Станислав Горобченко - Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике»

Частоты колебаний определяются формой подсоединенных трубопроводов, скоростью звука в рабочей среде. При данном виде неустойчивости могут возбуждаться как продольные, так и радиальные колебания. Волновая неустойчивость оценивается эффектами сверхзвуковых течений, которые могут происходить в области затвора клапана при малых его открытиях. Частотные характеристики колебаний в этом случае формируются нестационарностью различных видов волновых явлений (скачки уплотнений, волны разрежения и сжатия).

Вихревая неустойчивость определяется эффектами вихревых образований и закрутки потока. При движении вихрей с частотами, совпадающими или превышающими в определенной пропорции собственные акустические колебания проточной части, возникают явления резонанса, при котором амплитуда пульсаций давления существенно возрастает. Поскольку течение в клапане и за затвором клапана является закрученным, то могут формироваться совместные колебания и потока, и затвора. Если эта частота совпадает с собственной частотой акустических колебаний, то происходит возбуждение колебаний. Обычно вихревое ядро за затвором клапана формирует низкочастотные колебания давлений большой амплитуды. Резонирующими полостями являются также трубы и патрубки подвода пара к клапану. В целом рождается неустойчивость всей системы – трубопровода подвода пара, самого клапана и последующей регулирующей ступени. При этом каждый компонент реагирует с определенным запаздыванием. Это вызывает зависящие от частоты входящего импульса сдвиг фазы и изменение амплитуды в возмущения.

Для турбин повышенная вибрация клапанов влияет и на вибрации самой турбины, особенно ротора высокого давления. На ротор воздействуют пульсации давления (расхода) водяного пара, расширяющегося в той части, где работает вибронеустойчивый клапан. Из-за повышенной вибрации валопровода турбины повреждаются ее подшипники. Такие режимы возникают при переходных режимах и неполной нагрузке турбоагрегата, а также когда турбина работает в неустойчивом режиме и режиме частых пусков и остановов. Даже в режиме длительной постоянной нагрузки на турбине для потоков пара характерен нестационарный режим течения. Уровень пульсаций для различных частотных спектров может достигать до 1,2-1,7 МПа. Такой уровень пульсаций является причиной сокращения ресурса наиболее слабых элементов парораспределения.

Частота пульсаций давления в регулирующих клапанах турбин также существенно зависит от режима нагрузки турбоагрегата. Тренды частот различны, вплоть до скачкообразных. Стабильность частотных характеристик наблюдается только в установившихся режимах течения при нагрузках, близких к номинальным. Особенно неблагоприятны режимы несения частичных нагрузок при малых степенях открытия затвора регулирующего клапана и не только из-за нестационарности процесса в клапане, но и из-за изменения характеристик потока в котельном агрегате и паропроводе. Т.е. даже при удовлетворительном сопротивлении вибрации клапана амплитуда пульсаций среды за ним может быть высокой. И это не только накопление усталостных эффектов, но и резкие скачки уровня вибрации опор валопровода.

При пусковых режимах пульсации начинаются с момента открытия клапанов. По отношению к уровню давления рабочей среды после клапана их уровень достаточно высок и достигает 15-25% с уровнем до 1,6 МПа. При этом регулирующий клапан в момент открытия генерирует высокочастотные пульсации давления. В зависимости от степени открытия клапана, превалирующие частоты изменяются. И, как правило, с открытием клапана частота пульсаций падает.

В целом уровень пульсаций давления пара после его дросселирования по отношению к давлению может достигать 30% при относительно высоких частотах. Образование пульсаций чувствительно даже к небольшим отклонениям положения штоков клапанов. Пульсации имеют тенденцию к росту при повышении нагрузки и после определенной границы начинают снижаться. Стабильность частоты пульсаций характерна только в условиях установившегося режима эксплуатации ТЭЦ.

Наибольшая степень влияния пульсаций давления в регулирующих клапанах наблюдается на ближайших к ним областях валопровода. При открытии регулирующих клапанов на турбинах происходит скачкообразный рост виброскорости из-за ударного воздействия пара за клапаном при его открытии. При этом изменяется вектор окружной составляющей этой силы. Корреляции всплесков вибрации с определенными частотами возбуждения регулирующих клапанов свидетельствует о начале автоколебаний.

Большие проблемы вызывают т.н. квазистационарные вибрации, рождающиеся из взаимосвязи направленности виброскорости по времени или нагрузке и соответствующих пульсаций в клапанах. Причинами квазистационарной вибрации могут быть и тепловые дисбалансы, режимная и тепловая расцентровка и др. В ряде случаев наблюдается скачкообразный характер изменения параметра интенсивности вибраций, и его повышенный уровень. Существенный вклад должна вносить аэродинамическая нестационарность процесса, влияющая на нестационарный характер колебаний и вибрации турбины. Признаком такой вибрации от процессов в системе парораспределения может служить увеличение вибрации мелкими скачками, неравномерно распределенными по времени. Другим признаком может быть избирательность неравномерности вибрации по частотному диапазону, соответствующему собственным частотам колебаний регулирующих клапанов.

Признаком автоколебательных и акустических явлений в системе парораспределения можно считать богатый спектр высокочастотных составляющих пульсаций. Однако однозначную трактовку дать достаточно трудно. Так, при отрыве затвора от седла могут возникать ударные нагрузки из-за высоких уровней пульсаций давления. Они, в свою очередь, вызовут сложные колебания и вибрацию сопряженных узлов.

Сложно диагностируются акустические эффекты в системе парораспределения. Например, наличие при малых степенях открытия клапана сверхзвуковых течений в области его чаши приводит к возможности формирования акустических резонансов. В большей степени подобные эффекты могут инициировать разного рода отрывы потока, а также поперечные колебания затворов клапанов.

Как показано в исследованиях ЦКТИ, среди таких определяющих факторов влияния на повреждаемость подшипников, как особенности центровки подшипников и линии валопровода, эксплуатационные расцентровки опор под воздействием валопровода и нагрева фундаментов, проблемы тепловых расширений цилиндров и скольжения корпусов подшипников по опорным поверхностям фундаментных рам, фактор влияния вибрационных характеристик системы парораспределения на уровень вибрации ротора турбины является равнозначным.