Главная / Турбогенераторы / Диагностика уплотнений вала турбогенератора / Диагностика уплотнений вала турбогенератора

Доклад 4.16. на VII Симпозиуме «Электротехника 2010», том 3, 2003 г.

Диагностика уплотнений вала турбогенератора

(перспективы математического моделирования)

Голоднова О.С.,  Максимов М.В.

Отказы уплотнений вала и оборудования газомасляных систем составляют значительную долю причин внеплановых остановов турбогенераторов. Они происходят вследствие нарушений определенных правил и требований при техническом обслуживании и ремонте.  Признаки этих нарушений (далее – дефектов) проявляются в степени и характере  изменений контролируемых параметров. Имеются трудности в идентификации  этих признаков обслуживающим персоналом. Для выявления признаков дефектов разработаны диагностические таблицы  [1, 2]  и алгоритмы анализа значений контролируемых параметров в процессе эксплуатации. Автоматизация этого анализа осуществляется  путем ввода задачи диагностики уплотнений и газомасляной системы в состав задач АСУ ТП.

Опыт внедрения алгоритмов диагностики  уплотнений вала показал актуальность усовершенствования диагностических таблиц и алгоритмов анализа изменений контролируемых параметров уплотнений как за счет расширения состава признаков дефектов, так и за счет использования математических моделей. Далее рассматриваются возможности расширения возможностей диагностирования  при помощи математического моделирования.

Основой многих общепринятых алгоритмов диагностики является сравнение текущего технического состояния машины, определяемого набором текущих значений контролируемых параметров, с исходным (начальным) состоянием,  которое описывается исходными значениями тех же параметров и принимается априори в качестве исправного.

Диагностирование масляных уплотнений в газомасляной системе ба­зируется на сравнении текущих значений измеряемых и расчетных параметров с некоторыми константами. Часть констант – независимые константы – задается непосредственно при вводе алго­ритма в работу и не зависит от индивидуальных особенностей объекта диагностирования (номинальные и предельные значения параметров,  уставки для схем сигнализации и т. п.). Остальные - зависимые (текущие) константы – определя­ются, рассчитываются и запоминаются в процессе работы алгоритма в соответствии с индивидуальными особенностями узла и динамикой изменений технического состояния последнего. В состав этих констант входит набор усредненных параметров, описывающий исходное состояние  узла, признаки состава измеряемых параметров и пр. Для уплотнений вала, как для восстанавливаемых узлов,  описание исходного состояния обновляется после каждого ремонта с разборкой узла.

Принципы выявления различных дефектов уплотнений и оборудования газомасляной системы путем анализа отклонений  текущих значений параметров от исходных основаны на опыте эксплуатации уплот­нений [1, 2]. Детерминированный алгоритм анализа состоит из следующих основных этапов:

-        проверка достоверности измеряемых параметров,

-        выявление предаварийной ситуации по превышению предельно допустимых значений параметров,

-        анализ отклонений текущего состояния узла от исходного состояния  и идентификация дефектов по набору признаков.

Основой  формирования наборов признаков и выявления дефектов является проверка условий нахождения отклонения каждого параметра А от исходного значения  А0 в пределах

- εt А0 < (А - А0) < εt А0

где εt - допустимое относительное отклонение параметра.

Имеется ряд проблем с определением констант, описывающих исходное состояние. Промежуток времени, в течение которого производится  усреднение параметра (сутки, месяц и т.д.), назначается априорно и уточняется в процессе усреднения с минимизацией разброса данных относительно среднего значения. Достаточно часто исходное состояние фактически не является исправным из-за недостатков проведенного ремонта. В некоторых частных случаях  об этом может свидетельствовать выход параметров за пределы допустимых значений, а также  слишком большой  разброс данных относительно среднего значения. Но, вообще говоря, объективные критерии для оценки исправности исходного состояния отсутствуют.

Поэтому целесообразно обосновать такие критерии на основе математической модели  масляного уплотнения вала (аксиального или радиального типа), которая описывается известными уравнениями теории смазки, позволяющими определить расходы и температуры уплотняющего масла по заданным  размерам шейки вала и вкладыша уплотнения, значениям давления и температуры масла на входе в уплотнения, данным о плотности и вязкости масла [3].

Уточнив исходные данные после очередной ревизии узла, можно определить расчетный диапазон ожидаемых значений  контролируемых параметров, которые будут соответствовать исправному состоянию, и таким образом,  обосновать выбор исходного состояния узла.

Рассмотрим это на примере расчета запирающего пояска баббитовой поверхности вкладыша уплотнения, т.е. определения расхода и температуры уплотняющего масла, сливающегося в сторону водорода через кольцевую щель между вращающимся валом и вкладышем (рис.1, 2).

