Содержание к диссертации
Введение
2. Методы и средства исследования расцентровок подшипников турбоагрегатов 19
2.1. Экспериментальные методы определения деформации фундаментов на примере паротурбинной установки Т-150-7.7+ТПФ-160-2 Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга 19
2.2. Деформации фундамента турбоагрегата Т-150-7.7+ТПФ-160-2 Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга 23
2.3. Экспериментальные методы определения деформации опорной части фундамента при изменении эксплуатационных режимов турбоагрегата Т-150-7.7+ТПФ-160-2 Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга 29
3. Метод решения прямой задачи центровки валопровода 39
3.1. Определение силовых и деформационных параметров валопровода модели турбины К-200-130 ЛМЗ 39
3.2. Использование прямой задачи центровки роторов 45
4. Экспериментальные методы определения статических реакций опор валопровода 53
4.1. Определение реакций опор с помощью гидравлических домкратов 53
4.2. Определение силы трения в уплотнении поршня силоизмерительного домкрата 59
4.3. Экспериментальные методы определения опорных нагрузок на стендовой установке ВТИ 66
4.4. Экспериментальные методы определения опорных нагрузок на паротурбинном агрегате Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга 75
5. Решение обратной задачи применительно к стендовой установке ВТИ 78
5.1. Расчетно-экспериментальное определение матрицы жесткости 78
5.2. Применение метода сингулярных разложений 80
5.3. Внедрение технологии центровки валопровода по измеренным реакциям опорных подшипников 89
6. Методы и средства сборки муфтовых соединений роторов турбоагрегатов с помощью гидрофицировашюи техники 92
6.1. Сборка муфт турбоагрегатов с помощью конусных шпилек и втулок и гидравлической вытяжки крепежа 92
6.2. Определение количества конусных шпилек, установленных на конусных втулках и величины вытяжки крепежа на примере турбоагрегата Т-150-7.7+ТПФ-160-2 97
Основные выводы 102
Список литературы 105
- Экспериментальные методы определения деформации фундаментов на примере паротурбинной установки Т-150-7.7+ТПФ-160-2 Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга
- Определение силовых и деформационных параметров валопровода модели турбины К-200-130 ЛМЗ
- Экспериментальные методы определения опорных нагрузок на стендовой установке ВТИ
- Внедрение технологии центровки валопровода по измеренным реакциям опорных подшипников
Введение к работе
Ужесточение норм на вибрацию подшипников повышает требования к качеству изготовления, монтажа и эксплуатации турбоагрегатов на электростанциях.
Одним из важных критериев надежной работы валопроводов турбоагрегатов является сцентрирозанность опорных подшипников относительно линии весового прогиба, связанная с неравномерным перемещением опор при эксплуатации. Известны случаи мгновенно развивающихся аварий на крупных турбинах, связанные с расцентровками линии вала, приводящие к повреждениям шеек роторов и поломке болтов муфтовых соединений.
Проверка состояния центровки подшипников выполняется обычно на остановленной машине с помощью отдельных роторов, что предполагает разборку соединительных муфт и последующую сборку. Это увеличивает время простоя и снижает выработку турбоустановки. В период ремонтов турбин (капитальных или средних), когда производится разборка всех или отдельных цилиндров и выемка роторов, разборка соединительных муфт обязательна, поэтому проверка центровки роторов измерениями их центровки по полумуфтам не представляет затруднений. Однако в период эксплуатации и при решении задач технической и вибрационной диагностики нередко возникает потребность оценки расцентровки подшипников. Разборка муфтовых соединений нежелательна, так как увеличивает время простоя оборудования и нередко ухудшается вибрационное состояние машины из-за увеличения коленчатости и маятника при сборке.
В связи с этим актуальна задача оценки и корректировки расцентровки подшипников без разборки муфтовых соединений вапопровода с помощью расчетно-экспериментальных методов.
Решение задачи центровки без разбора муфтовых соединений предполагает эксперимеЕггальное определение опорных нагрузок каждого подшипника. Необходим алгоритм решения прямой задачи - нахождения опорных реакций по известным перемещениям опор и обратной задачи - определение положения опор по известным значениям опорных реакций. Кроме того, необходимо техническое
6 обеспечение решения обратной задачи, удовлетворяющее требованиям минимальной погрешности. Поскольку сборке муфт роторов всегда сопутствует погрешность, искажающая непрерывность (без излома и коленчатости) линии вала, весьма актуальна задача совершенствования технологии сборки муфт.
