автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Совершенствование расчетно-экспериментальных методов исследования динамических характеристик турбоагрегатов и их элементов

о ■

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

на правах рукописи

КУМЕНКО Александр Иванович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБОАГРЕГАТОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.04.12. Турбомашины и комбинированные

турбоустановки

Диссертация на соискание ученой степени доктора техничес!

МОСКВА

. - 2 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Аннотация.............................................................................. 12

Введение................................................................................ 15

1. СХЕМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ТФО И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ........................................................................................ 31

1.1 Краткий обзор работ по расчетным схемам и математическим моделям элементов системы ТФО........................................... 31

1.2 Схематизация элементов валопровода. Методы сокращения числа степеней свободы при решении задач динамики и статики вращающегося валопровода........................................................ 41

1.2.1 Схематизация валопровода..........................................................................................41

1.2.2 Методы сокращения числа степеней свободы..........................................42

1.2.3 Учет внутреннего неупругого сопротивления в материале ротора.........................................................................................................................46

1.2.4 Учет податливости фланцевого соединения роторов........................47

1.2.5 Аппроксимация номограмм АО ЛМЗ для определения жесткости роторов с насадными дисками....................................................48

1.3 Схематизация масляной пленки подшипников скольжения......................50

1.3.1 Моделирование статических нелинейных характеристик подшипников............................................................ 52

1.3.2 Моделирование динамических линейных характеристик подшипников............................................................ 52

1.4 Схематизация опорных конструкций и фундамента................... 55

1.5 Схематизация уплотнений и аэродинамического воздействия....... 56

1.6 Поперечные статические силы, возникающие в регулирующей ступени, уплотнениях и проточной части турбомашин.......... 58

1.7 Выводы по результатам анализа расчетных схем и математических моделей..........................................................................................................................................62

2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ОПОР, ПРОГИБОВ ВА-

ЛОПРОВОДА И НАПРЯЖЕНИЙ В НЕМ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНОЙ СТАТИЧЕСКОЙ ПОДАТЛИВОСТИ МАСЛЯНОГО СЛОЯ............................. 65

2Л Обзор проблемы исследования статических нагрузок в подшипниках турбомашин при эксплуатационных расцетровках опор............ 65

2.2 Метод расчета статических реакций валопровода на расчлененных и связанных в продольном направлении опорах и напряжений в шейках валопровода и болтах полумуфт при расцентровках опор турбомашин........................................................................ 69

2.3 Сравнение результатов расчета реакций опор валопроводов на жестких и податливых нелинейных опорах при их произвольном взаимном смещении................................................................. 75

2.4 Влияние перемещений опор на коэффициенты жесткости масляной пленки и собственные частоты валопровода................................ 80

2.5 Результаты сопоставления расчетных переменных напряжений с полученными экспериментально на модельном фрагменте валопровода .................................................................................. 84

2.6 Сопоставление расчетных и экспериментальных траекторий всплытия цапф 4х-опорного модельного ротора АО ЛМЗ.............. 89

2.7 Определение статических реакций, напряжений в шейках роторов и болтах полумуфт и центровок роторов по полумуфтам по данным замеров расцентровок опор т/а К-300-240 на Киришской, Литовской и Лукомльской ГРЭС................................................... 93

2.8 Влияние некоторых эксплуатационных факторов на напряжения в валопроводе и положение цапф в расточке подшипника для т/а К-200-130-3 и Т-180/210-130 АО ЛМЗ.......................................... 108

2.9 О построении полей допустимых расцентровок опор................... 116

2.10 Основные выводы и предложения по совершенствованию методов

статического расчета валопровода........................................... 119

3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ ТФО ОТ

НЕУРАВНОВЕШЕННОСТЕЙ ВАЛОПРОВОДА И НЕСОВЕРШЕНСТВ

СБОРКИ РОТОРОВ РОТОРОВ ПО ПОЛУМУФТАМ................................. 122

3.1 Проблемы создания методов и технологии расчета вынужденных колебаний.......................................................................... 122

3.2 Разработка метода расчета вынужденных колебаний валопровода на расчлененных опорах и с учетом продольной связанности колебаний статора - фундамента................................................... 126

3.2.1 Расчетная схема системы ТФО и основные предположения... 126

3.2.2 Основные уравнения и их решение.................................. 132

3.3 Применение метода прогонки к определению матриц динамической податливости свободного валопровода и к расчету вынужденных колебаний валопровода на расчлененных опорах................ 138

