Понятие надежности не может быть исчерпывающе определено каким-либо одним показателем. К числу показателей надежности мы будем относить не только отсутствие повреждений или вынужденных нарушений заданного режима работы, но и такой, как доля времени, которую турбина работает или находится в состоянии готовности к работе. Некоторым показателем является также возможная длительность беспрерывной турбины и длительность работы ее без разборки1 .
Значение качества конструкции б повышении надежности работы паровых турбин очень велико. Конструкция турбины должна не допускать поломок, вызываемых ее несовершенством, и, кроме того, исключать самую возможность неправильных действий обслуживающего персонала, однако часть аварий даже по вине обслуживающего персонала косвенно связана с конструкцией.
С этой точки зрения авария, происшедшая через несколько лет эксплуатации, может иметь основной причиной недостаток конструкции. В качестве примера можно привести имевшие место несколько лет тому назад поломки насадных втулок переднего уплотнения турбин высокого давления ЛМЗ новой тогда конструкции. Такие поломки втулок происходили спустя довольно длительное время после начала эксплуатации. Хотя наступление аварии во многом зависело от внимания обслуживающего персонала, все же основная причина заключалась в конструкции втулок. До получения печального опыта этих аварий было трудно предусмотреть все возможные особенности эксплуатации насадных втулок в турбинах высокого давления, так как в турбинах средних параметров такие втулки работают безупречно2 .
Наибольшее число аварий когда-то приходилось на долю лопаточного аппарата главным образом в связи с вибрацией рабочих лопаток. В настоящее время удельное число таких аварий значительно сократилось и составляет в среднем 10—15%. Это явилось результатом тщательного изучения работы лопаточного аппарата турбин, более правильного его выбора и изготовления, более тщательного контроля при эксплуатации. Даже применение очень высоких параметров пара и больших мощностей не увеличивает числа аварий с повреждением лопаточного аппарата.
Статистика не может дать точной картины распределения случаев аварий или брака в работе между теми или иными узлами и деталями турбин вообще. Преобладание среди учтенного количества турбин того или иного типа, фирмы, их средняя мощность, параметры пара, возраст — все это накладывает свой отпечаток на результаты статистики. Но все же на основании имеющихся данных можно сказать, что в настоящее время в СССР наибольшее число нарушений нормального, заданного режима работы происходит в области регулирования, парораспределения и маслоснабжения (около 40% всех случаев). Эта цифра продолжает увеличиваться, что отражает наличие недостаточно решенных вопросов в этой области и значительное усложнение условий работы в современных турбинах высоких параметров и больших мощностей.
На одном из первых мест по числу аварий находятся подшипники, причем их доля даже несколько растет. Это может быть объяснено постоянным повышением допущенных удельных нагрузок и скоростей, увеличением размеров подшипников и другими причинами. Заметим, что следствием аварии с подшипником, аварии, в сущности легкой, так как он может быть быстро заменен запасным, в большинстве случаев оказываются гораздо более тяжелые «вторичные» повреждения турбины — поломка лопаточного аппарата и уплотнений.
Для несложного и умеренно напряженного («расчетными» силами) такого узла турбины, как привод к регулятору и масляному насосу, имеющаяся относительная аварийность (5—8% от общего числа аварий и брака) должна считаться очень высокой.
Авария, повреждение, делающие невозможной дальнейшую работу турбины или резко снижающие эффективность, ее эксплуатации, могут произойти, если запас прочности в каких-то деталях становится равным или меньше единицы. Это происходит тогда, когда увеличиваются действующие в турбине силы или падают силы сопротивления материала деталей, или то и другое наступает одновременно.
Причинами первого могут быть значительные превышения предельно допустимых параметров (числа оборотов, нагрузки, давлений и т. д.) вследствие неправильных действий персонала, неисправности приборов или неправильной работы автоматических устройств, термических напряжений в деталях, складывающихся с рабочими напряжениями.
Причинами второго (уменьшения сил сопротивления материала деталей) могут явиться усталость материала, крип, концентрация напряжений, приводящая со временем к разрушению детали. Ослаблению сопротивления материала детали способствуют также эрозия, коррозия и механический износ.