Основными этапами работы являлись стендовые исследования в ВТИ на модели турбины К-200-130 ЛМЗ; натурные исследования крупных турбоагрегатов; построение алгоритма и программы расчета для определения центровки валопровода, состоящего из роторов по схеме с одно- и двухопорным опиранием. Программное обеспечение, написанное автором, используется на Калининградской ТЭЦ-2, Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга и на ЛМЗ с приложением для различных типов турбин.
Экспериментальные методы определения деформации фундаментов на примере паротурбинной установки Т-150-7.7+ТПФ-160-2 Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга
Взаимную центровку подшипников при ремонте, как известно [17, 57], производят следующим образом. Ротора устанавливают на регулируемые опоры. Затем определяют зазоры tjj (рис. 1.3, а) между торцами фланцев соединительной муфты (торцевую расцентровку) в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью часовых индикаторов или измерительных щупов, одновременно проворачивая оба ротора, соединенные поводком. Отчет показаний производят в следующих угловых положениях ротора относительно вертикальной плоскости: 0; 90; 180 и 270.
Для наглядности показания вписывают в окружность, условно обозначающую фланец муфты (рис. 1.3, б), размещая записи в соответствующих точках. Обычно производится два-три отсчета, чтобы в ремонтный формуляр внести среднее значения. Если проворачивать только один ротор из двух, к показаниям добавится ошибка, обусловленная неперпендикулярностью поверхности фланца второго ротора относительно оси вращения. При соединениях роторов выбирают такое их взаимное угловое положение, чтобы ошибки проточки фланцев вычитались, уменьшая тем самым возможное увеличение вибрации подшипников при пуске машины.
На следующем этапе определяют радиальную рас центровку, производя измерения rrr4 (рис. 1.3, а) между скобой, прикрепленной к фланцу одного ротора, и внешней образующей фланца второго ротора, так же как и в первом случае, проворачивая оба ротора. Если один ротор не вращать, замер радиальной расцен-тровки будет включать погрешность за счет биения внешней образующей неподвижного фланца второго ротора относительно оси. Результаты измерения записывают на внешней поверхности условной окружности (рис. 1.3, б).
Проверка центровки соседних опор в общем картере по одной разобранной муфте дает результат с высокой погрешностью. Подобное измерение должно выполняться с двумя дополнительно распущенными муфтами - слева и справа от контр олиру емой.
В практике монтажа и ремонта турбоагрегатов взаимное положение осей сопрягаемых роторов (центровка составных роторов) измеряется проверкой центровки роторов по полумуфтам. В каждом случае измерение центровки опор известным способом требует разборки соединительных муфт и последующей их сборки. В период ремонтов турбин (капитальных или средних), когда производится разборка всех или отдельных цилиндров и выемка роторов из цилиндров, разборка соединительных муфт обязательна, поэтому проверка центровки роторов измерениями их центровки по полумуфтам не представляет затруднений. Однако центровку иногда необходимо проверить при текущем или среднем ремонте, когда не предполагается разборка роторов, в связи с повышенной вибрацией роторов и подшипников, повышенной температурой баббитовой заливки подшипников. В отцентрированном валопроводе изгибающий момент и перерезывающая сила в сечении муфты должны быть равны нулю (если нет упреждающей эксплуатационной расцентровки, например, с поправками на вакуум и массу воды в конденсаторе, на температурные перемещения опор и т.п.); реакции опор такого валопровода должны быть равны номинальным реакциям {реакциям отдельных роторов). При упреждающей эксплуатационной расцентровке во время сборки холодной машины перераспределение нагрузок на опоры может быть определено расчётом, так как смещение каждого из подшипников относительно линии весового прогиба вызывает соответствующие перераспределение опорных нагрузок собранного ва-лопровода. Получение зависимости "перемещение-усилие" для различных типов турбоагрегатов сводится к решению так называемых прямой и обратной задач нахождения опорных реакций по известным перемещениям опор и определению положения опор по известным значениям опорных реакций. Обе упомянутые задачи связаны с расчетом валопровода как статически неопределимой многоопорной балки переменного