Основные расчетные формулы  приняты в соответствии с  [3] и после преобразований приведены к виду, единому для торцевых и кольцевых уплотнений  (табл.1).


Рисунок 1.    Торцевое уплотнение вала (схема)

1, 2  – резиновые кольца, отделяющие камеру уплотняющего масла соответственно от  сливной камеры уплотнения со стороны водорода  и от камеры прижимающего масла, 3 – резиновое кольцо, отделяющее камеру прижимающего масла от сливной камеры уплотнения со стороны воздуха, 4 – корпус уплотнения, 5 – вкладыш уплотнения,  6 – несущая клиновая баббитовая поверхность вкладыша,  7 – запирающий поясок,  8 – камера уплотняющего масла, 9 –камера прижимающего масла, 10 – упорный  диск вала ротора.


Рисунок 2.    Кольцевое уплотнение вала (схема)

1 – корпус уплотнения, 2   – резиновое кольцо, отделяющее камеру уплотняющего масла от  сливной камеры уплотнения со стороны водорода, 3 – вкладыш уплотнения, 4 – резиновое кольцо, отделяющее камеру уплотняющего масла от сливной камеры уплотнения со стороны воздуха, 5 – несущая клиновая баббитовая поверхность вкладыша, 6 – вал ротора, 7 – запирающий поясок,  8 – камера уплотняющего масла.

При расчетах следует учитывать, что вязкость масла m зависит от его температуры.

Полученная экспериментально зависимость вязкости масла от температуры [4] в рабочем диапазоне температур хорошо аппроксимируется формулой

μ=31*10-3e-0,044*(T - 40) ,  Па.с, (1)

где Т= Tm+DТ/2 - средняя температура масла на запирающем пояске.                                   (2)

Температура  масла заранее неизвестна,  и для определения  вязкости приходится задаться неким значением, после чего обычно используется метод итераций. Некоторая сложность  практических расчетов связана с тем, что не для всех начальных температур и входных данных простая итерация  приводит к удовлетворительному результату. Возникла  необходимость разработать и обосновать методику определения Т, которая всегда обеспечивала бы нахождение решения задачи,  как для торцевых, так и для кольцевых уплотнений.

Такая методика разработана  [5], и получено уравнение относительно T,  решение которого  всегда существует

(3)

где


Итак, искомая температура Т определяется  как корень уравнения, который можно найти известным методом бисекций  на заданном отрезке локализации [Tm, Тпред]. По этому значению  температуры определяются вязкость, расход и перегрев масла [5].

Расчеты реальных конструкций торцевых уплотнений турбогенераторов различных типов [5], выполненные с достаточной для практики точностью εt = 0,1÷1  °C  при  сильно завышенной границе отрезка Тпред =10000 °C, показали, что обычно требовалось 14÷17 шагов.

Расчетные зависимости перегрева и расхода масла, сливающегося в сторону водорода, для торцевого уплотнения турбогенератора ТВВ-500-2 показаны на рис. 3 и 4. Видно, что  для снижения перегрева было бы целесообразно уменьшить ширину пояска – В, но при этом возрастет расход масла в сторону водорода. Рекомендуется подбирать ширину пояска так,  чтобы расчетный перегрев масла на пояске не превышал 60 °С, а расчетный расход масла через поясок не был слишком велик (1÷4 л/мин в зависимости от газового объема турбогенератора и  допустимого расхода водорода [6]).

Положим, что торцевое уплотнение может считаться исправным, если изменения фактических температур и расходов масла при изменениях нагрузки турбогенератора не выходят за пределы расчетного диапазона,  а различия температур баббита верхней и нижней половин вкладыша не превышают  10 %.    Этот критерий позволяет подтвердить правильность выбора исходного состояния для функционирования алгоритма диагностики.

Кроме того, сравнение фактически измеренных значений с  расчетным диапазоном  параметра  дает ряд дополнительных диагностических признаков для оценки технического состояния  и выявления  дефектов, в том числе свидетельствующих о низком качестве ремонта.

