Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Экспериментальный анализ пульсаций давления в пароподводящих органах турбоагрегата

Костюк А.Г., Куменко А.И. - доктора технических наук, Некрасов А.Л. - кандидат техн. наук,
Калинин С.В., Медведев С.В. - инженеры.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант N99-01-00824.

Проведен анализ динамико-акустических характеристик системы “регулирующие клапаны - паропровод - сопловая коробка” (“РКПСК”) и приведены основные результаты натурных эксериментальных исследований на двух турбинах с использованием компьютерных технологий и аналого-цифровых методов. Получены новые качественные и количественные данные о процессах - пульсационные характеристики потоков в пароподводящей системе и их корреляция с вибрационными характеристиками подвижных элементов клапанов и опор турбоагрегата.

1. Введение.

Как известно, в пароподводящих системах паровых турбин имеются многочисленные случаи возникновения колебаний [1-10,12]. Большинство исследований посвящено выявлению причин колебаний самого клапана на подвеске, рассмотрению различных механизмов возникновения колебаний клапана, даются рекомендации по их устранению. В числе причин называются автоколебания с различными вариантами обратной связи, турбулентные пульсации потока и нестационарность обтекания профиля, акустический резонанс в паропроводах, статическая неустойчивость клапана с подвеской, перемена знака парового усилия на клапане, запаздывание парового усилия и проявление инерционности потока, податливость и люфты подвески и др [7]. В рассматриваемой системе применительно к турбоагрегатам с начальными параметрами 24 МПа и 540°С все эти факторы, так или иначе, имеют место, однако на первый план, как показали предварительные исследования, выходят автоколебания и акустический резонанс [11]. В общем случае, по-видимому, происходят колебания во всей пароподводящей системе паровой турбины, от трубопроводов котла до ее проточной части. Следствиями колебаний являются обрывы штоков клапанов, разрушения (выпрессовки) сёдел, повреждение чашек клапанов и др. Свидетельством возникновения колебаний во всей пароподводящей системе являются наблюдающиеся на некоторых турбинах повреждения и разрушения сегментов сопел в сопловых коробках. Анализ характера повреждений наводит на мысль, что они происходят вследствие постоянных и переменных сил значительной величины, действующих на сегмент сопел в окружном и осевом направлениях. Под их воздействием происходит разработка отверстий под штифты, крепящие сегменты к сопловой коробке: отверстия из круглых превращаются в овальные, вследствие чего сегмент получает возможность перемещения в окружном направлении. Как показал анализ, единственный штифт, фиксирующий сегмент сопел в коробке, при определенных условиях имеет недостаточные запасы прочности. После его разрушения перемещения сопловых сегментов под воздействием переменных сил вызывают значительный износ на контактных поверхностях сегментов и пазов для них в сопловых коробках.

На устранение несовершенства клапанов и повышение их виброустойчивости направлено много усилий, в основном, в части применения новых конструктивных решений и проверки получающихся результатов в стендовых и эксплуатационных условиях. При этом получены положительные результаты, позволившие улучшить вибрационные характеристики регулирующих клапанов в основном за счет следующих двух усовершенствований: улучшения режима обтекания клапана потоком пара и путем обеспечения нагружающего парового усилия на клапан в сторону его закрытия во всем диапазоне режимов [7]. Имелись также натурные измерения пульсаций в трубопроводах на ряде модификаций турбин, однако публикаций по ним практически нет [12]. В последнее время в связи с нерасчетными режимами эксплуатации мощных турбин ТЭС вероятность возникновения пульсаций потока в пароподводящих трубах резко возросла. Одновременно в конструкциях турбин с сопловым парораспределением при частичных режимах значительно возрастают статические нагрузки на клапаны и на сегменты сопел.

Руководством одной из станций была поставлена задача разобраться в причинах повреждений - обрывов штоков, повреждений сопловых коробок, причем на турбинах с некоторыми новыми типами клапанов.

2. Методика и схема измерений пульсаций давления и вибрационных характеристик турбоагрегата.

