Нормы и контроль вибрации турбоагрегатов
Высокочастотная вибрация турбоагрегатов
Высокочастотной называют вибрацию с частотой, вдвое превышающей рабочую частоту вращения ротора. Вибрация двойной оборотной частоты возникает под действием веса ротора при его изгибной анизотропии (рис. 23.1). Пусть ротор не имеет осевой симметрии (рис. 23.1, а). Если в некоторый момент времени сечение с формой эллипса расположено так, что его большая ось расположена вертикально (рис. 23.1, б), то под действием силы веса ротор получает прогиб y1. Если теперь ротор повернуть на 900 (рис. 23.1, в), то сопротивление сечения ротора изгибу уменьшится и под действием того же веса прогиб ротора возрастет до y2. После поворота вновь на 900 прогиб опять уменьшится и т.д. Индикатор перемещений в вертикальной плоскости зафиксирует вибрацию с частотой, превышающей частоту вращения ротора в два раза, поскольку за один оборот ротор совершает два колебания. Такие колебания не связаны с неуравновешенностью ротора и их невозможно устранить балансировкой. При этом эффект от воздействия возникающей периодической силы с частотой 2 w тем больше, чем ближе ее частота к какой-либо из критических частот валопровода.
Рис. 23.1. Действие изгибной анизотропии ротора
Основным источником вибрации двойной оборотной частоты в турбоагрегате является электрический генератор. Он имеет два полюса (две обмотки), расположенные на противоположных сторонах ротора и поэтому сопротивление изгибу различно в разных плоскостях (рис. 23.2). Эта разница может доходить до 30-40% и вибрация при этом весьма интенсивная, особенно при наличии какой-либо из критических частот равной 100 с-1. Для уменьшения вибрации двойной частоты применяют меры, направленные на уменьшение разной жесткости сечения ротора генератора (на большом зубе ротора, где отсутствует обмотка, выполняют продольные пазы и поперечные прорези). Критические частоты, при которых возникают колебания с двойной оборотной частотой, называются критическими частотами второго рода. Отстройка от них осуществляется заводами-изготовителями изменением конструкции опор при отладке головных образцов.
Рис. 23.2. Поперечное сечение ротора
Электрогенератора
Влияние электромагнитных сил и неравномерного нагрева ротора генератора
Появление возбуждающих вибрацию электромагнитных сил связано с асимметрией магнитного поля и дефектами конструкции элементов электрогенератора. Обычно асимметрия магнитного поля возникает из-за витковых замыканий, которые приводят к появлению теплового дисбаланса. Тепловой дисбаланс вызывается тем, что в короткозамкнутых витках тепловыделение практически отсутствует, что приводит к прогибу ротора в сторону, противоположную короткозамкнутым виткам. За исключением редких случаев двойного замыкания на землю, сопровождающегося появлением значительных токов, а также витковых замыканий в роторах с водяным охлаждением, требующих немедленного останова агрегата. Наиболее частые замыкания верхних (наружных) витков обмотки обычно не требуют немедленного устранения неполадок. Вследствие этого значительное количество генераторов ТЭС находится в эксплуатации с подобными дефектами. Влияние витковых замыканий становится заметным уже при 5% асимметрично расположенных короткозамкнутых витков. Согласно действующим нормативам измеренное значение сопротивления обмотки ротора постоянному току при фиксированной температуре точки ротора и окружающей среды не должно отклоняться от номинальных данных более чем на 2%. Влияние электромагнитных сил устанавливается путем сравнения вибрационного состояния агрегата при двух режимах холостого хода – с возбуждением и без возбуждения генератора.
Влияние тепловой нестабильности осуществляется при разогреве ротора генератора до температуры, соответствующей номинальной нагрузке и номинальному току. Характерным проявлением теплового дисбаланса роторов этих электрогенераторов являются резкое возрастание осевых компонентов колебаний опор генератора. Процесс теплового дисбаланса связан с возрастанием первой гармоники колебаний и практически не отражается на высокочастотных колебаниях. Замыкание между витками обмотки ротора может получиться от воздействия влаги, грязи, при монтаже обмотки, а также при перемещении обмотки по пазу. Наиболее сильное воздействие витковых замыканий проявляется в виде теплового прогиба ротора генератора. Возникающие тепловые дисбалансы в несколько раз превышают допустимые механические дисбалансы ротора.