Дополнительные признаки дефектов торцевых уплотнений:

  • Если  фактический расход масла в сторону водорода превышает более чем на 20% максимальное значение расчетного диапазона, то имеет место утечка масла  помимо запирающего пояска – через неплотности резинового кольца, отделяющего камеру уплотняющего масла от сливной камеры на стороне водорода, либо через неплотности разъема вкладыша.  При этом температура сливающегося масла будет ниже расчетного значения, а температура баббита может быть близкой к предельно допустимой.
  • Если  фактический расход масла в сторону водорода превышает более чем на 20 % максимальное значение расчетного диапазона, а  различия температур баббита верхней и нижней половин вкладыша превышают  10 %,  то можно предполагать перекос вкладыша по вертикали, что может быть вызвано различием сил трения по окружности из-за ошибочной центровки вкладыша.
  • Если фактические температуры и расходы масла зависят от нагрузки турбогенератора так, что их изменения выходят за пределы расчетного диапазона, а температуры баббита изменяются более чем  на 10%,  это свидетельствует о значительном нарушении аксиальной подвижности вкладыша, причинами которого могут являться неправильная установка уплотняющих колец и неправильная центровка вкладыша.

Рисунок 3.  Результаты расчета перегрева масла на запирающем пояске торцевого уплотнения

турбогенератора типа ТВВ-500-2


Рисунок 4.   Результаты расчета расхода  масла в сторону водорода торцевого уплотнения

турбогенератора типа ТВВ-500-2

Особенностью кольцевого уплотнения является увеличение зазора d между  вкладышем и валом при нагреве из-за теплового расширения вкладыша, благодаря которому происходит саморегулирование нагрева вкладыша.   Зависимость зазора d от нагрева вкладыша и вала имеет вид:

(4)

Поскольку нагрев вала может находиться в пределах от  20 до 60 °С,  примем нагрев вала равным  20k, где  варьируется k= 1÷3.  С учетом указанных допущений, получим следующее

(5)


(6)

(7)

Предложенная методика расчета позволяет учитывать эту зависимость, т.е. уточнять фактический зазор  в процессе итераций при определении средней температуры масла на запирающем пояске.

Отображение  функции

(8)


(9)


Как и для торцевого уплотнения, искомая температура Т определяется  как корень уравнения

T=Tm + f(T)/2, или   2(TTm)×[d(T])4=D(T). (10)

Левая часть уравнения монотонно возрастает при росте T, а правая монотонно убывает, т.е. решение существует ,оно единственно и может быть найдено в соответствии с  описанной выше методикой  для торцевых уплотнений. Практические  расчеты реальной конструкции уплотнения турбогенератора типа ТГВ-200М, выполненные с достаточной для практики точностью, показали, что потребовалось 33÷35 шагов. Результаты расчетов приведены на рис. 5 и 6.

При  практическом   диапазоне значений  Аt = 0,4 ÷0,6  и нагреве вала на 20÷40 °С, расходы масла в сторону водорода составят 4÷7 л/мин  при перегреве  масла  40÷65 °С.


Рисунок 5.  Зависимость расхода масла в сторону водорода в кольцевом уплотнении

от коэффициента  нагрева вкладыша (Аt)  при нагревах   вала на 0,   20   и   40 °С


Рисунок 6.  Зависимость перегрева масла в кольцевом уплотнении от коэффициента нагрева

вкладыша (Аt)  при нагревах вала на     0,   20   и   40 °С

Дополнительный признак неисправности формулируется аналогично приведенному выше для торцевого уплотнения:

если  фактический расход масла в сторону водорода превышает более чем на 20% максимальное значение расчетного диапазона, то имеет место утечка масла  помимо запирающего пояска – через неплотности резинового кольца (поз. 2, рис.2); при этом перегрев масла может быть ниже минимального расчетного значения.

Использование расчетных зависимостей в качестве критериев для оценки исправности исходного состояния уплотнений вала позволяет предложить двухвариантную схему алгоритма  диагностики (рис.7) с расчетной проверкой исправности исходного состояния и последующим выбором  одной из двух ветвей алгоритма:

-               типовой алгоритм контроль и диагностики,

-               алгоритм  контроля развития аварийной ситуации.


Список литературы:

Литература:

1.  Голоднова О.С. Эксплуатация схем маслоснабжения и уплотнений турбогенераторов. М.: «Энергия». 1978.

2.  Типовая инструкция по эксплуатации газомасляной системы водородного охлаждения генераторов. РД 153-34.0-45.512-97. М.: СПО ОРГРЭС, 1998.

3.  Токарь И.Я. Проектирование и расчет опор трения.– М.: Машиностроение, 1971.

4.  Казанский В.Н. Системы смазывания паровых турбин. М.: Энергоатомиздат, 1986.

5.  Голоднова О.С., Максимов М.В. Повышение надежности торцевых уплотнений./ «Энергетик», 2003, №2.

6.  Голоднова О.С. Уплотнения вала турбогенераторов с водородным охлаждением (устройство, эксплуатация, причины, признаки и предупреждение отказов).   Приложение к журналу «Энергетик». Москва. НТФ «Энергопрогресс». 2004, № 1. С. 128.