Задача по получению динамико-акустических характеристик системы “РКПСК” решалась на новой основе с использованием компьютерных технологий и аналого-цифровых методов, положенных в основу диагностического комплекса МЭИ. На один из компьютеров с использованием специальных усилителей и плат аналого-цифрового преобразования (АЦП) записывались сигналы с датчиков пульсаций давления, на второй со штатных датчиков абсолютной вибрации опор и дополнительных датчиков вибрации элементов клапанов. Для измерения пульсаций давления в пароподводящих органах ЦВД турбомашины были использованы датчики ДДИ-21 (высокотемпературные с охлаждением) для измерений переменного давления в диапазоне от 0-50,0 МПа. Места установки датчиков, способы их крепления были разработаны совместно с заводом изготовителем (см. рис. 1). Записи пульсационных и вибрационных процессов велись с частотой 2,5 кГц. Однако акустические характеристики каналов между приемником датчика и стенкой трубы позволяли получить достоверные характеристики пульсаций по частоте лишь до 1500-1800 Гц, хотя сами датчики имеют диапазон измерений до 10 кГц. Остальные необходимые данные записывались по ходу эксперимента вручную, в том числе мощность, перемещения клапанов, давления за клапанами, а также основные тепломеханические параметры турбоагрегата.


Рис.1 Схема установки датчиков пульсаций давлений в пароподводящей системе турбоагрегата.

Для проведения и анализа испытаний было разработано специальное программное обеспечение. Всего в измерениях было обследовано в системе пароподвода 13 точек (см. рис.1), в том числе и перед стопорным клапаном. Из-за дефектов монтажа датчиков и нарушений в системе их охлаждения в процессе многодневных испытаний реально оставались действующими лишь две трети датчиков.

Испытания проводились на двух идентичных турбоагрегатах: - станционные N 3, и. N 2, отличающихся лишь технологическим разбросом при монтаже и ремонте размеров деталей и узлов. О диапазоне исследуемых режимов можно судить по рис.2. На нем нанесены лишь часть исследованных точек, а всего было исследовано более 2000 установившихся и неустановившихся режимов. Суммарная длительность испытаний на одном блоке составила несколько дней, на втором - несколько недель.


Рис.2 Зависимость давлений за регулирующими клапанами N1-4 Р1…4, давления перед клапанами Ро и давления в камере регулирующей ступени Pрс от относительной мощности турбоагрегата N=N/Nном.
1 - P1; 2 - P2; 3 - P3; 4 - P4; 5 - P0; 6 - граница докритического истечения пара через клапана; 7 - Pрс; 8 - граница докритического истечения пара через сопла регулирующей ступени.

На рис. 3-4 для примера приведены некоторые спектральные характеристики сигналов. Выделенная спектральная характеристика обычно представляет собой спектры в заданном диапазоне частот из 25-50 последовательных выборок порций сигналов с заданным шагом по времени, который можно варьировать от секунды до десятков минут.

Для данных исследований использовался шаг 1 минута.


a)

б)
Рис. 3 Каскадные спектры низкочастотных пульсаций давления на режиме N10 25.09.97: а) перед сопловой коробкой N1, б) после регулирующего клапана N 3.


Рис. 4 Каскадные спектры высокочастотных пульсаций давления 25.09.97 перед сопловой коробкой N3 на режиме N16

3. Анализ отдельных результатов испытаний.

Рассмотрим результаты отдельного испытания, которое характеризовалось тем, что в нем открывались и закрывались, в том числе на малые величины, клапаны N 3 и N 4, питающие соответствующие сопловые коробки. Относительная мощность турбины и перемещения клапанов при этом менялись так, как показано на рис. 5, 6.


Рис. 5 Зависимость относительной мощности турбоагрегата N=N/Nном от времени 25.09.97.


Рис. 6 Зависимость открытия клапанов N1-4 h1…4 от времени t 25.09.97.
1 - h1; 2 - h2; 3 - h3; 4 - h4.

В силу того, что максимальные пульсации давления в данном испытании были получены в трубопроводе за клапаном N 3 перед третьей сопловой коробкой, начнем анализ с этого потока. Однако, в общем случае максимальные пульсации могут быть и в других потоках в зависимости от конкретного технического состояния элементов системы РКПСК, порядка и скорости открытия клапанов, режимов работы.

