Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

МАГНИТНАЯ ВИБРАЦИЯ И СНИЖЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИН

Миндрин В.И. 1 Пачурин Г.В. 1 Ребрушкин М.Н. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
В связи с небывалым развитием техники, ростом нагрузок и скоростей в стационарных установках и транспортных машинах, в настоящее время наблюдается непрерывное ужесточение требований к надежности работы элементов конструкций. Отрицательное влияние вибрации на эксплуатационные свойства деталей машин и металлоконструкций широко освещен в отечественной и зарубежной литературе. Большинство аварий и катастроф на энергетических предприятиях связаны с разрушительным действием вибрации. Данная статья посвящена вопросам магнитной вибрации и безопасности преимущественно паротурбинных агрегатов и электрических генераторов на энергетических предприятиях ТЭЦ, ГРЭС и АЭС. В популярной форме описаны причины технической магнитной вибрации и приведены средства её снижения в источниках возникновения. Кратко изложены негативные последствия вибрации и сделана попытка учета энергии, расходуемой машиной на борьбу с собственной вибрацией и определена величина недоработанной мощности на зажимах генератора. Приведены нормативные значения допустимых вибраций и расцентровок роторов турбин и генераторов в соответствии с действующим в РФ ГОСТ-ами и международными стандартами МЭК ИСО. Сведения, содержащиеся в статье, могут быть полезными широкому кругу работников, связанных с проектированием, эксплуатацией и ремонтом энергетических машин, а также студентам и преподавателям вузов.
магнитная вибрация
способы снижения вибрации
нормы вибрации
роторы турбин и генераторов
1. ГОСТ 25364 – 97 Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации. – М.: Из-во стандартов, 1997.
2. Григорьев Н.В. Вибрация энергетических машин / Н.В. Григорьев. – Л.: Машиностроение, 1974.
3. Загретдинов И.Ш., Котюк А.Г, Трухний А.Д. Разрушение турбоагрегата 300 МВт Каширской ГРЭС: причины, последствия и выводы // Теплоэнергетика. – 2004. – № 5.
4. Миндрин В.И, Вибрация энергетических машин. Технические средства защиты: учеб. Пособие / В.И. Миндрин; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – Н. Новгород, 2011. – 81 с.
5. Пачурин Г.В., Елькин А.Б., Миндрин В.И., Гейко И.В. и др. Основы безопасности жизнедеятельности: учеб. пособие / Г.В. Пачурин [и др.]; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – 2-е изд. Перераб. и доп. – Н. Новгород, 2014. – 269 с.
6. Пачурин Г.В. Долговечность пластически деформированных коррозионно-стойких сталей // Вестник машиностроения. – 2012. – № 7. – С. 65–68.
7. Пачурин Г.В., Галкин В.В., Власов В.А., Меженин Н.А. Усталостное разрушение при разных температурах и долговечность штампованных металлоизделий: монография / Г.В. Пачурин [и др.]; под общей ред. Г.В. Пачурина; НГТУ. – Н. Новгород, 2010. 169 с.
8. Пачурин Г.В. Коррозионная долговечность изделий из деформационно-упрочненных металлов и сплавов: Учебное пособие. – 2-е изд., доп. – СПб.: Издательство «Лань», 2014. – 160 с.
9. Pachurin G.V. Ruggedness of structural material and working life of metal components // Steel in Translation. – 2008. – № 3, Т. 38. – Р. 217–220.
10. Pachurin G. V. Life of Plastically Deformed Corrosion_Resistant Steel // Russian Engineering Research, 2012. –Vol. 32, № 9–10. – P. 661–664.

По мере развития техники все большее число ответственных деталей машин и механизмов работает в сложных эксплуатационных условиях. Многие из этих деталей (роторы генераторов, лопатки турбин и др.) подвергаются действию переменных нагрузок [7, 9]. Их надежность в работе определяется, сопротивлением усталости [8, 9]. Разрушение изделия может произойти под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести, которые являются мерой прочности при статическом нагружении [6, 10].