Резкое увеличение действующих сил может также получиться от задевания в проточной части, которое вызывается происходящим во время работы изменением взаимного положения вращающихся и неподвижных деталей и часто приводит к повреждениям лопаточного аппарата и уплотнений. Сведение изменений взаимного положения к минимальным величинам, их локализация и обезвреживание должно являться предметом особых забот конструктора при проектировании турбины.
Кроме опасности задеваний изменение взаимного положения влияет и на экономичность турбины.
По ряду обстоятельств в действительности детали могут работать с меньшим запасом прочности, чем это определено расчетом, что способствует возникновению аварий. Такими обстоятельствами, кроме влияния превышения предельных параметров и термических напряжений, могут быть также существенные отклонения действительных прочностных свойств материала деталей от расчетных и отступления от расчетных размеров при изготовлении деталей.
2 В книге Н. К. Бодашкова «Аварии паровых турбин и борьба с ними» (1948 г.) отсутствие защитных втулок на валу приводится даже как пример дефекта конструкции, вызывающего аварии.
Если образцы для испытания были взяты от партии металла, они лишь приблизительно характеризуют материал, давая какие- то средние значения. Для каждой отдельной детали действительные прочностные свойства могут существенно отклоняться. Даже если образец взят непосредственно от детали, то он тоже показывает свойства металла лишь самого образца. В более глубоких слоях детали, например диска, свойства могут резко отличаться. Кроме того, могут остаться необнаруженными некоторые местные пороки материала. Наконец, могут быть допущены и на образцах некоторые отступления от предписанных свойств. Все это может значительно снижать действительный запас прочности по сравнению с расчетным.
Некоторую роль играют отступления от расчетных размеров при изготовлении. При некотором занижении размеров прочность детали в большинстве случаев падает, изменяется вибрационная характеристика. Однако эти отступления в размерах не могут быть велики, и достаточный запас прочности все равно сохраняется.
Если все эти отклонения от расчетных условий не являются существенными, они сразу могут и не привести к аварии. В этом случае большую роль играет фактор времени, влияние которого сказывается через следующие явления: износ, эрозию и коррозию; большие и знакопеременные напряжения, часто превышающие предел текучести, возникающие при пусках, остановках, быстрых изменениях режима работы и приводящие при многократно повторяющемся действии к трещинам; усталость металла; перерождение металла, меняющее его свойства (появление хрупкости, рост зерна, графитизация, снижение декремента затухания и т. д.); ползучесть материала.
Ниже приводится по основным узлам турбины предварительный обзор наиболее частых и типичных повреждений и других характерных проявлений недостаточной надежности турбины, исключение которых при конструировании имеет важное значение.
Облопачивание. Попадание постороннего тела может вызвать как легкое повреждение лопаток, так и полное разрушение всего лопаточного аппарата. Таким «посторонним телом» можно считать и воду, попадающую в проточную часть турбины при нарушении нормального питания котла. Разрушения в таких случаях обычно бывают очень тяжелые, особенно если гидравлическим ударом поврежден также и упорный подшипник. Сколько-нибудь надежной защиты турбины от гидравлического удара пока нет. Основные меры должны приниматься в котельной, чтобы не допустить попадания воды в паропровод.1
Хорошей защитой от попадания посторонних тел в турбину можно считать установку сита непосредственно перед соплами. К сожалению, такая установка сита затруднительна. Легче выполнима и вполне целесообразна установка сит перед или лучше за регулирующими клапанами. Менее удачна, но наиболее часто применяется установка сита перед стопорным клапаном.
Мерой предупреждения против попадания посторонних предметов можно также считать исключение труднодоступных камер и других мест, которые не могут быть очищены и осмотрены перед пуском турбины. Особенно опасны в этом отношении пароперепускные трубы от отдельно стоящего стопорного клапана, так как они являются естественной ловушкой для всех тяжелых посторонних предметов, могущих попасть в паровой тракт.
Задевания в проточной части вызывают повреждения, сходные с повреждениями от попадания посторонних тел. Причиной задевания может быть выплавление упорного или опорного подшипника или недопустимое изменение взаимного положения ротора и статора.