сечения. Решение прямой задачи известно [33, 39, 42, 65]; обычно это решение основано на интегрировании дифференциального уравнения упругой линии многоопорного валопровода в диапазоне от первого до последнего концевого сечения. В общем случае решение как прямой, так и обратной задачи сводится к нахождению матрицы жесткости и решению уравнения: KZ-R-Ru, где К- матрица жесткости; Z - вектор столбец перемещений опор; Нн - вектор столбец номинальных реакций, полученный при разъединенных роторах; R -вектор столбец реакций, вызванных перемещением опор. Матрица жесткости определяется при последовательном подъеме каждой из опор на величину единичного перемещения, например, 1 мм. Однако она является плохо обусловленной, т.е. погрешность при определении реакций приводит к неединственности решения в рамках заданной точности и к большим трудностям в выяснении смысла получаемого приближенного решения [56]. В литературе [16, 33] предлагается решать обратную задачу методом сингулярных разложений, используя вектор минимальной нормы, полученный в соответствии с методом наименьших квадратов. Данное решение лежит близко к поставленной задаче, однако, используемая матрица жесткости получена расчетным способом, соответственно, вносится погрешность заводской разбивки валопровода на участки и жёсткости их на изгиб. Опорные реакции для проверки решения обратной задачи так же найдены расчетным способом по ремонтным формулярам. Однако, фактические веса роторов и, связанные с ними весовые нагрузки на подшипники, как правило, отличаются от расчетных значений [55]. Цель диссертации состоит в решении задачи улучшения качества установки и сборки валопроводов турбоагрегатов; в создании средств, методов диагностики и выдачи объективных рекомендаций по исправлению расцентровок валопроводе в условиях работы турбоагрегата и во время кратковременных остановов, когда не предполагается разбирать муфтовые соединения.
Определение силовых и деформационных параметров валопровода модели турбины К-200-130 ЛМЗ
При выполнении расчета изгибные напряжения в шейках роторов сравнивались с допускаемыми. Согласно ГОСТ 108.020.109 - 82, стр.14 где оговорено, что на-пряжения изгиба в шейках роторов не должны превышать 200 кгс/см .
Призонные болты являются ответственными деталями муфтового соединения роторов. На фланцы полумуфт действует сила предварительной затяжки, вызывающая в стержне болта и детали постоянное усилие затяжки. Во время работы на болты действуют нагрузки, которые могут меняться во времени и определяются внешними усилиями и жесткостью системы. Динамические нагрузки, возникающие в силовой цепи в процессе работы, могут возрастать при ослаблении первоначальной либо недостаточной вытяжки болтового соединения.
При действии на фланцевое соединение изгибающего момента, что происходит при торцевой расцентровке, например, при смещении первой опоры, в болтах к напряжениям от затяжки осевым усилием прибавляются переменные напряжения (п. 6.2) с частотой вращения вала. Производится расчет по переменным напряжениям.
При радиальной расцентровке возрастают напряжения среза, что требует определить запасы прочности при работе болтов на срез (п. 6.2). Поэтому требуется расчет муфтового соединения на прочность и долговечность для определения усилия первоначальной вытяжки призонных болтов при монтаже и оценка прочности болтов при циклических напряжениях.
Программное обеспечение, написанное автором (приложение 3) позволяет определять центровку валопровода по проведенным геодезическим наблюдениям для произвольных типов турбоагрегатов. Составленная программа внедрена в технологический процесс центровки роторов для Калининградской ТЭЦ-2, а также была использована при создании ПГУ-450 для паровой и газовых турбин.
Реакции опор можно определить различными измерительными средствами [17], например, используя крановые динамометры, гидравлические домкраты, либо по значению статического прогиба консолей роторов. Для определения реакций опор в [14] применялись тензометр ические преобразователи силы-умножители сигнала, встраиваемые в установочные подушки, не меняющие жесткость подшипника. С их помощью были определены реальные нагрузки на подшипники при различных условиях работы турбин. Однако подобные подходы не могут быть рекомендованы для широкого использования из-за сложности организации работ и применения измерительной техники, требующей индивидуального изготовления и градуировки.
