Причины повышенной вибрации.
Наличие или отсутствие вибрации гидроагрегата определяет возможность длительной надежной работы агрегата и является одним из основных качественных показателей его конструкции, технологии изготовления и выполнения монтажных работ. Повышенная вибрация гидроагрегата может привести к аварийному состоянию, понижению к. п. д. и дополнительным потерям энергии. Поэтому, когда вибрация агрегата превышает допустимые величины, должны быть установлены и устранены причины повышенной вибрации.
Причины повышенной вибрации гидроагрегата в зависимости от источника возмущающей силы могут быть разделены на три вида: механические, гидравлические и электрические.
К механическим причинам относятся: небаланс ротора генератора и рабочего колеса турбины; неправильное состояние и положение оси вала гидроагрегата; неполадки в подшипниковых узлах;
слабое крепление опорных деталей агрегата или их недостаточная жесткость;
задевание вращающихся деталей агрегата о неподвижные. Гидравлическими причинами являются: гидравлический небаланс рабочего колеса;
неправильность высотного положения рабочего колеса радиальноосевой турбины относительно направляющего аппарата;
неправильно установленная комбинаторная зависимость в поворотнолопастных турбинах;
работа турбины в кавитационных режимах.
Электрические причины вибрации агрегата заключаются обычно в неравномерности притяжения ротора к статору (электромагнитный небаланс), вызываемой в основном:
неравномерностью воздушного зазора генератора, возбудителя и подвозбудителя;
овальностью формы ротора генератора; замыканием витков обмотки полюсов ротора.
Измерение вибрации гидроагрегата производится в следующих местах:
у вертикальных агрегатов — на нижней и верхней крестовинах в двух горизонтальных взаимно перпендикулярных и вертикальном направлениях, а у турбинного подшипника — только в горизонтальном и вертикальном направлениях, расположенных в одной вертикальной плоскости;
у горизонтальных агрегатов — на всех опорных подшипниках в вертикальном, осевом и поперечном направлениях; у генераторов — на полках корпуса статора;
у всех гидроагрегатов — на полу машинного здания, перекрытиях отсасывающей трубы и других наиболее подверженных вибрации местах.
Одновременно с измерениями вибрации проверяется также бой вала индикаторами в тех же сечениях, что и при центровке агрегата. Измерение вибрации чаще всего осуществляется специальным электродинамическим вибродатчиком с записью величины ее осциллографом. Применяются также тензометрические и механические вибродатчики. Для грубо приближенных измерений вибрации могут быть применены индикаторы.
Определение причин повышенной вибрации, если они не выражены ясно, является очень сложной задачей. В этих случаях необходимо определить источник возмущающей силы, а затем уже устанавливать и устранять причину вибрации.
Устранение механических причин вибрации.
Неправильное состояние и положение оси вала агрегата является следствием излома оси вала или уклона ее и выражается в повышенном бое вала. Устраняется эта причина повышенной вибрации повторной центровкой вала агрегата с доведением результатов центровки до допустимых величии.
Повышение вибрации агрегата может быть вызвано чрезмерными отклонениями зазоров между вкладышами подшипников и валом по периметру. С целью устранения возможности повышения вибрации по этой причине зазоры в подшипниках должны быть установлены нормальными.
В процессе работы гидроагрегата наблюдается ослабление соединений в местах крепления лап верхней крестовины, в соединениях нижней крестовины, в креплениях полюсов ротора генератора, лопастей рабочего колеса поворотнолопастных турбин и др. Вибрация по этой причине выявляется чаще всего после некоторого времени работы агрегата под нагрузкой. Устранение вибрации в таких случаях производится повторным затягиванием болтовых соединений агрегата либо увеличением жесткости конструкции соответствующих деталей.
Задевание вращающихся деталей агрегата о неподвижные может происходить в лабиринтных уплотнениях, крышке турбины и в других местах. Для устранения вибрации по этой причине необходимо установить требуемые зазоры в местах задевания путем перецентровки соответствующих деталей или шлифовки мест задевания.
Одной из частых причин повышенной вибрации является небаланс или неуравновешенность ротора агрегата. Наличие в этом случае в роторе генератора или в рабочем колесе турбины неуравновешенной массы создает при вращении центробежную силу, которая и вызывает вибрацию ротора агрегата. Неуравновешенность ротора агрегата может быть статической и динамической.