3.4 Применение метода конечных суперэлементов для решения задачи вынужденных колебаний валопровода при действии произвольных неуравновешенностей и несовершенств сборки........................... 142

3.5 Теоретическое решение задачи о балансировке "колена" и "маятника" на основе метода вынужденных колебаний................. 144

3.6 Сопоставление экспериментальных и расчетных коэффициентов балансировочных чувствительностей по валопроводу и опорам для турбоагрегатов К-800-240-5................................................... 148

3.7 Исследование влияния переменного режима работы турбоагрегата и расцентровок опор на амплитудно-частотные характеристики валопровода.................................................................... 162

3.8 Влияние аэродинамических возмущающих сил на амплитудно-частотные характеристики валопровода и опор........................... 169

3.9 Анализ собственных и вынужденных колебаний валопровода на стадии проектирования и доводки турбоагрегата......................... 172

3.9.1 Анализ спектров частот и форм собственных колебаний ва лопровода.................................................................. 173

3.9.2 Результаты расчета вынужденных колебаний валопровода К-320-23.5.................................................................. 179

3.10 Влияние теплового состояния фундамента и рас центровок опор на критические частоты и амплитуды вынужденных колебаний опор и валопровода........................................................................ 187

3.11 Выводы и рекомендации по материалам главы........................... 190

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РОТОРОВ........................................ 196

4.1 Причины появления низкочастотных вибраций роторов мощных паровых турбин и их спектральный состав................................. 196

4.2 Использование метода конечных суперэлементов для решения задачи о динамической устойчивости валопроводов..................... 204

4.3. Построение диаграмм устойчивости с использованием комплексных собственных частот................................................... 208

4.4 Анализ динамических характеристик устойчивости валопроводов турбоагрегатов К-500-240-2 Рефтинской ГРЭС ст. N 7-10 в эксплуатационных условиях....................................................... 212

4.5 Проблема обеспечения динамической устойчивости роторов турбоагрегатов К-800-240-5 Сургутской ГРЭС-2 ст. N 1-6................. 220

4.5.1 Собственные частоты и собственные формы колебаний валопровода, критические частоты системы "валопровод-масляная пленка подшипников - опоры"........................... 222

4.5.2 Возмущающие аэродинамические силы в ЦВД-ЦСД К-800-240-5........................................................................ 228

-64.5.3 Статические аэродинамические силы в регулирующей

ступени...................................................................... 230

4.5.4 Тепловые и силовые расцентровки опор турбоагрегата К-800-240-5.................................................................. 233

4.5.5 Динамическая устойчивость валопровода в проектном варианте и при варьировании геометрии подшипников и расцен-тровок роторов по полумуфтам. 234

4.6 Совершенствование методики оценки пороговых параметров и диаграмм устойчивости валопровода турбоагрегата.................... 242

4.7 Основные выводы по результатам анализа устойчивости турбоагрегатов ................................................................................ 245

5. АНАЛИЗ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ПАРОПОДВОДЯЩИХ ОРГАНАХ

ТУРБОАГРЕГАТОВ К-800-240-5 СУРГУТСКОЙ ГРЭС-2........................... 248

5.1 Методика и схема измерений пульсаций давления в пароподводя-щих органах ЦВД К-800-240-5................................................ 250

5.2 Основные результаты испытаний по определению пульсаций давлений на блоке К-800-240-5.................................................... 264

5.3 Анализ отдельных результатов испытаний................................. 270

5.4 Основные выводы по результатам исследований пульсаций давления в пароподводящем тракте турбины К-800-240-5..................... 285

Заключение.............................................................................. 292

Список использованных источников............................................... 298

Приложение 1. Перечень программного обеспечения МЭИ для определения статических и динамических характеристик элементов системы 317 «турбоагрегат-фундамент»...........................................................

