Змащення підшипників і охолодження гідроагрегатів

Поверхні (вкладиші) вертикальних підшипників і підп'ятників генераторів, що труться, виконуються, як правило, металевими з бабітовою заливкою і масляним мастилом. Вкладиші турбінних підшипників виконуються або з бабітовою заливкою і масляним змащенням, або з неметалічними вкладишами (гума, деревопластики і ін.) з водяним змащенням.

Не дивлячись на те, що для металевих вкладишів (бабіту, бронзи і ін.) підвищення температури до 100°С безпечно, в практичних умовах їх робоча температура обмежується величиною порядку 70°С, оскільки при вищих температурах сильно знижуються в'язкість масла і товщина змащуючого шару, збільшується коефіцієнт тертя і створюється небезпека появи напівсухого тертя.

У сучасних підп'ятників сегментного типу нерухома поверхня виконується у вигляді сегментів, що самовстановлюються, це забезпечує створення клиновидної щілини між поверхнями тертя при роботі агрегату.

Надійність роботи підп'ятника характеризується висотою масляного клину, яка тим більше, чим більше швидкість обертання і коефіцієнт в'язкості масла; із збільшенням питомого тиску на поверхні тертя висота клину мастила зменшується. В процесі зупинки агрегату відбувається зменшення висоти масляного клину, тому тривала робота генераторів на малих оборотах в режимі вибігу небажана, у зв'язку з чим застосовується штучне гальмування.

Направляючі підшипники гідроагрегатів працюють за умови наявності мастила досить надійно при будь-яких оборотах. Це пояснюється відносно невеликим питомим тиском, створюваним валом на стінки вкладишів, і невеликим коефіцієнтом тертя поверхонь, що труться. Слід вказати, що вживані для вкладишів підшипників турбін гума або деревопластики (лігнофоль, лігностон і ін.) при сухій поверхні мають великий коефіцієнт тертя. Проте при змочуванні їх водою коефіцієнт тертя ковзання падає до 0,01 - 0,04. До недоліків неметалічних вкладишів слід віднести їх малу теплопровідність і нестійку при нагріванні. Гранична робоча температура для гуми і деревопластиків не перевищує 40°С. Внаслідок цього підшипники з гумовими вкладишами або вкладишами з деревопластиків не допускають навіть короткочасної (менше 5 - 10 с) перерви подачі в них води для змащування. В умовах нормальної роботи гідроагрегатів завдання автоматизації системи змащування підп'ятника і підшипників з бабітовими вкладишами зводиться головним чином до контролю їх температури, до контролю рівня і температури масла у ваннах і до забезпечення безперервного охолоджування масла, температурний контроль вкладишів підшипників з гуми і деревопластиків не застосовується у зв'язку з поганою їх теплопровідністю, тому автоматика змащування останніх повинна забезпечувати безперервну подачу води у вкладиші. При всіх умовах досягнення небезпечної температури в підп'ятниках або в направляючих підшипниках, а також при припиненні подачі води в підшипники з неметалевими вкладишами пристрої автоматики повинні виводити агрегат з роботи.

Для відведення тепла від поверхонь підшипників і підп’ятника, а також тепла, що виділяється в обмотках і сталі статора і ротора генератора, передбачається система охолоджування у гідроагрегатів. Неметалічні вкладиші турбін охолоджуються безпосередньо водою, що є одночасно і змащенням.

Охолоджування обмоток і сталі генераторів виконується із замкнутим або розімкнутим циклом. У останньому випадку охолоджування генератора здійснюється повітрям безпосередньо з машинного залу станції, або зовні. Це тип системи охолоджування застосовується, як правило, для генераторів невеликої потужності. Генератори ж великої потужності мають замкнуту систему з охолодженням повітря за допомогою водяних радіаторів.

Останніми роками вітчизняними заводами розроблені генератори великої потужності з безпосереднім охолоджуванням водою обмоток статора генератора - з метою підвищення щільності струму в обмотках і зменшення перетину їх провідників і, отже, габаритів генераторів і їх вартості. Завдання автоматизації системи охолоджування гідрогенераторів в умовах нормальної експлуатації зводиться до забезпечення подачі води, що охолоджує, при пуску агрегатів, а також до контролю безперервності охолоджування їх під час роботи.