Статическая неуравновешенность наблюдается часто у роторов генераторов и рабочих колес гидротурбин, имеющих небольшую высоту (низкооборотные гидроагрегаты), и создается массой Q1 (рис. 11-2,а). Для статического уравновешивания достаточно поместить на одной стороне ротора или рабочего колеса уравновешивающий груз Q2. При этом момент сил относительно оси вращения агрегата должен быть равен нулю
Величина уравновешивающей массы и место ее закрепления определяются при статической балансировке.
Динамическая неуравновешенность ротора генератора (рабочего колеса турбины) приводится к двум неуравновешенным массам, которые создают момент центробежных сил в плоскости, проходящей через ось вращения, в то время как статически ротор уравновешен (рис. 11-2,б).
Неуравновешенные центробежные силы равны:
где ω — угловая скорость вращения;
g — ускорение силы тяжести;
r1 и r2— радиусы приложения масс.
При статической уравновешенности ротора Q1r1 = Q2r2, сила F1 = F2=F, следовательно, момент неуравновешенных центробежных сил равен: M=Fl, где l — плечо пары сил F1 и F2.
Динамическая неуравновешенность может быть у роторов генераторов и рабочих колес, имеющих большую высоту (высокобортные гидроагрегаты). Для динамического уравновешивания необходимо приложить пару сил, момент которых равен по величине и противоположен по знаку моменту от неуравновешенных масс, т. е. следует производить балансировку по двум сторонам ротора. При этом грузы устанавливаются как на верхней, так и на нижней частях ротора.
Рис. 11-2. Виды неуравновешенности гидроагрегата.
а — статическая неуравновешенность ротора генератора; б — динамическая неуравновешенность ротора генератора.
Для уравновешивания ротора гидроагрегата практически достаточно произвести раздельную статическую балансировку рабочего колеса и ротора генератора. Рабочие колеса турбин балансируются на заводе или при монтаже, и дополнительной балансировки их после сборки агрегата обычно не требуется.
Роторы же генераторов на заводе не балансируются. Сборка роторов на монтажной площадке не всегда может обеспечить достаточную уравновешенность массы ротора. Поэтому причиной, вызывающей повышенную вибрацию агрегата, является, как правило, неуравновешенность ротора генератора. Эта неуравновешенность устраняется балансировкой ротора на вращающемся агрегате.
Рис. 11-3. График значений вибраций.
Балансировка вращающегося ротора генератора является очень сложной операцией, требующей от исполнителей не только тщательности выполнения, но и известных навыков. Осуществление такой балансировки может производиться различными способами: способом отметок на валу, последовательным прикреплением пробного груза в трех точках, обходом пробным грузом, графическим способом. В связи с большим количеством существующих способов балансировки ниже кратко рассмотрены только способ балансировки обходным пробным грузом и способ балансировки с помощью электродинамических датчиков вибрации (способ ОРГРЭС).
Балансировка способом обхода пробным грузом осуществляется в следующем порядке [Л. 14]. Ротор по окружности, на которой предполагается крепить балансирующий груз, делится на шесть или восемь равных частей — кратно числу спиц и размечается в натуре. Затем строится график значений вибрации (рис. 11-3), на котором по оси X откладывают в масштабе развернутую длину окружности, а по оси У наносят также в своем масштабе среднюю величину вибрации, замеренной при номинальной скорости вращения. Затем в какой-либо из размеченных точек на роторе закрепляют пробный груз, вес которого должен создавать центробежную силу, составляющую 0,5—2,5% веса ротора генератора [Л. 4], т. е.
где Р0 — пробный груз, кг;
g— ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек2;
R — радиус крепления пробного груза, м;
G — вес ротора генератора, кг;
ω — угловая скорость, 1/сек.
Подставив в это равенство значение ω=πп/30 и преобразовав его, получим:
(11-3)
где n — скорость вращения, об/мин.
При этом меньшее значение коэффициента следует принимать для генераторов со скоростью вращения до 100 об/мин, а большее —для генератора со скоростью вращения 500 об/мин.
После пуска гидроагрегатов при нормальной скорости вращения замеряется вибрация и среднее значение ее в масштабе наносится на график в виде прямой 1. Затем груз последовательно переносится в соседние сечения с замером вибрации в каждом сечении. Нанеся все замеренные величины максимальной вибрации на график, получим кривую 2, определяющую максимальные вибрации гидроагрегата при различных положениях пробного груза в случае, когда ои меньше небаланса ротора. Если замеры вибрации выполнены правильно, то величины амплитуд а1а2 и б1б2 будут равны между собой.