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Обозначения Размерность Расшифровка

Аг, Ав, фг. фв [MKM] [град, рад] амплитуды и фазы соответствующих точек системы в горизонтально-поперечном и вертикальном направлениях;

aj вектор кинематических параметров в ]-м сечении валопровода;

Cij, b« [Н/м], [Нс/м] матрицы жесткости и демпфирования масляной пленки подшипника;

С, в,м матрицы жесткости, демпфирования и инерциии системы «валопровод-опоры»;

EJ(z) [Им2] изгибная жесткость участка;

F(t) вектор внешней нагрузки или кинематического возбуждения;

Сф [Нм] коэффициент жесткости болтового соединения фланцев полумуфт;

(du d (2^21 d22)jb (ф11ф12ф21ф22)]к [м/Н, мкм/тс] [град, рад] коэффициенты динамической податли-вос-ти и их фазы для ] -й опоры при возбуждении вибратором к-й опоры (1 -соответствует горизонтальному, 2 - вертикальному направлениям);

Dj,Lj [м] диаметр и длина вкладыша ^го подшипника;

Mj момент по 1-й функции формы суперэлемента;

M степень эллиптичности подшипника;

Ar, AB [мм] горизонтальный и вертикальный зазоры в подшипнике;

Wr(t),Wor(t), wB(t), WB0(t) [MKM] Компоненты перемещений вала и опор (с индексом 0) в произвольный момент времени в выражениях вида wr(t) = W] cos cot + W3 sincot; wB(t) = W2 cos cot + W4 sincot;

qr(t), qB(t) [H] Компоненты динамических нагрузок на опору в произвольный момент времени;

QbQ2,W10,W20, wbw2 Компоненты косинусоидальных составляющих амплитуд реакций и смещений;

Q3,Q4,W03,W04, w3,w4 Компоненты синусоидальных составляющих амплитуд реакций и смещений;

6„, §12, S21, 822 [m/H] Коэффициенты матрицы квазистатических нелинейных податливостей масляной пленки;

e.i' Л j [mm], [град, рад] Эксцентриситет и угол отклонения цапфы в масляном слое для j-ro подшипника;

[мм] Горизонтальная и вертикальная составляющие эксцентриситета;

Vj Относительный зазор для j-ro подшипника (i}/j =2Arj /Dj);

Xj Относительный эксцентриситет j - й цапфы (x=ej /Dj);

[Пас] Динамическая вязкость масла;

CO, n, f [рад/с], [об/мин], [Гц] Частота вращения или колебаний в [рад/с], [об/мин] и [Гц];

hj [мм] Вектор номинального положения j - й опоры;

¿Г к [мм] Вектор теплосилового смещения - й опоры;

ЛЬ ь}= - [мм] Разность векторов смещений опор;

Ф] [Н], [град, рад] Статическая нагрузка на ]-й подшипник и ее угол;

[Н/м2] Удельная нагрузка на ^й подшипник,

рт [кг/м] Масса участка ротора на единицу длины;

% Коэффициент нагруженности ]-го подшипника - коэффициент Зоммерфельда С] =

в [кг/с], [т/час] Расход рабочего тела;

N [МВт] Мощность турбины (электрическая нагрузка);

со [рад/с] частота вращения ротора, валопровода;

со* [рад/с] граница устойчивости по частоте вращения;

та = Сй*/С0раб коэффициент запаса устойчивости (относительная граница устойчивости) по частоте вращения;

К-Г 5 К. [кН] Горизонтальная и вертикальная составляющие нагрузки на ротор в регулирующей ступени;

О* [кг/с], [т/час] Граница устойчивости по расходу рабочего тела;

в =0*Ллном Коэффициент запаса устойчивости (относительная граница устойчивости) по расходу пара;

Ро РьРг, Рз ,Р4 Р х к р с [ата] Начальное давление, Давление за клапанами, давление в камере регулирующей ступени;

Р, Ар.| [ата] Динамическая составляющая давления в измеряемой точке];

вд Функция прогиба 1 - го СЭ;

Функции формы конечного суперэлемента (СЭ);

wJ,ь , Смещения и углы поворота на границах конечного СЭ в к-й плоскости;

[м], [мкм] Векторы амплитуд динамических смещений валопровода, статора и фундамента;

И Векторы амплитуд динамических реакций в опорах и точках сопряжения статора и фундамента;

[У],[иЕ],[иу], Ш [иФ] [м/Н] Матрицы динамических податливостей валопровода;

Ре 5 Ру ? Ре 5 Р(р Векторы амплитуд динамических и кинематических возмущений на валопро-воде;

[УЛ, 1УС"], [Ус'"], [Ус""] [м/Н] Матрицы динамических податливостей статорных элементов;

[V,,,] [м/Н] Матрицы динамических податливостей фундамента;

[С] [Н/м] Матрица динамической жесткости всех опорных подшипников;