Изменение взаимного положения, особенно при неустановившемся режиме, является главным образом следствием конструктивных особенностей турбины. Различные ограничения режима эксплуатации турбины лишь в какой-то мере смягчают неблагоприятные свойства турбины, уменьшают опасность появления в ней. недопустимо больших относительных смещений. Конструкция турбины обладает большим достоинством, если изменения взаимного положения ротора и статора при любых возможных режимах работы турбины будут для нее безопасны.
Для предотвращения задевания деталей статора за ротор вследствие деформаций турбины во время ее работы назначаются достаточно большие зазоры. Вообще, чем больше зазоры, тем меньше опасность задеваний, тем турбина надежнее.
Вибрационные поломки рабочих лопаток всегда угрожают разрушением последующих ступеней от попадания в них обломков лопаток аварийной ступени. Вопросы вибрации лопаток достаточно изучены, чтобы предупредить опасность вибрационных разрушений.
Однако поломки вследствие вибрации все же бывают и вызываются зачастую причинами, которые не могли быть учтены в расчете. Ими могут быть, например, чрезмерные отклонения в размерах, допущенные при изготовлении предыдущей, а иногда и последующей диафрагм. Вообще, конструкция и выполнение предшествующей диафрагмы сильно влияют на вибрационную надежность последующей ступени. Вопросы конструкции и выполнения здесь тесно переплетаются.
Бандажная проволока, припаиваемая к лопаткам, является весьма слабым звеном и часто вызывает аварии. Причинами вибрационного разрушения лопаток после их длительной безаварийной работы могут быть эрозийный и коррозийный износы, понижение со временем предела усталости и декремента затухания материала, ослабление заделки лопаток в диске, работа на нерасчетной частоте и др.
Поломки рабочих лопаток по другим причинам сравнительно немногочисленны. Сюда можно отнести необнаруженные дефекты материала и изготовления, чрезмерные отклонения числа оборотов, мощности, температуры пара, недопустимое отложение солей и т. д.— все факторы неконструктивного характера.
Валы, диски, цельнокованые роторы. Наиболее часто встречающийся недостаток в работе вала — его прогиб. Прогиб, появляющийся лишь при нагреве, вызывается недостатками материала и изготовления. Прогиб вала, возникающий при задевании его об уплотнения, является следствием нагрева вала в местах задеваний. Прогиб вала по этой причине встречается при эксплуатации чаще всего.
Опасность прогиба вала вследствие задеваний тем больше, чем жестче конструкция уплотнений, чем меньше первоначальный зазор. Она больше у гибких валов малого диаметра, чем у коротких барабанных или сплошных роторов большого диаметра. Защитные втулки на валу и насадные диски почти полностью устраняют опасность остающегося изгиба вала.
Для предотвращения задевания вала об уплотнения необходимы конструктивные меры, сводящие к минимуму изменения взаимного положения ротора и статора во время работы, и назначение радиальных зазоров в уплотнениях в соответствии с возможностями данной конструкции. Предупреждает изгиб вала даже при задеваниях наличие канавок в местах уплотнений и хорошее заострение гребешков уплотнений при упругой установке их в корпусе, а также выполнение гребешков только на валу.
Мерами неконструктивного характера для предупреждения прогиба валов и цельнокованых роторов будут тщательное соблюдение теплового режима при пусках, остановках и остывании; хорошая балансировка ротора; соблюдение тепловых зазоров между насадными дисками; минимальное биение ротора, допущенное при изготовлении; отсутствие изгиба при нагреве и др.
Поломка валов и цельнокованых роторов —явление редкое. Материал для них контролируется очень тщательно, а напряжения в них невелики (кроме, конечно, напряжений в дисках). Причинами поломок могут быть скрытые дефекты материала. Основная же опасность поломок вала заключается в знакопеременных напряжениях, иногда даже сравнительно небольших, например, вследствие перекоса упорного подшипника.
Поломки дисков возможны вследствие их вибрации, дефектов материала, чрезмерных напряжений от посадки и термических напряжений. Непосредственным толчком к аварии может оказаться разгон ротора. Возможно разрушение диска при его соприкосновении с диафрагмой вследствие осевого сдвига ротора или при чрезмерном прогибе диафрагмы.
