Оценка конструкций паровых турбин - Условия эксплуатации

ЧАСТЬ I
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУКЦИИ ТУРБИН
ГЛАВА 1
УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Одной из главных задач, возникающих при проектировании турбин, является выяснение всех условий, в которых она будет эксплуатироваться. Непременное знание этих условий должно помочь правильному решению вопроса качества конструкции турбины в целом и отдельных ее элементов. Поэтому рассмотрим прежде всего основные условия эксплуатации турбин.
Для паровой турбины, как машины, характерно несоответствие между состоянием ее сборки и рабочим состоянием.
Турбина собирается при комнатной температуре. Детали и их сочленения неподвижны и, как правило, не напряжены или напряжены частично. Температура всего агрегата примерно одинакова. Давление во всей турбине одинаково и равно атмосферному. Турбина заполнена воздухом, между валом и подшипником нет слоя смазки.
В рабочем состоянии температура турбины становится неравномерной. Отдельные ее части будут иметь температуру свежего пара. другие —близкую к комнатной. Детали расширяются, в местах сопряжения деталей с разной температурой возникают дополнительные напряжения и деформации. Различие температур ротора и корпуса явится причиной изменения осевых зазоров в облопачивании и уплотнениях. От изменения температуры изменятся прочностные свойства материалов деталей. При высоких температурах эти изменения будут весьма глубокими.
Во вращающихся деталях под влиянием центробежных сил возникают напряжения, отчего размеры этих деталей меняются. Из-за всплывания вала в подшипниках его ось смещается относительно корпуса; вместе с этим изменяются зазоры в проточной части. Появляются силы, вызываемые небалансом ротора.
Корпус турбины оказывается под давлением (причем разным в разных камерах), что обусловит появление напряжений в стенках цилиндра, обоймах и диафрагмах, увеличение напряжений в болтах. Все это является причиной деформации деталей турбины, которых не было в состоянии сборки, и существенного изменения зазоров, установленных в холодном, ненапряженном состоянии. Несимметричность корпуса относительно оси, неравномерность распределения температур в его поперечных сечениях и по длине, усилия, возникающие при нагревании присоединенных труб, вызывают искривление оси корпуса турбины, что в свою очередь влияет на изменение зазоров в уплотнениях и проточной части, приводит к отставанию опор, к вибрации.
Установившееся тепловое состояние турбины при работе характеризуется, в отличие от равномерно-холодного состояния сборки, большой неравномерностью температурного поля. Оно более или менее симметрично относительно оси турбины, но сильно меняется по ее длине. Это обстоятельство, а также далеко не полная осесимметрия турбины вызывают иногда значительные напряжения и деформации в деталях турбин. Изменение температуры имеет особенное значение из числа меняющихся параметров.
Неустановившееся тепловое состояние у турбины наблюдается при пусках и остановках турбины, при изменении ее нагрузки, при колебаниях параметров свежего пара, давления пара за турбиной или вакуума в конденсаторе, при включении или выключении отборов пара или при изменении величин этих отборов.
Неустановившиеся режимы можно разделить на управляемые и неуправляемые. К первым относятся прогрев при пуске, изменение нагрузки персоналом и другие операции, производимые с заданной скоростью изменения температуры или других параметров. Ко вторым относятся процессы, происходящие, например, при внезапных сбросах или резких увеличениях нагрузки, при аварийных нарушениях режима эксплуатации турбины. Неуправляемые процессы особенно опасны.
При изменениях теплового состояния турбины могут возникать явления, которые будут не только мешать нормальной работе турбины, но и могут вызвать ее поломку. Для уменьшения влияния температурных напряжений при пуске турбины пуск производится медленно при малой скорости изменения ее нагрузки или режима работы. Цель такого пуска —добиться умеренных, допустимых для данной турбины деформаций.
Трудности пуска и опасности, возникающие во время работы на переходных, особенно неуправляемых, режимах, росли вместе с увеличением размеров, мощности турбин и параметров пара. В прошлом пуск не представлял трудностей. Операции пуска в основном сводились к прогреву паропровода и турбины, подъему вакуума, пуску масляного насоса, пуску турбины с дальнейшим прогревом ее при малом числе оборотов. В современных же крупных турбинах эти же операции пуска хотя и сохранились в качестве основных, но содержание их существенно изменилось. Особенно усложнилось проведение прогрева турбины — его приходится вести по возможности при сниженных параметрах пара, тщательно проверяя величину прогрева по многим показателям: относительному удлинению ротора и цилиндра, разности температур цилиндра —вверху и внизу, справа и слева, между стенкой и фланцем, между фланцем и шпилькой. Ускорение пуска возможно только при применении ряда конструктивных мероприятий, направленных на снижение возникающих при пуске температурных напряжений. Очень быстрый пуск достигается путем полного подчинения этому требованию всей конструкции турбины.