Системи змащування гідрогенераторів за принципом відведення з них тепла розділяються на дві групи - с зовнішньою і з внутрішньою циркуляцією масла.

При зовнішній циркуляції нагріте масло поступає з ванн підп'ятника і направляючого підшипника в зливний бак, що окремо стоїть, з вбудованими в ємності охолоджувачами, звідки охолоджене масло насосом подається назад у ванни. При внутрішньої циркуляції масло не виходить за межі ванн підп'ятника і підшипника і охолоджується встановленими в них водяними охолоджувачами. Таку систему змащування прийнято також, називати змащування з постійним об’ємом масла. У зв'язку з тим, що система змащування гідрогенераторів з внутрішньою циркуляцією масла і її автоматика значно простіша і працює надійніше, в даний час всі вертикальні гідроагрегати виконуються тільки з таким змащуванням.

У гідрогенераторах підвісного і зонтичного типів з внутрішньою циркуляцією масла підп'ятник і суміщений з ним направляючий підшипник розміщені в загальній ванні з трубчастими водяними охолоджувачами. Нижній направляючий підшипник генератора підвісного типу, а також направляючі підшипники генераторів зонтичного типу (при розташуванні підп'ятника на кришці турбіни) мають окрему ванну з водяним охолоджувачем, причому вкладиші направляючих підшипників занурені в масло не повністю. Змазування їх поверхні тертя відбувається завдяки тому, що між верхніми і нижніми частинами вкладишів при обертанні агрегату створюється різниця тиску; масло, що засмоктується в зазори між поверхнями, що труться, направляється по спеціальних канавках вгору і зливається у ванну.

Схеми мастила генераторів підвісного і зонтичного типів з внутрішньою циркуляцією масла приведені на рис. 4.2 і 4.3.

Охолоджування масла, а також повітря здійснюється водою, що поступає у відповідні охолоджувачі з системи технічного водопостачання. При зупиненому агрегаті водяна магістраль 1 перекривається клапаном 2ГК з гідравлічним сервоприводом. На трубопроводах великого діаметру (300 - 500 мм) замість клапана з гідроприводом іноді встановлюються засувки з електроприводом. Застосування клапанів з гідравлічним серводвигуном переважніше, оскільки схема управління ними простіша і надійніша і не вимагає спеціальної електричної пускової апаратури і блокувань.

Контроль подачі води, що охолоджує, на працюючому агрегаті здійснюється струменевим датчиком 1ДС, що встановлюється на зливній трубі охолоджувача підп'ятника; оскільки всі інші охолоджувачі генератора живляться водою з однієї магістралі, то датчик 1ДС побічно контролює і їх роботу. При зниженні витрати води датчик 1ДС сигналізує про несправність. Контроль температури підп'ятника, підшипників і масла мастила генераторів здійснюється за допомогою температурних датчиків 1ДТ - 4ДТ, які, як правило, поставляються заводами комплектно з генераторами. Число датчиків вибирається залежно від конструкції підп'ятника і направляючих підшипників. Крім того, підп'ятник і підшипники забезпечуються пристроями дистанційного вимірювання температури з терморезисторами в якості датчиків.

 

Рисунок 4.2 - Типова гідромеханічна схема змащування, охолоджування і гальмування підвісного генератора

 

Датчики контролю температури масла у ванні п'яти діють тільки на сигнал, оскільки підвищення температури масла свідчить тільки про ненормальний режим охолоджування підп'ятника, але не про його пошкодження.

Датчики ж, контролюючі температуру вкладишів підшипників і сегментів підп'ятника, зазвичай мають дві уставки. При спрацьовуванні датчика з першою уставкою подається сигнал про підвищення температури; при спрацьовуванні на другій, вищій уставці, відповідній температурі, небезпечній для агрегату, датчик подає імпульс на його зупинку. Уставки температурних датчиків вибираються з умови необхідності підтримки температури масляного клину між поверхнями, що труться, не вище 70° С. Так як температура масляного клину практично співпадає з температурою поверхонь тертя, можна вважати допустимим нагрів сегментів підп'ятника і вкладишів підшипників також приблизно до 70° С. В практиці, проте, спостерігаються відхилення максимальних робочих температур підп'ятника від розрахункових.