Вибрация в опасных пределах должна быть предупреждена правильным назначением размеров диска. Чрезмерный посадочный натяг может привести к появлению трещины от угла шпоночного паза. Даже при нормально посаженном диске натяг во время работы может стать чрезмерным, если произойдет резкое его охлаждение. Если первоначальный натяг составлял около 0,001 d, то при охлаждении диска относительно вала примерно на 80°С этот натяг удвоится. При натяге, равном 0,001 d, напряжение в диске при тонких ступицах составляет около 1300 кг/см2, да еще надо учесть концентрацию напряжений в шпоночном пазе и возможность его перекоса в валу и в диске.
Другие виды повреждений дисков носят случайный характер, например повреждения при гидравлическом ударе.
Конструктивными мерами предупреждения поломок дисков можно считать увеличение расстояния между дисками и диафрагмами, большие радиусы закруглений у разгрузочных отверстий и в углах шпоночного паза. Часто нежелательно применение шпоночного паза вообще. Должна быть устранена вибрация. Все закругления должны быть тщательно выполнены и отполированы. В эксплуатации следует избегать резкого снижения температур.
Подшипники. К недостаткам опорных подшипников можно отнести их неспокойную работу, появление перекосов во время работы, большую величину всплывания вала в подшипниках. высокий нагрев масла и в аварийных случаях —выплавление баббита.
Неспокойная работа происходит при чрезмерно большом (а иногда и при слишком малом) относительном зазоре между валом и подшипником, при слишком малой удельной нагрузке на подшипник, при перекосах вала относительно вкладыша, при слишком холодном масле, при большой неуравновешенности ротора или эллипсности его шеек. Большинство этих причин неконструктивного характера.
Перекосы, кроме неспокойной работы подшипника, вызывают неравномерное распределение нагрузки по его длине, натиры баббита, увеличенный нагрев масла. Получаются перекосы (если они не были допущены при сборке) вследствие изменения взаимного положения осей вала и подшипника при работе турбины.
Большая величина всплывания вала влечет за собой значительное смещение оси ротора относительно оси статора при работе турбины, что требует увеличения зазоров в уплотнениях.
Высокий нагрев масла объясняется малым его количеством или большой работой трения. Он влечет за собой ускоренное старение масла, уменьшение толщины слоя смазки. Слишком тонкий слой смазки сопровождается резким повышением ее температуры. Тонкий слой смазки обычно получается при перекосах вала в подшипнике. Способствуют нагреву масла высокая температура самого вала, а также недостаточная чистота поверхностей вала и подшипника.
Уменьшение несущей способности упорного подшипника может происходить вследствие биения упорного диска, неравномерного распределения нагрузки между колодками, недостатка масла и образования в нем зон вакуума, из-за неправильной конструкции колодок или недостаточной чистоты обработки рабочих поверхностей. При значительном уменьшении несущей способности или увеличении нагрузки подшипник может расплавиться, что угрожает тяжелыми последствиями для турбины, если осевой сдвиг вала не будет быстро приостановлен.
Равномерность распределения нагрузки между колодками обеспечивается конструктивными мероприятиями или же подгонкой. В последнем случае при изменении режима работы турбины эта равномерность легко нарушается. Причинами увеличения нагрузки во время работы могут быть гидравлический удар, занос солями проточной части, увеличение зазоров в уплотнениях диафрагм, перегрузка турбины, заклинивание подвижной муфты и т. д. Нагрузка может увеличиться и в результате слишком малого осевого разбега вала в подшипнике.
Цилиндры.
Существенные неприятности может причинить прогиб цилиндра вследствие приложения к нему больших внешних сил или возникновения значительных термических напряжений.
С возможностью некоторых прогибов цилиндра всегда надо считаться, так как полностью устранить их нельзя. Для всемерного уменьшения прогибов следует уменьшать внешние силы, действующие на цилиндр, сокращать расстояние между его опорами. Уменьшению изгиба цилиндра от термических напряжений способствуют симметричность его формы, отсутствие значительных утолщений стенок, равномерный прогрев при пуске и остывании при остановке, малая длина и большой диаметр цилиндра, применение двухстенных цилиндров. Конструкция подвода пара к соплам должна сводить к минимуму местные нагревы корпуса.