Поток N 3. При испытаниях 25.09.97 г. были получены (см. табл.1):

  • Высокочастотные пульсации (ВЧП) давления с амплитудой до 2,3 МПа. в сопловой коробке третьего клапана при режимах его малого открытия ( h3 = 5 - 7 мм). Пульсации такой величины наблюдаются как при открытии клапана (см. рис. 7, режимы 10-14), так и при его закрытии (режимы 16). Частота пульсации составляет 400 - 420 Гц. Также имеются ВЧП примерно в удвоенном частотном диапазоне (см. рис. 7) с амплитудами до 0,8 МПа. Затем в диапазоне 1100-1150 Гц. Эти частотные диапазоны могут заметно изменятся с изменением режимов работы. Внутри диапазона (см. например, рис. 4). Частота пульсаций меняется непрерывно в силу нелинейности системы и изменения ее параметров.
  • Низкочастотные пульсации с частотой 7 - 8 Гц за клапаном N3 интенсивностью 0,6-1,0 МПа. Они наблюдаются при частичном открытии 3-го клапана на величину до 10 мм (практически при всех режимах по измерениям 25.09.97). Наибольшего значения (около 1,0 МПа.) низкочастотные пульсации обнаруживаются: а) при открытии 2-го и 3-го клапанов; б) при закрытии и 3-го и 2-го клапанов; в) при закрытии 3-го, а также 1-го и 2-го клапанов. Частоты 7-8 Гц соответствует собственным акустическим колебаниям в данных трубах (длиной l=19,4 м.) при одном открытом и другом закрытом концах трубы.


a)

б)
Рис. 7 Каскадные спектры высокочастотных пульсаций давления 25.09.97 перед сопловой коробкой N3: а) на режиме N10, б) на режиме N11.

При измерениях колебаний подвижного коромысла клапана N3 при нагружении турбины в его частотном спектре обнаруживается явно выделяющийся диапазон частот 400-500 Гц, а также появляются частоты 950-1150 Гц. Совершенно те же области частот пульсаций давления пара наблюдаются перед сопловой коробкой N 3, исследованных 25.09.97. При этих режимах величины амплитуд давлений составляют 0,02 - 0,4 МПа при частоте 500 Гц и достигают 0,1 - 0,25 МПа при частоте 950 - 1000 Гц. Объяснение этим особенностям колебаний и пульсаций 3-го клапана заключается в следующем:

При медленном открытии 3-го клапана в системе “Регулирующий клапан N3 - паропровод за ним - сопловая коробка” возникают сложные автоколебания: - низкочастотные с частотой 7 - 8 Гц при открытии 3-го клапана до 10 мм и амплитудой пульсаций 0,6 - 1,0 МПа и более; - высокочастотные “мягкого” возбуждения с частотой 500 Гц и с амплитудой до 0,4 МПа (режим N 6, при уменьшении открытия третьего клапана); - высокочастотные “жесткого” возбуждения с частотой 400Гц и с амплитудой 2,2 - 2,3 МПа.

На рис. 7 (датчик 9, режим 10) видно, как высокочастотные пульсации давления Dр = 0,6 МПа с высокой частоты изменяются быстро до 450 - 400 Гц и Dр возрастает скачкообразно до 2,0 МПа. Аналогично Dр возрастает до 0,7 МПа при частоте 920 Гц. В момент скачкообразного увеличения высокочастотных пульсаций в сопловой коробке 3-го клапана от 0,6 до 2,2 МПа произошло уменьшение низкочастотных пульсаций за 3-м клапаном от 1,0 до 0,6 МПа. Видимо, в нелинейной системе происходит обмен энергией между различными частотными составляющими.

Можно предположить, что при скачке в “жесткое” возбуждение частота собственных колебаний 3-го клапана становится равной частотам высокочастотных пульсаций давления, те становятся равными соответственно 400 и 800-850 Гц (для 1-й и 2-й собственных частот продольных колебаний клапана с подвеской). Не исключено, что срыв сопровождается колебаниями чашки клапана в пределах ее перемещения по штоку клапана.

