Причины вибрации турбоагрегатов. Методы контроля вибрации. Принципы вибрационной диагностики.

При работе ГПА вибрация присутствует всегда в виде спектра, с различными частотами и амплитудами. Она может вызываться небалансом роторов, расцентровкой СТ и ЦН, вращающимся срывом, пульсацией факела, присоединенными механизмами (например, насосами), отставанием лап корпуса от опор, колебаниями на масляной пленке и др.

Вибрация характеризуется, главным образом, амплитудой (размах колебаний), виброскорость, частотой и фазой. Иногда используется и виброускорение. Измеряют вибрации в вертикальном, поперечном и осевом направлении. Жесткость опор в различных направлениях неодинакова, т.е. они не являются изотропными.

Штатные приборы чаще всего измеряют амплитуду или виброскорость. Амплитуды колебаний на крышках подшипника в меньшей мере характеризуют вибросостояние агрегата, чем величина вибростойкости ротора.

Виброскорость: v=2πfS=ω/(2πf), где f – частота, с-1; S – вибрационное смещение, мм; ω – виброускорение, м/с2.

Основной характеристикой вибрации является виброскорость. Для низкооборотных ГТУ ранее использовали амплитуду. Спектр вибрации для частотного анализа делится на октавы. Октава – это полоса между двумя частотами. Для устранения повышенной вибрации проводят виброобследование при различных частотах вращения (скоростные характеристики), в различных местах ГПА (контурные характеристики) с помощью прибора БИП-5, ИВП-1, ПКВ-1 и др.

Показатели вибрации элементов агрегата многое говорят о его техническом состоянии. При повышенной вибрации возникают опасные динамические напряжения во многих узлах и деталях, появляется низкочастотный шум, нарушаются жесткие связи между отдельными элементами конструкции, может произойти смещение опор. Распространенными последствиями чрезмерной вибрации роторов является образование натиров на внутренней поверхности вкладышей подшипников вследствие исчезновения масляного клина; следующий этап - растрескивание баббитового слоя и его выкрашивание. При вибрации повышается износ лабиринтовых уплотнений, увеличиваются радиальные зазоры в проточной части турбомашин.Нагруженные упорные подшипники скольжения значительно демпфируют вертикальные и поперечные колебания вала, вследствие чего на конце ротора возле упорного подшипника вибрация может проявляться в меньшей степени.

Наиболее распространены следующие причины и вызываемые ими виды вибрации.

Отсутствие или недостаточная величина, натяга на крышках подшипников

Это может быть следствием ошибки при сборке после ремонта, а иногда и следствием работы с повышенной вибрацией. Нежесткое крепление вкладышей подшипников способствует усилению колебаний, вызванных неуравновешенностью ротора, расцентровкой и другими причинами. Идеального уравновешивания ротора добиться невозможно, поэтому величину натяга на крышках подшипников следует проверить на первой стадии виброобследования. Вибрации, связанные с неуравновешенностью роторов

Небаланс ротора вызывает в первую очередь вибрации в вертикальной и поперечной плоскостях. Обычно это гармонические колебания с оборотной частотой, причем амплитуда их возрастает с повышением частоты вращения приблизительно пропорционально квадрату числа оборотов. В приводных ГТУ большей частью применяются гибкие роторы, которые требуют уравновешивания с максимальным приближением мест установки балансировочных грузов к плоскостям небаланса. Для этого роторы имеют специально предусмотренное большое число плоскостей коррекции.

Однако при уравновешивании наибольший эффект дает установка грузов в плоскостях, удаленных от узловых точек колебаний. В некоторых случаях небаланс может быть вызван предметом или жидкостью, незаметно попавшими во внутреннюю полость ротора, например, через отверстия для прохода охлаждающего или обогревающего воздуха. Такой ротор отбалансировать без удаления постороннего тела невозможно. Во избежание этого все отверстия во внутреннюю полость ротора должны при разборке ГТУ немедленно закрываться. Неуравновешенность ротора может вызываться и нарушением крепления насадной детали, например диска, втулки, полумуфты и т.п.

Несоосность или излом осей роторов силовой турбины и нагнетателя

При сборке или монтаже взаимная их центровка производится с точностью, указанной в техдокументации. Величина допустимой несоосности зависит от конструкции соединительных муфт, длины промежуточного соединительного вала и др.