Надо подчеркнуть, что пуск —более тяжелый режим для турбины, чем нормальная работа или работа с небольшими отклонениями от установившегося теплового состояния. При пусках, остановках и стоянках турбина изнашивается обычно больше, чем при работе. Именно при пусках чаще всего происходят небольшие задевания в уплотнениях, отчего зазоры остаются увеличенными, происходит полусухое трение в подшипниках, возникают наибольшие температурные напряжения, проходится критическое число оборотов, перегревается выхлопная часть и т. д. При стоянке есть большая опасность ржавления проточной части и шеек вала. Даже специальные меры, принимаемые с целью предохранения от коррозии судовых турбин во время их стоянки, не дают полной защиты от нее.
Сложность конструкции современных турбин и тяжелые условия работы многих их частей заставляют строго ограничивать допустимые и безопасные пределы изменения многих параметров. Так, например, число оборотов турбины не должно отклоняться от номинального больше чем на +1%, давление свежего пара не следует допускать больше 1 05 и меньше 0,9 от номинального, а его температуру выше номинальной на 10° и ниже на 20°С. Разность температур шпилек и фланца не должна превышать 20—25°С, температуру подаваемого к подшипникам масла не рекомендуется иметь выше 45° и ниже 38°C (цифры везде даны средние), вибрация, измеренная на подшипниках, не должна превосходить допускаемой и т. д. Для контроля за некоторыми, наиболее опасными из этих отклонений турбина снабжается регуляторами и автоматически действующей защитой и сигналами, которые сначала предупреждают об отклонении данного параметра от допустимых пределов, а затем отключают турбину, если отклонение соответствующего параметра продолжается.
Несмотря на все это, на практике приходится считаться с некоторыми неизбежными нарушениями установленных значений предельных параметров. Причинами таких нарушений могут быть ошибочные действия обслуживающего персонала, нечеткость работы автоматики и неуправляемые процессы.  Некоторые из этих нарушений крайне опасны для турбины (недопустимая перегрузка, заброс числа оборотов, резкое уменьшение подачи масла к подшипникам и т. д.), однако большинство из них не представляет немедленной опасности. Эта опасность возникает по мере накопления изменений, происходящих в турбине при таких нарушениях режима, каждое из которых немедленной опасности не представляет. Таковы, например, кратковременные превышения температуры свежего пара на 5—10°С сверх предельно допустимой; превышение безопасной скорости прогрева турбины при пуске (со временем может привести к короблению цилиндра и к трещинам); увеличение нагрузки турбины сверх максимально допустимой (растут напряжения в лопатках и диафрагмах, увеличивается прогиб диафрагмы и опасность в дальнейшем их поломки, казалось бы не имеющей видимых причин).
Полностью исключить вредное воздействие небольших или временных отклонений параметров невозможно: для этого пришлось бы изготовлять турбину с большим запасом прочности. Поэтому необходимо, чтобы такое воздействие было минимальным. Способность выдерживать переходные режимы без значительного ухудшения своих показателей должна оцениваться как большое достоинство конструкции турбины.
Таким образом, основным критерием качества конструкции турбины должны служить показатели ее работы при эксплуатации (надежность, долговечность, экономичность, безопасность скорости прогрева, возможность ускоренного пуска и т. д.)
Эти показатели в сочетании с другими подробно разбираются дальше. Главные из них следующие:
а)  надежность и долговечность, определяемые прежде всего конструкцией и качеством изготовления турбины, а также отчасти техническим уровнем эксплуатации;
б)  термическая экономичность, зависящая в первую очередь от начальных и конечных параметров пара, от конструкции турбины и тщательности ее изготовления, в меньшей степени зависит от условий эксплуатации;
в)  стоимость вырабатываемой энергии, определяемая термической экономичностью, ценой турбины, величиной эксплуатационных расходов;
г)   удовлетворение специальных требований, что определяется почти исключительно конструкцией турбины.