Переход от жесткого к мягкому возбуждению (обратный переход) наблюдается на 14-м режиме (см. табл.1), при котором высокочастотные пульсации падают до 0,4 - 0,6 МПа, низкочастотные возрастают до 8 -9 атм., а при 15-м режиме до 1,0 - 1,2 МПа. Необходимо помнить, что в нелинейной системе всегда имеется гистерезис, попав в зону возбуждения автоколебаний из нее можно выйти только путем существенного изменения параметров, значительно отличающихся от тех, при которых они (автоколебания) возникли. Вновь переход от мягкого к жесткому возбуждению наблюдается на 16-ом режиме: высокочастотные пульсации поднимаются до 2,3 МПа, а низкочастотные в этот же момент вновь падают до 0,6 МПа. Толчками для перехода от мягкого к жесткому возбуждению и обратно могут послужить, и, видимо, послужили манипуляции с первым и вторым клапанами. Можно считать, что при "жестком" возбуждении колебания чашки клапана происходит с отставанием ее от уступа разгрузочного клапана: чашка подскакивает на уступе. При этом, естественно, частота собственных колебаний клапана в системе РКПСК снижается.

Это действительно наблюдается (см. данные таблицы 1) и проявляется в том, что частота высокочастотных пульсаций перед 3-ей сопловой коробкой снижается тем больше, чем выше уровень пульсаций давления.

Если принять это предположение, то перспективной мерой предотвращения интенсивных “жестких” колебаний является применение такой конструкции подвески чаши клапана, которая исключала бы “свободный ход” чаши по штоку. Это требует разработки конструкции клапана с иной нетрадиционной разгрузкой. Система подгрузки, применяемая в клапане завода-изготовителя на данной турбине, видимо, не устраняет "подскока" чаши, если система входит в режим жесткого возбуждения и вход в “жесткое” возбуждение автоколебательной системы происходит в том случае, если некоторым внешним воздействием система получает возбуждения выше некоторого порога. Таким внешним возбуждением, видимо, явилось резкое прикрытие какого либо клапана, например, 2-го клапана (режим 8 - резкое прикрытие 2-го клапана, режим 15 - также резкое прикрытие 2-го клапана). Быстрое прикрытие клапана вызывает как стационарное, так и переходное повышение давления во всем паропроводе выше прикрываемого клапана, а также и в параллельной ветке. Как известно, распространение возмущений происходит со скоростью звука в среде (около 600 м/с). Так что прикрытие 1-го клапана также может сказывается на повышении давления в клапанной коробке 3-го клапана.

Сказанное послужило причиной перехода от “мягкого” к “жесткому” возбуждению. Обратный переход от жесткого к мягкому возбуждению связан с быстрым открытием в период 11-го и 12-го режимов последовательно 1-го, 2-го и третьего клапанов. При этом давление в коробке N 3 понизилось, что вызвало уменьшение возбуждения. Скачкообразный переход от больших пульсаций к малым произошел с отставанием, которое характерно для автоколебаний с жестким возбуждением.

Поток N 1. Высокочастотные пульсации в сопловой коробке за 1-м клапаном обнаружены при всех режимах (см. табл. 1). Их уровень 0,15 -0, 2 МПа, частота около 500 Гц (снижается до 400 Гц, максимальная амплитуда 0,4 МПа с частотой 500 Гц в 12 режиме). Вторая частота 900 - 950 Гц с пульсацией от 0,02 до 0,2 МПа. Учитывая соображения, высказанные при анализе колебаний и пульсаций 3-го клапана, можно считать, что клапан N 1 и соответствующая подсистема “РКПСК-1” - имеют режим автоколебаний при мягком возбуждении. Низкочастотные колебания перед сопловой коробкой N1 при всех режимах имеют уровень, меняющийся мало: 1,1 - 1,3 МПа в первый период (16 - 20 часов) и 0,1 МПа в период (20-24 часа). Имеется также корреляция между изменениями как высокочастотных, так и низкочастотных пульсаций с перемещениями клапана N1.

Частота низкочастотных пульсаций в сопловой коробке за клапаном N1 - почти постоянная и составляет около 11 Гц, что почти в точности соответствует собственной частоте 1-го тона в коротких трубах от клапана к сопловой коробке (l= 15,5 м) в предположении, что труба открыта с одной стороны (со стороны клапана, который открыт полностью, а иногда частично) и полностью закрыта с другой стороны. Итак, клапан N 1, работавший при больших открытиях, тем не менее, находится в режимах автоколебаний. Перед сопловой коробкой имеем следующие амплитуды и частоты: низкочастотные до 1,3 МПа с частотой 11 Гц соответственно; высокочастотные (при частоте 500 Гц, амплитуда колебаний давления Dр доходит до 0,4 МПа; а при частоте около 950 Гц, Dр достигают 0,2 МПа).