На энергетических предприятиях большинство аварий и катастроф, связанных, как правило, с человеческими жертвами, также вызваны разрушительным действием вибрации [5]. Так, например, причиной аварии на Каширской ГРЭС в 2002 г. на турбогенераторе ст. № 3 с паровой турбиной К-300-240 и генератором ТВМ-300 послужила высокая продольная вибрация и крутильные колебания в результате разрушения бандажной втулки генератора и короткого замыкания в цепи статора [4]. Произошел разрыв валопровода турбины и генератора в восьми местах. Фрагменты корпусов цилиндров и роторов были заброшены на четырнадцатую отметку и за пределы турбинного цеха. Были полностью разрушены: паровая турбина, конденсатор, электрогенератор, повреждены фундаменты, несущие колонны, возник пожар, обрушилась кровля машинного зала. При этом восстановление последствий от вибрационных неполадок и катастроф на энергетических предприятиях занимает от 30 % и выше времени и затрат в общем балансе ремонтно–восстановительных работ [2]. Решению этой актуальной задачи и посвящен приведенный ниже материал.

Магнитная вибрация электрических машин

Во вращающихся электрических машинах, кроме механических вибраций, вызываемых неуравновешенностью масс и расцентровкой осей вращения роторов, при определенных условиях может возникнуть магнитная вибрация, как правило, оборотной частоты.

Источником магнитной вибрации являются вращающиеся переменные магнитные силы и моменты, действующие в воздушном зазоре между статором и ротором. По направлению эти силы разделяются на радиальные, тангенциальные и аксиальные (осевые).

Магнитная вибрация в электрических машинах возникает из-за возможных коротких замыканий в обмотках статора и ротора, на шинопроводах, в фазных проводниках электропередач, а также от несинхронных включений генераторов в сеть и несимметричных нагрузок потребителей. При коротких замыканиях взаимное притяжение ротора и статора становится неравномерным; при вращении точка наибольшего притяжения, перемещаясь по окружности, изменяет концентричность зазора, что создает магнитную асимметрию и связанную с этим вибрацию. При этом на ротор генератора действует переменный крутящий момент (момент сопротивления), достигающий при двухфазном коротком замыкании 10–12 кратного значения по отношению к номинальному вращающему моменту. Силы, вызываемые магнитной ассиметрией в электрических машинах, приводящие к повышенной вибрации, называются пандеромоторными.

Для исключения магнитной вибрации необходимо выполнять требования соответствующих правил технической эксплуатации электрических машин: поддерживать высокое сопротивление изоляции проводников, качественно выполнять крепление лобовых обмоток ротора бандажными втулками (капами), соблюдать концентричность воздушного зазора между статором и ротором, иметь надежную защиту от коротких замыканий и не допускать несимметричных нагрузок в электрической системе «машина – трансформатор – сеть» [4].

Нормы допускаемых вибраций и расцентровок турбоагрегатов

Работающий турбоагрегат всегда в какой-то степени вибрирует. Поэтому ПТЭ и ГОСТ 25364-97 предусматривают жесткие нормы на допустимый уровень вибрации. Вибрационное состояние турбоагрегата оценивается по наибольшему значению (амплитуде) виброскорости – vm, мм/с в вертикальном, поперечном и осевом направлениях.

Допускаемые значения вибрации [1].

1. Основное значение имеет вибрация оборотной частоты.

2. Длительная эксплуатация турбоагрегатов мощностью 200 МВт и более допускается при вибрации подшипниковых опор vm, не превышающей 2.8 мм/с, что эквивалентно размаху вибрации – двойной амплитуде смещения Am, равной 26 мкм.

3. Для турбогенераторов меньшей мощности с той же частотой вращения 3000 об/м допускается эксплуатация при вибрации подшипников равной 4.5 мм/с или при двойной амплитуде смещения равной 40 мкм.

4. При значениях вибрации mind01.wmf свыше 7.1 до 11.2 мм/с работа агрегата ограничивается до семи суток.