Датчики температури системи змащування гідроагрегатів відповідно до умов їх роботи повинні мати дві регульовані уставки із зміною їх меж від 20 до 100°С, з погрішністю вимірювання не більш 1,5 - 2°С, тобто 1,5 - 2% шкали. Необхідно також, щоб розміри корпусу датчиків були невеликими для можливості розміщення їх у вкладишах підшипників і підп'ятників. І, нарешті, датчики повинні допускати можливість установки їх вказівних органів на відстані до 10 - 20 м від первинних вимірювальних органів у зв'язку з малою доступністю для огляду точок контролю.

Рисунок 4.3 - Типова гідромеханічна схема змащування, охолоджування і гальмування зонтичного генератора

 

 

Рівні масла у ваннах підшипників і підп'ятників контролюються поплавцевими датчиками з жорстким зв'язком. Уставки цих датчиків визначаються в основному необхідною висотою підтоплення направляючого підшипника, що знаходиться в даній ванні. Процес поповнення маслом ванн підшипників з внутрішньою циркуляцією мастила не автоматизується, і датчики рівня тільки сигналізують про необхідність доливки масла у ванну. Це пояснюється тим, що раптове зниження рівня масла у ванні може відбутися тільки при маловірогідному пошкодженні самої ванни, поповнення ж маслом ванн в нормальних умовах потрібне вельми рідко і нескладно. Датчики рівня контролюють також справність системи охолоджування масла. При пошкодженні трубок радіаторів вода з них потрапляє у ванну, із-за чого рівень масла в ній підвищується; в цьому випадку датчик рівня, відзначаючи підвищення рівня масла у ванні, подає попереджувальний сигнал про несправність. Турбінні підшипники з бабітовими вкладишами і масляним мастилом виконуються з нерухомою або з нижньою ванною, що обертається. У підшипниках з нерухомою нижньою ванною (рис. 4.4, а) змащування поверхонь, що труться, забезпечується шляхом циркуляції масла, яке з нижньої ванни подається у верхню зубчатим насосом 1МН. З верхньої ванни масло стікає в нижню через зазори між валом машини і вкладишем, а також через осьові канавки останнього.

У підшипників з нижньою ванною (рис. 4.4, б), що обертається, для подачі масла у верхню ванну використовується швидкісний натиск, що створюється в гідродинамічних трубках 1 при русі масла. Коли швидкісний натиск перевершує гідростатичний тиск стовпа рідини між відмітками верхнього і нижнього кінців трубки 1, починається нагнітання масла у верхню ванну.

Після зупинки агрегату практично все масло перетікає з верхньої ванни підшипника в нижню. Проте між валом турбіни і вкладишем залишається масляна плівка, яка, як показує досвід тривалої роботи багатьох гідроагрегатів, цілком достатня для нормального пуску агрегату без попереднього наповнення маслом верхньої ванни. Оскільки зубчатий насос з приводом від валу турбіни і гідродинамічні трубки працюють вельми надійно, те резервування їх насосом з приводом від електродвигуна (або з двигуном іншого типу) виявляється непотрібним.

Характерною особливістю турбін з підшипником, що має металевий вкладиш і масляне мастило, є наявність лабіринтового ущільнення для зменшення фільтрації води через зазори між валом агрегату і кришкою турбіни. Для надійної роботи ущільнення при обертанні агрегату необхідно в нього подавати воду з трубопроводу технічного водопостачання.

Контроль наявності мастила турбінних підшипників з бабітовими вкладишами проводиться поплавцевим датчиком, встановленим у верхній ванні. Якщо під час нормальної роботи агрегату рівень масла в цій ванні знижується нижче встановленої відмітки, датчик подає попереджувальний сигнал про необхідність поповнення її маслом.

Рисунок 4.4 - Схема мастила підшипника турбіни з металевим вкладишем.

а - підшипник з нерухомою нижньою ванною; б - підшипник з нижньою ванною, що обертається.

 

Процес доливки масла у ванну підшипника турбіни, так само як і у ванни генератора, не автоматизується. У зв'язку з тим що сам вал турбіни і стінки ванни підшипника забезпечують інтенсивне відведення тепла від поверхонь, що труться, і масла, в штучному охолоджуванні мастила турбінного підшипника, як правило, немає необхідності. Контроль температури бабітових вкладишів турбіни здійснюється датчиками того ж типу, що і вкладишів підшипників генераторів.