Расцентровка происходит в работе вследствие различной деформации силовой турбины и нагнетателя под воздействием температуры в районе подшипников СТ и силовых нагрузок, например, от труб обвязки нагнетателя. Вибрация, вызываемая расцентровкой, также имеет оборотную частоту, но, при небольших изменениях оборотов, амплитуда ее не меняется, что позволяет распознать причину. Способом устранения вибрации, связанной с несоосностью, является перецентровка нагнетателя или силовой турбины, учитывающая деформации в работе, а в некоторых случаях и ликвидация нерасчётных усилий от труб обвязки за счет монтажных операций. Задевания вращающихся деталей о неподвижные

Характерной особенностью вибрации, вызванной задеваниями, является ее нестабильность во времени, особенно нестабильность частоты и фазы. При задеваниях наблюдается также наложение на основной спектр колебаний высоких частот с малой амплитудой.

Непосредственными причинами, вызывающими задевания, может явиться неправильное расширение корпусов при прогреве, тепловая деформация (чаще поперечная) роторов и корпусов, коробление корпусов и др.

Способом устранения задеваний является сохранение прямолинейности осей роторов и корпуса при остывании, обеспечение свободного расширения статора при прогреве ГТУ, изменение центровки ротора в статоре. В ряде случаев наилучшее решение дают прирабатывающиеся покрытия на статоре.

Автоколебания роторов на масляной пленке

Этот вид вибрации бывает только при использовании подшипников скольжения. Гибкие роторы более подвержены автоколебаниям, чем жесткие.

Частота "масляной" вибрации обычно составляет 40-50% от частоты вращения ротора, вследствие чего ее называют также низкочастотной.

Возможными причинами автоколебаний роторов являются:

– излишняя вязкость масла (например, при холодном масле);

увеличенные зазоры во вкладышах подшипников;

близость критических оборотов к 50% от числа рабочих;

малые удельные нагрузки на вкладыш.

Последнее наблюдается иногда в консольных роторах.

Масляная вибрация выделяется с помощью частотного анализа.

Для снижения возбудимости к масляной вибрации применяется лимонообразная расточка вкладышей подшипников, многоклиновые (сегментные) подшипники, которые эффективны особенно при малых удельных давлениях.

Срывные или пульсационные вибрации

Они могут вызываться вибрационным горением в камере сгорания, пульсациями газа в присоединенных к нагнетателю трубопроводах и т.п.

В этом случае амплитуды колебаний имеют хаотический вид, частота колебаний соответствует частоте пульсаций давления. Может преобладать осевая составляющая вибрации.

Устраняются они борьбой с пульсациями в источнике.

Вибрации, вследствие изменения опирания корпусов турбомашин

Характерны больше для регенеративных ГТУ, когда трубопроводы горячего воздуха и соединительный патрубок от отдельно стоящей камеры сгорания могут оказывать заметные усилия на корпуса турбомашин и изменять их опирание, вызывая, например, отрыв лап.

Отставание лап корпуса от опор усиливает все виды вибрации.

Вибрации вспомогательного оборудования и трубопроводов ГТУ и ЦН

Присоединенные к роторам ГПА вспомогательные агрегаты типа насосов могут возбуждать колебания основных роторов и подвержены вибрации сами, так что при выявлении всех причин неспокойной работы им также должно быть уделено внимание.

Трубопроводы могут возбуждаться статором ГПА, попадая в резонанс, иногда пульсациями протекающей в них жидкости, возможны и автоколебания. Вибрация трубопроводов грозит появлением в них трещин и других повреждений. Особенно опасна вибрация маслопроводов с высоким давлением масла. Основной путь устранения вибрации трубопроводов – ужесточение мест крепления труб, не нарушающее их тепловой компенсации.

В большинстве случаев вибрация вызывается одновременно несколькими причинами, распознать их все без специальных испытаний и аппаратуры сложно. Регистрирующие приборы фиксируют не правильную, а искаженную синусоиду.

Для детального анализа снимают скоростные характеристики (измерения колебаний в функции от оборотов), режимные характеристики (показатели вибрации в функции от температурного режима работы ГПА), контурные характеристики – измерения температуры и фазы по периметру агрегата на разных режимах.

Виброакустические методы используются для диагностирования подшипников, зубчатых передач, динамики роторов, иногда камер сгорания и т.д.

Запись спектральной плотности позволяет получить сигналы, характеризующие конкретные неисправности. По аналогии с вибрацией для диагностики по излучаемому шуму также необходимо специальное оснащение для анализа с передачей на ЭВМ, с помощью которой можно произвести сравнение изменений спектральной плотности.

С помощью вибродиагностики можно установить степень развития неисправности и также фактический остаточный ресурс до переборки (ремонта), что называют параметром прогнозирования.

Для формирования диагностического параметра используют так называемый детерминистско – вероятностный подход.