Более доступны оказались специально разработанные гидравлические домкраты, содержащие гидроцилиндр и поршень, работающие от ручной маслостанции высокого давления. Для определения реакций опор в вертикальной плоскости используется гидравлический домкрат с самоуплотняющимся поршнем и малой площадью петли гистерезиса от сил трения (ТУ ВТИ 35.14-95).
Перед установкой домкрата над валопроводом в зоне опорного подшипника (где измеряется опорная реакция), устанавливают часовой индикатор. Затем выкатывают вкладыш подшипника и устанавливают силоизмерительный домкрат (см. рис. 4.1). С помощью гидрофицированной установки ВТИ (рис. 4.2) и домкрата возвращают шейку ротора в исходное положение (до выкатывания вкладыша подшипника) по значению часового индикатора. - тележка транспортировочная; 7 - обратный клапан; 8 - домкрат; 9 - линия сброса давления
Величина опорного усилия каждого ротора при нулевой расцентровке (номинальные реакции опор) подшипников может быть определена на начальной стадии сборки, когда полумуфты валопровода разъединены. Недостатком этого метода является возможность определения реакций только в вертикальной плоскости. В то время как смещения опор, следовательно и изменение реакций могут происходить как в вертикальной так и в горизонтальной плоскости.
Для решения задачи в двух координатах могут быть использованы два силоиз-мерительных домкрата, которые должны быть установлены непосредственно во вкладыши подшипников, рис. 4.3, и расположены радиально и симметрично по разные стороны от вертикали.
Рабочая жидкость подается к домкратам от гидрофицированной установки В ТИ (собранной по схеме рис. 4.5). Для определения реакций по схеме рис. 4.3 для каждого домкрата строится зависимость "перемещение-усилие" на основании замеров давления в напорной линии над поршнем домкрата и перемещения шейки ротора, отслеживаемой по установленным ранее часовым индикаторам в вертикальной и горизонтальной плоскости.
На действующей электростанции оснащение вкладышей силовыми домкратами возможно только в условиях капитального ремонта, поэтому реакции могут быть определены с помощью фальшь-опор, устанавливаемых вместо нижних половин вкладышей подшипников, рис 4.4.
Перед установкой домкратов над валопроводом в зоне опорного подшипника (по которому измеряются опорные реакции), устанавливают часовые индикаторы в вертикальном и горизонтальном направлении. На фальшь-опору устанавливают домкраты, упирающиеся в шейку ротора. Усилия в домкратах определяются по величине площади поршня и давлению в напорной линии от гидрофицированной установки ВТИ (собранной по схеме рис. 4.5), измеряемого двумя цифровыми манометрами класса 0.3 при поднятии шейки измеряемого подшипника в исходное положение (до выкатывания вкладыша подшипника).
Экспериментальные методы определения опорных нагрузок на стендовой установке ВТИ
Поскольку сборке муфт роторов всегда сопутствует погрешность, искажающая непрерьшность (без излома и коленчатости) линии вала, весьма актуальна задача совершенствования технологии сборки муфт.
Для повышения вибрационной надежности за счёт снижения коленчатости при сборке-разборке муфтовых соединений и сохранения состояния поверхностей расточек отверстий при длительной эксплуатации предложен способ соединения муфтовых соединений с помощью гидравлической вытяжки крепежа (схема ВТИ-ЛМЗ) [24] с внедрением на Северо-Западной ТЭЦ. Подобная технология позволяет существенно уменьшить время простоя и улучшить качество сборки муфт за счёт уменьшения коленчатости и обеспечения её постоянства при последующих сборках-разборках.
Как известно, при извлечении крепежа во время ремонта, либо для выполнения замеров центровки роторов по полумуфтам нередко повреждаются соединительные болты и соответствующие отверстия в полумуфтах. Согласно принятой заводами-изготовителями технологии повреждённый крепёж обычно оставляют в работе временно с последующей расточкой отверстий для восстановления чистоты и прилегания опорных поверхностей и натягов новых болтов в условиях очередного капитального ремонта.