Коробление цилиндра, в отличие от упругого прогиба, является следствием пластических деформаций. Они наступают в тех случаях и в тех местах, где и когда напряжения превосходят предел текучести. Причинами таких деформаций практически могут быть только термические напряжения. Подобные условия легче всего наступают при высоких давлениях и температуре пара; предел текучести металла при этом невелик, а термические напряжения вследствие толстых стенок и больших разностей температур достигают очень больших величин. В результате коробления цилиндра происходит расцентровка его с ротором, отстают спорные лапы, искажается форма пазов для обойм или диафрагм, возможно нарушение плотности разъема.
Недостаточная плотность фланцевых соединений цилиндра или потеря ими плотности со временем объясняются плохой подгонкой разъемов, низким качеством мастики, недостаточной затяжкой болтов и шпилек, неудачной конструкцией шпилек, короблением цилиндра, а у цилиндров ч. в. д. также релаксацией напряжений материала шпилек. Неплотность разъемов, находящихся под вакуумом, очень часто остается незамеченной.
Потеря разъемом плотности означает утечку пара, нагрев помещения и оборудования, опасность ожогов обслуживающего персонала и требует остановки турбины для его переуплотнения с новой затяжкой шпилек. Время, в течение которого стык сохраняет плотность, определяет продолжительность работы турбины между ремонтами, так как по другим показателям турбина обычно может более длительно работать без ремонта. Неплотность в зоне вакуума означает подсос воздуха, ухудшение вакуума, потерю экономичности турбины.
Диафрагмы.
Диафрагмы работающей турбины всегда нагружены разностью давлений и имеют прогиб, учитываемый при назначении размеров проточной части. Увеличенный прогиб может получиться из-за недостаточной прочности диафрагмы в результате некачественного изготовления, заноса проточной части солями, перегрузки турбины или роста перепада давлений на ступень по другим причинам. Увеличение прогиба, часто кончающееся разрушением диафрагмы, происходит при гидравлическом ударе. Во всех этих случаях диафрагма прогибается по ходу пара.
Прогиб диафрагмы против хода пара может наступить при защемлении ее в цилиндре, препятствующем свободному расширению ее в радиальном направлении.
Смещение диафрагм, имеющих косой разъем, происходит в результате «сползания» верхней половины под влиянием собственного веса, вибрации и сил трения, препятствующих свободному расширению.
Вследствие прогибов возрастают протечки пара через разъем диафрагмы, возникает опасность задеваний диска за диафрагму.
В результате неточности изготовления диафрагмы, с чем всегда приходится считаться ввиду сложности ее геометрической формы и несовершенства применяемых способов изготовления, могут получаться отклонения важных параметров диафрагмы. Особенно сильно влияют на надежность турбины и ее экономичность отклонения по площади прохода пара, шагу и перекрышам. На надежность влияют, например, отступления, вызывающие переменный импульс на рабочие лопатки. На экономичность отступления влияют тем, что степень реакции изменяется по сравнению с выбранной наивыгоднейшей, перекрыши оказываются преувеличенными или заниженными. На практически достижимую точность изготовления диафрагмы главным образом влияет ее конструкция.
Уплотнения.
С точки зрения надежности очень важно поведение той или иной конструкции уплотнения при задеваниях. Уплотнения должны иметь минимальные зазоры. Вследствие неизбежного изменения взаимного положения подвижных и неподвижных частей турбины во время работы всегда возникают задевания их. При этом небольшие задевания в уплотнениях при пуске всегда допускаются и уплотнения частично срабатываются. Однако срабатывание уплотнений при этом должно быть незначительным. Для этого надо, чтобы при стирании гребешков выделялось возможно меньше тепла и чтобы это тепло не вызывало местных нагревов ротора и обоймы уплотнений.
Прочие повреждения уплотнений сводятся к отгибанию паром слишком тонких гребешков и «обсасыванию» их паром, к ослаблению крепления наборных уплотнений, к поломке или ослаблению их пружины. При большом осевом относительном расширении ротора и статора возможны повреждения уплотнений с полным срезом гребешков.
Для предупреждения такого рода поломок следует применять достаточно прочные, но хорошо заостренные гребни с возможно большим шагом и тщательно выполнять заделку наборных гребешков. Вопрос о целесообразности при высокой температуре установки уплотнений на пружинах еще ждет своего разрешения. К материалу таких пружин предъявляются особо высокие требования. К тому же надо учитывать, что на больших оборотах в случае задевания пружины не помогают, и уплотнения ведут себя, как жестко закрепленные. При умеренных и низких температурах работа пружин уплотнений вполне надежна.