5. При значениях вибрации выше 11,2 мм/с работа машины не допускается – должно произойти автоматическое отключение системой защиты.

6. При низкочастотной вибрации (mind02.wmf) при значениях превышающих 0,5 мм/с, должны приниматься меры по ее устранению. Дальнейшая эксплуатация не разрешается.

7. Приемка в эксплуатацию паровых турбин и электрических генераторов после монтажа допускается при значениях mind03.wmf, не превышающих 2,8 мм/с и 4,5 мм/с после капитальных ремонтов.

Особенностью вибрации, вызванной расцентровками осей вращения многоопорных роторов, является ее местный характер: обычно увеличенная вибрация наблюдается у того корпуса подшипника, вблизи которого расположена муфта сцепления, соединившая роторы с расцентровкой. При этом сильно изнашивается баббитовые заливки вкладышей этого подшипника. Кроме того торцевая (угловая) расцентровка увеличивает осевую составляющую оборотной вибрации машин.

Допустимые значения торцевых (угловых) расцентровок полумуфт, мм, при D = 500 мм

Муфты сцепления

Частота вращения роторов, с-1

До 12,5

25

50

более 50

Жесткие

0,08

0,06

0,04

0,02

Упругие

0,10

0,08

0,06

0,04

зубчатые

0,15

0,12

0,10

0,08

Допустимые значения торцовых (угловых) расцентровок полумуфт в соответствии со СНиП III-Г.10.2-62 приведены в таблице.

При диаметре муфты менее или более 500 мм указанные в таблице допустимые значения должны быть уменьшены или увеличены пропорционально отношению диаметров.

Параллельное смещение осей роторов (радиальная расцентровка полумуфт) должна быть не более 0,08; 0,07; 0,06 и 0,05 мм при частоте вращения роторов до 12,5; 25; 50 и более Гц соответственно [2]. При центровке валопроводов турбомашины необходимо учитывать тепловые расширения корпусов подшипников у разных цилиндров и возможные их проседания, например, от веса охлаждающей воды в конденсаторе паровых турбин. С учетом этих обстоятельств при монтаже ротор сознательно устанавливают с рассчитанными расцентровками для того, чтобы обеспечить центровку при переходе к рабочим условиям.

Отрицательные последствия вибрации машин

При наличии вибрации в колебательной системе агрегата двигатель затрачивает энергию не только на преодоление момента сопротивления приводного механизма Мс (н: тормозного момента на роторе турбогенератора) и момента сопротивления в подшипниках ротора, но и на преодоление неуравновешенной вибрационной силы в многоопорных энергетических машинах. Вибрация тормозит вращение и вибрационная мощность Pвб всегда является тормозящей, т.е. часть полезной мощности двигатель расходует на борьбу с собственной вибрацией. В результате уменьшается активная мощность на зажимах турбогенератора или увеличивается потребляемая мощность на зажимах электрического привода.

Выражение для определения вибрационной мощности отдельного ротора турбоагрегата можно представить в виде:

mind04.wmf (1)

где Fвб – неуравновешенная вибрационная сила, Н;

vm – амплитуда виброскорости опорных подшипников ротора машины, м/с;

mind05.wmf (2)

где m – масса ротора, кг;

2Am – двойная амплитуда смещения опорных подшипников, м;

ω – угловая частота вращения ротора, 1/с, Гц.

Тогда вибрационная мощность, т.е. мощность отбираемая вибрацией от полезной мощности, развиваемой ротором машины, может быть выражена зависимостью.

mind06.wmf (3)

Знак (–) в формуле (5) означает – вибрационная мощность является тормозящей. Если валопровод машины состоит из нескольких роторов, то вибрационную мощность всего агрегата ∆Рвб можно рассматривать как сумму вибраций отдельных роторов.

mind07.wmf (4)

В реальных условиях вибрационная мощность, особенно в агрегатах с повышенной вибрацией, может достигать значительных величин.