Недостатком подобного решения является уменьшение ресурса ротора, фланцы которого могут выдержать ограниченное число подобных расточек. Известны другие технологии сборки муфт (ЦКТИ, SKF), позволяющие повысить качество сборки муфтовых соединений ротора и сохранить расточки под болты за счёт применения легкосъёмных сменных конусных втулок, насаживаемых на при-зонную часть шпилек. Сборка муфты (кроме ЦКТИ) осуществляется измеряемым усилием вытяжки болтов либо шпилек с помощью гидрофицированной техники. Схема ЦКТИ, предложенная в 1986 году и практикуемая в некоторых случаях энергоремонтным предприятием ООО "ЛЭР - Турбо", г.Санкт-Петербург, предполагает механическую вытяжку конусных шпилек с помощью ударного слесарного инструмента, в результате которой шпильки нагружаются не только осевым, но и закручивающим усилием, что уменьшает запас прочности детали по величине эквивалентного напряжения; при этом при наворачивании гайки с некачественной резьбой крутящий момент может достигать произвольных значений.
По схеме SKF шпильки специальной конструкции из высокопрочной стали вытягиваются мерным усилием с помощью дополнительного внутреннего конусного резьбового соединения, размещённого в хвостовике шпильки. Усилие определяется по величине давления над поршнем гидравлического домкрата. При этом возникает проблема применения в отрасли неосвоенных марок стали. Если применить для крепежа типовые отечественные стали, то соединение с двумя соос-ными (наружной цилиндрической и внутренней конусной) резьбами будут ненадежны при длительной работе из-за высоких концентраторов напряжений. Во всех схемах с применением сменных конусных втулок требуется замена болтов традиционной конструкции на шпильки с конусной призонной частью.
После чистовой расточки первого отверстия в муфте вручную заводится конусная шпилька 6 с конусной втулкой 5 и зазором 0.04-0.05 мм по наружному диаметру. Устанавливается гидравлический домкрат 1 с наружной силовой тягой 3 на шпильке и упорной втулкой 4. С помощью гидравлического домкрата и конусной шпильки запрессовывается конусная втулка до натяга по наружной поверхности втулки, равного 0.02-0.03 мм. Контроль запрессовки осуществляется по факту выборки осевого зазора "5" (контролируется часовым индикатором). Производится монтаж гидравлического домкрата и приспособлений, см. рис. 6.1 б), устанавливается оправка с часовым индикатором 10, после чего выполняется вытяжка шпильки расчетным усилием до номинального значения.
Величина вытяжки шпильки контролируется как через давление над поршнем в гидравлическом домкрате, так и по абсолютному значению деформации болта с помощью часового индикатора. Давление над поршнем в гидравлическом домкрате создается с помощью ручной маслостанции ВТИ (рис. 4.2) и определяется цифровым манометром класса 0.3. Появляющийся осевой зазор "у" от вытяжки шпильки выбирается вручную поворотом корончатой гайки 7 с помощью поводка и корончатого ключа 8; снимается оснастка, корончатая гайка контрится гайкой М42хЗ уменьшенной высоты; валопровод проворачивается на 180, и все операции повторяются, затем на 90 и т.д.
После фиксации муфты четырьмя конусными шпильками производится поочерёдный ремонт расточек под новые стяжные болты, которые устанавливаются вручную и нагружаются расчётным усилием вытяжки с выполнением технологических операций аналогично указанных выше.
Разборка муфтового соединения, собранного при помощи гидравлики, осуществляется в обратной последовательности. Устанавливаются: стопорная втулка, стопорное кольцо, тяга и домкрат. С помощью домкрата смещается шпилька вдоль конусной втулки и снимается радиальный натяг. После освобождения от натяга конусная втулка и болт вручную извлекаются из муфты.
Первоначально осуществление сборки муфт при помощи гидравлики было опробовано на стенде в виде фрагмента муфты РНД-РГ турбины Т-150-7.7 ЛМЗ с внутренним каналом под штатную стяжную шпильку.