Змащування поверхонь тертя турбінних підшипників з неметалічними вкладишами на ГЕС з низьким або середнім натиском проводиться проточною водою, що поступає в нормальному режимі із спіральної камери.

На високонапірних ГЕС вода для змащування турбінних підшипників в нормальному режимі подається по трубопроводу з системи технічного водопостачання.

Якщо вода у верхньому б'єфі ГЕС містить багато зважених частинок, то живлення підшипників турбін проводиться в нормальному режимі тільки з системи технічного водопостачання ГЕС.

Оскільки підшипники з неметалічними вкладишами не допускають тривалої перерви подачі змащування, то, окрім основного, передбачається також і резервне джерело живлення підшипника водою. При заборі води для змащування підшипника із спіральної камери як резервне джерело використовується система технічного водопостачання і навпаки.

Змащування турбінних підшипників із замкнутою циркуляцією води вимагає ускладнення конструкції останніх. Тому вона не знайшла в даний час практичного застосування.

Гальмування гідроагрегатів

Гідроагрегат, що обертається, має, як відомо, значний запас кінетичної енергії, яка після припинення доступу води до робочого колеса турбіни і відключення генератора від мережі витрачається на подолання сил тертя. У міру її витрати швидкість обертання агрегату зменшується, і через деякий час відбувається його зупинка. Результуючий гальмівний момент, що діє на вал агрегату в процесі самогальмування, складається з моментів тертя ротора генератора об повітря, в п'яті і направляючих підшипниках і робочого колеса турбіни об повітря або воду.

У загальному вигляді результуючий гальмівний момент може бути представлений у вигляді деякої функції, що убуває у міру зменшення кутової швидкості обертання агрегату, унаслідок чого зупинка агрегатів в режимі самогальмування, як правило, може тривати від 10 до 30 хв. а великих тихохідних машин - до 1 год чи більше. На тривалість зупинки агрегату в процесі самогальмування помітний вплив роблять протікання води через нещільність в направляючому апараті турбіни. У практиці відомо багато випадків, коли агрегати із-за протікання води не зупиняються без штучного гальмування. Сприятливий вплив на зменшення часу процесу самогальмування агрегатів чинить обертання робочого колеса турбіни у воді; тривалість самогальмування агрегату в цьому випадку за відсутності протікання води через направляючий апарат зазвичай не перевищує 10 хв.

 

Рисунок 4.5 – Графік зміни швидкості обертання агрегату в режимі самогальмування

1 – агрегат з радіально-осьовою турбіною 7000 кВт, Н =100 м, при закритому турбінному затворі, 2 - агрегат з поворотно-лопатевою турбіною 41500 кВт, Н =18 м, при підтопленому колесі, 3 – те ж при не підтопленому колесі

 

Дослідні дані по зміні швидкості обертання агрегатів різних типів при їх зупинці в режимі самогальмування приведені у вигляді кривих на рис. 4.5, з яких видно, що процес самогальмування агрегатів з робочим колесом, що обертається в повітрі, триває у декілька разів довше, ніж при обертанні робочого колеса у воді. Щоб уникнути напівсухого і сухого тертя в підп'ятнику вертикальних гідроагрегатів при малих оборотах в режимі самогальмування необхідні додаткові пристрої для штучного гальмування. Практично штучне гальмування вертикальних гідроагрегатів здійснюється притисненням гальмівних колодок до нижньої торцевої поверхні ротора (гальмівному ободу) за допомогою повітряних або масляних серводвигунів. Гальмування агрегатів з ковшовими турбінами може здійснюватися також за допомогою зворотного струменя води, що б'є в тилові частини ковшів робочого колеса.

Штучне гальмування агрегату щоб уникнути інтенсивного виділення тепла на поверхнях тертя, а також для зменшення розмірів гальмівної системи починається при зниженні швидкості обертання агрегату до 30 - 40% від номінальної, оскільки до цього моменту велика частина кінетичної енергії агрегату витрачена. Виходячи з цього, зазвичай і розраховують систему гальмування - число й розміри гальмівних колодок, розміри поршнів серводвигунів і робочий тиск в них. Зразкова залежність зниження швидкості обертання агрегату за часом при штучному гальмуванні колодками представлена на рис. 4.6. При штучному гальмуванні час зупинки не перевищує 2 - 4 хв., і тільки для потужних машин з великими постійними інерції воно досягає 7 - 10 хв.