V, Уск [ мм/с] Виброскорость, эффективная виброскорость;

р, [рад/с] Собственная частота системы;

Юкр [рад/с] Критическая частота вращения;

(А, Аи , А1>2, А 2,1 , А 2,2X1+1 Матрица перехода и ее блоки для ¡-го участка валопровода;

Вектор кинематических и динамических параметров в сечении валопровода;

АХ ¡+,и Вектор кинематических и динамических возмущений в сечении валопровода;

X/", X/" Вектора кинематических (1) и динамических (2) параметров в м сечении валопровода;

И 5 Матрицы и вектора «прогонки» в м сечении валопровода;

Сокращения

МЭИ - Московский энергетический институт;

ПГТ - кафедра паровых и газовых турбин;

ВТИ - Всероссийский теплотехнический ин-т, г. Москва;

АО ЦКТИ - АО Центральный котлотурбинный ин-т, г. С-Петербург;

АО ЛМЗ - Ленинградский металлический завод;

АО КТЗ - Калужский турбинный завод;

ПОАТ ХТЗ - Производственное объединение атомного турбиностроения, г. Харьков; ТФО - система «Турбоагрегат-фундамент-основание»;

РВД, РСД, РНД - роторы высокого, среднего, низкого давления;

РГ - ротор генератора;

РВ - ротор возбудителя;

Э - эллиптический подшипник;

С - сегментный подшипник;

НЧВ - низкочастотная вибрация.

Система «РКПСК» - система «регулирующий клапан-паропровод-сопловая коробка»; ХПИ - Хабаровский политехнический институт; ДЭМ - трест «Дальэнергомонтаж»

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены фундаментальные математические и физические модели для решения ряда задач по определению реакций опор валопроводов и напряжений в нем с учетом эксплуатационных и технологических факторов, динамических характеристик собственных, вынужденных колебаний и динамической устойчивости системы "турбоагрегат-фундамент-основание" (ТФО), разработаны комплексы программ для решения названых задач на стадии проектирования, разработаны методы сокращения числа степеней свободы, проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными результатами, полученными на стендах кафедры ПГТ МЭИ и АО ЛМЗ, а также в ряде промышленных экспериментов на электростанциях РФ.

На основании разработанных алгоритмов и программ проведен анализ ряда промышленных энергетических агрегатов, получены новые знания по динамическим свойствам сложных систем, каковыми являются системы ТФО мощных турбоагрегатов, даны рекомендации по совершенствованию элементов исследованных систем и повышения вибрационной надежности валопроводов в промышленности при проектировании и эксплуатации.

Проведены вибрационные исследования ряда турбомашин и их элементов в условиях электростанций и на основе расчетно-экспериментального анализа предложены методы устранения вибраций различной природы в широком диапазоне частотного спектра.

Предложенные методы расчета статических (реакций опор, смещений линии вала и др.) и динамических (собственных, вынужденных колебаний и динамической устойчивости) характеристик валопроводов ориентированы на применение их как в условиях заводов, НИИ и КБ, так и на электростанциях и энергосистемах для экспертизы динамических характеристик роторов, опирающихся через масляную пленку подшипников скольжения и "аэродинамические опоры" на пространственную систему "статор-фундамент-основание". Предложенные алгоритмы являются универсальными и практически не зависят от типа и мощности турбоагрегата, количества его ступеней и уплотнений, пригодны для анализа валопроводов как паровых, так и газовых турбин, компрессоров, турбохолодильников, роторов космических энергетических установок и др.

Данная работа является обобщением комплекса расчетных и экспериментальных исследований, проведенных в 1972 - 1998 гг. при непосредственном участии и руководстве автора в содружестве с коллегами по группе вибрации и прочности кафедры паровых и газовых турбин. Подавляющее большинство методов и результатов, представленных в работе, получено автором самостоятельно (главы 1-4) или при непосредственном его руководстве (глава 5).

В данную работу из-за недостатка места не вошли результаты работы автора по разработке методов расчета переходных изгибно-крутильных колебаний системы «валопровод-лопатки» при коротком замыкании в генераторе, а также поперечных переходных колебаний при отрыве массы или сейсмическом кинематическом воздействии. По тем же причинам в данную работу не вошли результаты большинства экспериментальных исследований вибрационной надежности турбомашин 200-800 МВт на Сургутских ГРЭС-