Расчеты, выполненные по формулам (1), (2), (3) и (4) показывают, что недовыработанная мощность турбогенератора ТГФ–120 с паровой турбиной Т–100–130 при оборотной частоте вращения n = 3000 об/м (ω = 314 1/с), номинальной амплитуде виброскорости vm = 4,5 мм/с массе роторов ВД, СД, НД, РГ и РВ равной 12, 25, 28, 30 и 2т соответственно, составляет величину 320 кВт, или 0,31 % от номинальной мощности 100 МВт.

Таким образом, работающая с любой нагрузкой паровая турбина Т–100–130 на борьбу с соответственной вибрацией ежемесячно отбирает у генератора ТГФ–120 электрическую энергию в количестве 270 000 кВт часов. Иными словами: вибрация – это своеобразный технический штраф за неуравновешенное состояние и несимметричную конструкцию вращающихся роторов машин величину которого можно оценить как для каждой машины, так и для предприятия в целом. Но, кроме постоянных экономических потерь вибрация, выходящая за рамки допустимого, снижает надежность работы: приводит задеванию и разрушению рабочих лопаток, концевых и диафрагменных уплотнений в проточных частях турбин, вызывает интенсивный износ и разрушение баббитовой заливки в опорных подшипниках, увеличиваются зазоры, нарушается гидродинамика масляного слоя. Ослабляются связи отдельных половин вкладышей и корпусов подшипников, а также фундаментной плиты.

Если фундамент недостаточно гасит передающиеся на него вибрации, то это приводит к неравномерной осадке фундамента, к взаимному перекосу опорных плит и, как следствие, к расцентровке валопровода и прогрессирующему нарастанию вибрации.

В результате интенсивная вибрация снижает экономичность машины, уменьшает КПД агрегата и приводит к затяжным, трудоемким восстановительным работам с динамической балансировкой роторов и ремонтом опорно–упорных подшипниковых опор турбины. На электрических станциях растут удельные затраты на производство электрической и тепловой энергии. Высокая вибрация представляет большую опасность и для электрического генератора, так как она может привести к смещению электрических обмоток, ослаблению концевых бандажных втулок, и, как следствие, к коротким замыканиям, механическим разрушениям и другим негативным последствиям.

При центровке электрических машин с приводным или исполнительным механизмами наиболее ответственным параметром является величина радиального зазора в воздушном пространстве между ротором и статором, концентричность которого может быть изменена на величину не более ± 10 % от расчетного, номинального значения.

В электрическом генераторе недопустимо высокая вибрация может возникнуть из-за несовершенной системы охлаждения, что приводит к тепловому стационарному прогибу ротора турбогенератора.

Особая опасность высокого уровня вибрации – это повышенная пожарная опасность при наличии больших количеств органических масел в системе смазки и регулирования турбоагрегатов, а также в агрегатах, перекачивающих взрывопожароопасные и токсичные продукты.

Вибрация увеличивает шум в производственных помещениях, приводит к трудноизлечимым вибрационным заболеваниям и механическим травмам, возникающих у обслуживающего персонала, особенно при ликвидации трудоемких вибрационных неполадок.

Выводы

Рассмотрена физика возникновения магнитной вибрации турбомашин. Описаны средства снижения вибрации в реальных условиях конкретного вида колебаний.

Перечислены основные негативные последствия повышенной вибрации паровых турбин и электрических генераторов, приводящие к трудоемким и затратным восстановительным работам на энергопредприятиях.

Приведенные формулы для расчета мощности отбираемой машиной на борьбу с собственной вибрацией, позволяют определить количество недовыработанной электрической энергии на энергопредприятии.

Показано, что вибрация основного оборудования турбоагрегатов снижает технико–экономические показатели и постоянно «отсасывает» получаемую прибыль на электрических станциях.


Библиографическая ссылка

Миндрин В.И., Пачурин Г.В., Ребрушкин М.Н. МАГНИТНАЯ ВИБРАЦИЯ И СНИЖЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИН // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 1-1. – С. 47-50;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=34989 (дата обращения: 02.04.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074