Система регулирования. В систему регулирования входит большое число разнообразных устройств, каждое из которых имеет свои слабые места.
Заедание золотников, штоков, поршней может быть следствием их изгиба или коробления их корпусов. Чаще всего заедания вызываются продуктами загрязнения масла. Заедания приводят к увеличению нечувствительности регулирования, качаниям, пульсации золотников и клапанов, замедлению их срабатывания и повышению числа оборотов при сбросе нагрузки.
Для предохранения от заеданий конструкция золотников и их корпусов должна исключать возможность их изгиба. Увеличение зазоров в некоторой степени снижает опасность заеданий, но приводит к повышенным утечкам масла. Основной мерой предотвращения заеданий является соблюдение чистоты и тщательная фильтрация масла.
Вероятность заеданий тем больше, чем больше золотников содержит система регулирования. Засорение малых отверстий может быть следствием загрязнения масла или попадания в них посторонних предметов. Результатом засорения может быть полная разладка системы регулирования. Особенно страдают системы, имеющие большое число малых сливных отверстий — дроссельных, для выпуска воздуха, для вращения золотников, сопел струйных регуляторов и т. д.
Конструктивные меры борьбы с засорениями состоят в устранении по возможности слишком малых сливных отверстий или слишком узких щелей, а также в установке, помимо общей фильтрации масла, сеток непосредственно перед малым отверстием.
Попадание воздуха в систему регулирования часто приводит к сильной, часто недопустимой вибрации всей машины, вызванной пульсацией сервомоторов. Работа турбины в этих случаях становится невозможной.
Причинами попадания воздуха могут быть неплотность всасывающего трубопровода насоса или сильная насыщенность масла пузырьками воздуха; постепенное накопление воздуха в масле может быть вызвано засорением воздушных отверстий. Опасность попадания воздуха возрастает с увеличением давления масла, его расхода и высоты всасывания. В инжекторных схемах опасность подсоса воздуха обычно отсутствует.
Износ шарнирных соединений и кулачков вызывается плохой их смазкой, некачественным изготовлением, применением неподходящих материалов, попаданием пыли. В результате возрастает степень нечувствительности, возможны качания, теряется настройка.
Поломка или постепенное ослабление некоторых пружин вызывают полную разладку работы регулирования. Причинами являются высокие напряжения, некачественный материал, дефекты изготовления.
Конструкция пружины должна исключать возможность таких ее деформаций, при которых напряжения будут недопустимо большими. Это особенно относится к пружинам растяжения, деформация которых ничем не ограничена.
Пружина является деталью, работающей с очень высокими напряжениями. Поэтому чем меньше пружин в системе регулирования, тем оно надежнее. Действие пружины должно быть таково, чтобы ее поломка вызывала не разгон турбины, а, наоборот, сброс нагрузки.
Износ и поломки привода регулятора и насоса от вала турбины — частое явление. Одной из причин таких аварий надо считать недоучет иногда резкого изменения взаимного положения звеньев передаточной пары по сравнению с состоянием сборки; это может приводить к нарушению правильности зацепления и, следовательно, к его быстрому износу. Очень вредна вибрация или пульсация конца вала турбины, на котором находится червяк или ведущая шестерня. Большую роль играет также достаточность количества и правильный подвод масла для смазки зацепления.
Аварии с редукторами занимают не последнее место (5—8%) по отношению к общему числу аварий при эксплуатации турбин. Их последствия могут быть очень тяжелыми, если из-за износа редукторной пары происходит полнее расцепление с остановкой главного масляного насоса.
Меры предупреждения должны сводиться главным образом к стабилизации взаимного положения элементов пар, обеспечивающей ее правильную работу. Важен правильный учет изменения взаимного положения вследствие одностороннего нагрева, отжатия шестерни окружным усилием и от других причин.
Полезно применение упругой связи зубчатого венца шестерни с ее валом; однако это не всегда дает положительный результат, усложняя, вместе с тем, устройство зубчатого колеса. Важен правильный подвод смазки. Часто небольшое изменение угла установки смазочной форсунки вызывает резкие перемены в работе передачи. Не должны допускаться также блуждающие токи.
