турбоагрегата Т-175-130 (УТМЗ) и анализа вибрационных характеристик ротора на упруго-массовых опорах.
2. Результаты разработки и апробации методов вибрационной обработки сборных роторов в процессе их ремонта.
3. Результаты экспериментальных исследований причин низкой устойчивости к срыву в НЧВ некоторых типов турбин.
4. Механизм возникновения термоупругого прогиба высокотемпературного ротора при попадании жидкости в его осевой канал.
5. Результаты расчетных исследований крутильных колебаний валопровода турбоагрегата Т-175-130 (УТМЗ) и отдельные результаты первого этапа опытно-промышленной эксплуатации системы их мониторинга.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на научно-технических семинарах кафедры «Турбины и двигатели» (УрФУ), IV и V Междунар. науч.-техн. совещаниях «Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций» (ОАО «ВТИ», 2007, 2009), 10-й и 11-й Всероссийских науч.-техн. конференциях «Состояние и проблемы измерений» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008, 2011), Междунар. науч.-практ. конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (ОмГТУ, 2011).
Реализация. Результаты работы использовались в ходе ремонтов и при нормализации вибрационного состояния турбоагрегатов на электростанциях Омской энергосистемы (ТЭЦ-3, ТЭЦ-4, ТЭЦ-5), а также при создании прототипа штатной системы мониторинга крутильных колебаний валопровода для турбоагрегата Т-175-130 (УТМЗ) ст. № 4 Омской ТЭЦ-5 (в ЗАО «Уралэнерго-Союз»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 6 статей в реферируемых изданиях по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка использованной литературы, включающего 138 наименований. Работа изложена на 162 страницах, содержит 49 рисунков, 27 таблиц и 4 приложения.
1. Выполнены расчетно-экспериментальные исследования изгибных колебаний валопровода турбоагрегата Т-175-130 (УТМЗ) и установлены ранее неучитываемые факторы, влияющие на результаты расчета критических частот. Выдвинута и расчетно проверена гипотеза о механизме повышения собственных частот сборных роторов за счет ужесточения вала, обусловленного влиянием краевых эффектов узких насадных дисков.
2. В результате численного моделирования и вариантных расчетов доказано и экспериментально подтверждено влияние характеристик упруго-массовых опор на повторную реализацию в динамической системе «ротор - подшипники - опоры» критических частот по идентичным формам изгибных колебаний ротора. Определены причины появления дополнительных критических частот системы «ротор - подшипники - опоры» реальных турбоагрегатов.
3. Сформулированы и обоснованы основные принципы применения методов вибрационной обработки при устранении прогибов сборных роторов в условиях электростанции. Дано теоретическое обоснование методов вибрационной обработки сборных роторов и получены формулы и выражения, необходимые для расчета требуемых динамических нагрузок при проведении вибрационной обработки. Разработан, апробирован и внедрен метод вибрационной обработки роторов с целью обеспечения качественной посадки полумуфт.
4. Проведено исследование причин возникновения НЧВ на опорах турбин Т-175-130 (УТМЗ). Показано, что определяющий фактор потери устойчивости - появление в процессе длительной эксплуатации отклонений в тепловых расширениях. Предложен ряд мероприятий, направленных на обеспечение вибрационной устойчивости данных турбин к срыву в НЧВ.
5. Рассмотрены особенности срыва в НЧВ турбомашин, имеющих в своей конструкции гибкую муфту, и показана определяющая роль в этом механизме отклонений в работе элементов муфты. Введено понятие «поводковая сила», характеризующее дестабилизирующую поперечную силу, возникающую в плоскости гибкой муфты при неравномерности передачи крутящего момента по ее окружности.
6. На основе обобщения практического опыта подробно исследован и показан механизм возникновения термоупругого прогиба высокотемпературного ротора при попадании жидкости в его осевой канал, обеспечивающий надежный и однозначный алгоритм его диагностирования.
7. Полученные результаты расчетных исследований валопровода турбоагрегата Т-175-130 (УТМЗ) подтверждают гипотезу о возможности возникновения трещин в низкотемпературных роторах теплофикационных турбин под действием крутильных колебаний.
8. Разработаны требования к организации мониторинга крутильных колебаний валопровода турбоагрегата. Описан и предложен подход к выбору мест измерений по длине валопровода, а также рекомендованы места установки датчиков для валопровода турбоагрегата Т-175-130 (УТМЗ). Создан и введен в опытную эксплуатацию прототип штатной системы мониторинга крутильных колебаний валопровода турбоагрегата. Получены опытные данные регистрации собственных крутильных колебаний валопровода турбоагрегата в процессе его штатной эксплуатации.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