Внедрение технологии центровки валопровода по измеренным реакциям опорных подшипников
Исходя из условий прочности определялось допускаемое количество соединений на конусных втулках и штатных болтах с увеличенным радиальным зазором по посадке а также необходимая величина начальной вытяжки болтов и шпилек при передаче крутящего момента от РВД за счёт сил трения на поверхностях фланцевого соединения с запасом на экстремальную величину крутящего момента при коротком замыкании обмоток генератора.
Расчет выполняется методом итераций: задается величина вытяжки шпильки (болта) и определяются запасы прочности по пластическим деформациям. Затяжка болтового соединения вызывает в болтах (шпильках) растягивающие усилия; предварительная затяжка необходима для обеспечения нераскрытия стыка соединения, герметичности и т. п. Совместное действие затяжки и внешних усилий на болт представляет существенный интерес, так как усилие, возникающее при этом в стержне болта, определяет его прочность. Поскольку затяжка производится с помощью осевой вытяжки домкратом, то напряжения кручения в сечении болта не возникают. Напряжения от затяжки и внешней постоянной нагрузке определялось по формуле. Где rs - напряжение, возникающее при затяжке, тР - напряжение при внешней постоянной нагрузки. Определялись запасы прочности по пластическим деформациям. Проверялась прочность муфтового соединения по величине срезывающего усилия на болты (шпильки) при номинальной работе турбоагрегата и в режиме КЗ. При номинальной работе т/а 60-70 % нагрузки от крутящего момента должны восприниматься силой трения. При КЗ выполнялась проверка шпилек, воспринимающих большую часть нагрузки, по условию прочности. Были заданы неблагоприятные условия работы валопровода т/а путем введения торцевых и радиальных расцентровок. Согласно рис. 6.6 максимальное усилие получит шпилька №9. Усилие от изгибающего момента в сечении муфты шпильки №9 легко получить из геометрических зависимостей в соответствии с рис. 6.6. Определяется условие нераскрытия при действии постоянной нагрузки и нагрузки от изгибающего момента. Внешняя переменная нагрузка передает на болт часть своего усилия в соответствии с формулой 6.3. где 09- Усилие от изгибающего момента в сечении муфты шпильки №9, % - коэффициент внешней нагрузки. Коэффициент внешней нагрузки определяется по формуле: Где Хф - податливость фланцев, ЛБ - податливость системы шпильки (болта) Определяются напряжения растяжения от внешней переменной нагрузки в сечении болта, и производится расчет шпилек (болтов) на выносливость. Определяются запасы прочности асимметричного цикла. При неудовлетворении запасов прочности величина вытяжки меняется и расчет повторяется. 1. Применение в энергетике новых прогрессивных конструкций виброизолированных фундаментов не снимает проблемы осадочных деформаций, в особенности в первые годы эксплуатации турбоагрегатов, что подтверждается геодезическими наблюдениями. Упругие опоры, размещённые под верхней плитой фундамента, не компенсируют в полной мере неравномерные осадки нижней плиты и усадку бетона фундамента. Например, обработка результатов геодезических измерений по программе (приложение 3), написанной автором, показала, что линия валопровода турбоагрегата Т-150-7.7+ТПФ-160-2 энергетического блока №1 ПГУ 450 МВт Северо-Западной ТЭЦ г.Санкт-Петербурга подвержена расцен-тровке, связанной с пространственной деформацией верхней фундаментной плиты и смещений статора из-за температурных и эксплуатационных факторов. Названные обстоятельства указывают на актуальность разработки расчетно-экспериментальных методов определения расцентровки валопровода при эксплуатации оборудования, межремонтный период которого может составлять от 5 до 7 лет.
Для снижения временных затрат и уменьшения погрешности сцентрирован-ности линии вала при межремонтном обслуживании турбоагрегатов предложено производить корректировку расцентровки подшипников без разборки муфтовых соединений валопровода. Автором составлена программа численного решения прямой задачи - определение центровки валопровода по проведенным геодезическим наблюдениям и обратной задачи - определение центровки валопровода по значениям опорных реакций (приложения 3,4).
Решение прямой задачи для одно- и двухо порно го опирання роторов осуществлялось методом начальных параметров (для обеспечения точности расчета длинных валопроводов использовался метод сечений). При проверке решения задача решалась методом конечных элементов в программном комплексе "Ansys". Результаты сравнения подтвердили достоверность полученных значений.