На рис. 4.2 і 4.3 приведені схеми гальмівних пристроїв вертикального гідроагрегату. Колодки ТК з ферроазбестовими прокладками притискаються до гальмівного ободу ротора генератора поршнями, переміщуваними стислим повітрям. Подача повітря зазвичай при тиску 6 - 8 ат здійснюється через клапан з електромагнітним приводом з повітряного котла, в якому тиск підтримується автоматично компресорами. Останніми роками на вітчизняних ГЕС для гальмування агрегатів використовується стисле повітря з котла маслонапірної установки системи регулювання швидкості. Оскільки тиск повітря в цьому котлі зазвичай підтримується в діапазоні 18-25 ат, то повітря в гальмівну систему подається через редукційний клапан, що автоматично підтримує тиск після себе в межах 6 - 8 ат. В процесі автоматичної зупинки гідроагрегату, коли його швидкість обертання знижується до заданого значення (30-40% нормального), датчик швидкості, що фіксує момент початку гальмування, включає електромагнітний привід триходового клапана, що сполучає гальмівну систему генератора з резервуаром стислого повітря. Зазвичай повітряпроводи системи гальмування обмежують швидкість наростання тиску повітря в гальмах. Для запобігання гальмуванню агрегату при включеному в мережу генераторі ланцюг включення електромагнітного клапана готується тільки після спрацьовування реле зупинки агрегату і після відключення вимикача генератора.

Рисунок 4.6. Графік зміни швидкості обертання агрегату в режимі самогальмування

1 - агрегат з радіально-осьовою турбіною 7 000 кВт, Н - 100 м, при закритому турбінному затворі; 2 - агрегат з поворотно-лопатевою турбіною 41500 кВт, Н =18 м, при підтопленому колесі, 3 – те ж при не підтопленому колесі

 

Після зупинки агрегату гальмівна система з'єднується з атмосферою, внаслідок чого тиск в гальмівних циліндрах падає і гальмівні колодки опускаються вниз. Для контролю тиску в гальмівній системі встановлюється датчик тиску, який за наявності тиску в гальмівній системі блокує пуск агрегату.

Початок штучного гальмування і момент повної зупинки агрегату можуть бути визначені датчиками кутової швидкості обертання або датчиком часу. Останній спосіб менш здійснений, оскільки не дозволяє достатньо точно фіксувати швидкість обертання при режимі роботи турбіни, що змінюється. Практично в схемах гальмування застосовуються датчики швидкості обертання: індукційні, відцентрові і засновані на принципі вимірювання ЕРС тахогенератора.

Визначення моменту повної зупинки агрегатів (особливо тихохідних) важко, оскільки жоден з використаних датчиків не фіксує швидкість обертання, близьку до нуля. Тому момент зупинки агрегатів визначається датчиком швидкості обертання з уставкою 2-4% нормальної швидкості; відключення ж електромагніту клапана гальмування проводиться з деякою витримкою від 20 до 60 с після спрацьовування цього датчика.

На ряду ГЕС застосовується гальмування з фіксацією моменту зупинки агрегату за часом. У цій схемі при зниженні швидкості обертання агрегату до 30 - 40% контактами датчика швидкості обертання включається електромагніт клапана гальмування. За наявності тиску в гальмівній системі датчик тиску включає реле часу, який через задану витримку часу 2 - 4 хв. достатню для повної зупинки агрегату, розмикає ланцюг живлення електромагніту клапана гальмування. Досвід експлуатації ряду гідростанцій показав, що така схема працює цілком надійно.

Слід вказати, що в деяких конструкціях гідрогенераторів застосовуються спеціальні заходи по розвантаженню п'яти при пусках і зупинках агрегатів. Наприклад, при пуску і зупинці агрегатів Братської ГЕС проводиться розвантаження п'яти подачею масла під тиском близько 100 кГ/см² через отвори в сегменті підп'ятників. Доцільність розвантаження підп'ятників з високим питомим тиском на сегменти підтверджується також і деякими іноземними фірмами, проте це приводить до ускладнення схеми автоматики агрегатів, знижує надійність їх роботи і збільшує час пуску.