Из рассмотрения полученной кривой видно, что вибрации имеют наименьшее значение в точке а1 расположенной между сечениями 2 и 3 и определяющей необходимое место установки балансирующего груза. Величина же балансирующего груза вследствие пропорциональности его величине вибрации будет равна:
(11-4)
где а1а2 и б1б2— амплитуды, определяющие соответствующие вибрации, мм.
В случае, когда пробный груз больше небаланса ротора, на графике получится кривая 3, по которой и следует определять величину балансирующего груза, равную
(11-5)
Вследствие того что наибольшая вибрация находится в точке б3, балансирующий груз необходимо крепить в диаметрально противоположной точке а0. После закрепления балансирующего груза агрегат пускают вновь и производят проверку вибрации.
Балансировка по способу ОРГРЭС [Л. 4] производится с использованием электродинамических датчиков вибрации. Заключается этот способ в одновременной записи на осциллограмме кривой вибрации агрегата и развернутой длины окружности вращающегося ротора, что дает возможность сразу после пуска определить величину вибрации и положение небаланса. Вес балансирующего груза вначале определяется ориентировочно, а при втором пуске уточняется. Такая балансировка позволяет довольно быстро и точно определить положение небаланса и вес балансирующего груза, но выполнение ее требует высококвалифицированного опытного персонала и наличия специальной аппаратуры.
Устранение гидравлических причин вибрации. Гидравлический небаланс рабочего колеса вызывается неравномерностью давления воды на поверхности вращающегося рабочего колеса. Причинами такого небаланса могут быть:
эксцентричная расточка уплотняющих колец на рабочем колесе;
односторонняя обточка обода рабочего колеса при балансировке;
неудачные расположение и форма балансирующего груза;
засорение спиральной камеры или закупорка проходных сечений между лопастями рабочего колеса.
Вибрацию из-за гидравлического небаланса можно несколько уменьшить центровкой рабочего колеса так, чтобы ось его вращения находилась строго в центре камеры, а также изменением формы и места крепления балансирующего груза. Засорение спиральной камеры или закупорка проходных сечений рабочего колеса устраняется очисткой их.
Неправильность высотного положения рабочего колеса относительно направляющего аппарата в радиально-осевых турбинах приводит к отрыву потока от внутренней поверхности обода рабочего колеса в неравномерности давления перед уплотнениями, что вызывает повышенную вибрацию турбины. Причиной изменения высотного положения рабочего колеса, правильно установленного при монтаже, могут служить прогиб верхней крестовины и температурное удлинение вала. Исследования на ряде станций показывают, что прогиб верхней крестовины при номинальной нагрузке агрегата составляет до 1 мм. Температура вала работающего агрегата может достигать 35° С. Температурное удлинение вала может быть определено по формуле
где а — коэффициент линейного удлинения (для стали а=12·10-6);
l— длина вала, м;
∆t— разность температур вала при монтаже и при работающем агрегате.
Так, если разница в температурах вала при монтаже агрегата и в его работе будет 15° С, а длина вала турбины 6 м, то температурное удлинение вала может быть:
Следовательно, общее опускание рабочего колеса работающего агрегата в этом случае составит около 2 мм. Поэтому при монтаже рабочего колеса высотное положение его должно определяться с учетом прогиба верхней крестовины и температурного удлинения вала.
Неправильно установленная комбинаторная зависимость приводит к ударному входу воды на лопасти работающего колеса, что вызывает повышение вибрации агрегата. Поэтому целесообразно наладку комбинаторной зависимости осуществлять по методу наименьших вибраций, который обеспечивает не только минимальные вибрации турбины, но и ее оптимальную характеристику.
Кавитационные явления в турбинах, помимо разрушающего действия на детали проточного тракта, вызывают также повышенную вибрацию агрегата и удары в отсасывающей трубе. Вибрацию из-за кавитационных явлений можно иногда уменьшить впуском воздуха под рабочее колесо, изменением формы выходных кромок рабочих лопастей либо, другими противокавитационными мероприятиями.
Устранение электрических причин вибрации. Для устранения электромагнитного небаланса генератора, выражающегося в неравномерности магнитного притяжения ротора генератора к статору, необходимо проверить и обеспечить равномерность воздушных зазоров генератора, возбудителя и подвозбудителя. Следует также проверить форму ротора и при обнаружении овальности устранить ее. В случае наличия замыкания соседних витков обмотки полюсов ротора необходимо произвести ремонт полюсов.