Поток N 2. 25.09.97 г. высокочастотные пульсации перед сопловой коробкой N 2 наблюдаются в первой части испытаний с амплитудой от 0 до 0,2 МПа при частоте около 500 Гц и с амплитудой от 0 до 0,3 МПа при частоте 900 - 950 Гц. Во второй части пульсации находились около 0,4 МПа (изменяясь от Dрмин=0,2 МПа до Dрмах=0,5 МПа) при частотах 400 - 500 Гц. При частотах 840 - 950 Гц амплитуды находились также в среднем на уровне 0,3-0,5 МПа. В целом ситуация для потока N 2 оказалась подобна изложенной для потока N1.

Поток N 4 (за клапаном N4). По опытам 20 - 21.08.97 в сопловой коробке при открытом до +15 мм 4-м клапане высокочастотные пульсации не обнаружены, они не появлялись вплоть до “полного” закрытия клапана. Отметим, что 20 - 21.08.97 условия проведения эксперимента отличались от условий 25.09.97 г. Так, например, 21.09.97 4 -й клапан поднимался при постоянной нагрузке, что требовало прикрытия 3-го клапана.

Низкочастотные пульсации с частотой 8 Гц наблюдались при всех режимах и достигли максимальных значений 2,0 МПа при нагрузке чуть выше 50 %.

Они оставались такими же при нагрузке до 71 % (которая изменялась другими клапанами при закрытом 4-м клапане). Видимо пульсации связаны с малыми протечками пара при закрытом клапане при неполной его посадке. С другой стороны, низкочастотные пульсации могут придти в нитку за закрытым 4-м клапаном двумя путями: - либо через периодически "подбрасываемый" пульсацией малый клапан, возможно неплотно к тому же севший; - либо через камеру регулирующей ступени от соседних ниток при дозвуковом истечении через работающие сопловые коробки.

Малые открытия 1-го и 2-го клапанов исследованы при испытаниях 20-21.08.97 г. Они показали, что от нагрузки холостого хода до 90% от номинальной за клапанами N1 и N2 имеются весьма слабые (<0,05 МПа) высокочастотные пульсации с частотой около 550 Гц и низкочастотные пульсации до 0,5 - 0,6 МПа (за клапаном N1) и до 0,3 МПа (за клапаном N2). Наибольшие низкочастотные пульсации за 1-м и 2-м клапанами наблюдаются на холостом ходу и составляют до 0,7 МПа при частоте 7 Гц для 1-го клапана и до 0,5 МПа при той же частоте 7-8 Гц для 2-го клапана. Видимо, при частичном открытии клапанов N1 и N2 в сопловых коробках N1 и N2 низкочастотные пульсации будут выше.

Результаты расчетно-теоретического анализа причин разрушения сопловых коробок, условий возникновения колебаний в системе РКПСК с использованием упрощенной математической модели [11] как и результаты натурных испытаний показывают, что режимы равной мощности при определенных отклонениях в давлениях за клапанами или перед стопорным клапаном могут быть как устойчивы, так и неустойчивы [12].

4. Основные результаты испытаний.

Основные результаты измерений и спектрального анализа пульсационных характеристик в системе подвода пара заключаются в следующем.

  • Низкочастотные пульсации с частотами около 3,3; 7,5 и 10,5 Гц были зафиксированы практически во всех испытаниях. Причем, наиболее интенсивные низкочастотные пульсации наблюдались при малых высокочастотных пульсациях, и они снижались по мере увеличения высокочастотных составляющих. При спектральном анализе сигналов отдельные всплески размахов усредняются по 4096 точкам. Однако по исходным сигналам было видно, что отдельные местные размахи могут превышать средние в 1,5-2 раза, как по низкочастотным, так и по высокочастотным составляющим. Так, например, максимальные амплитуды осредненных низкочастотных пульсаций составили около 2,5 МПа. Однако, как показывают исходные сигналы, отдельные всплески могут достигать “по амплитуде” 4,0-5,0 МПа. Причем на втором из испытанных турбоагрегатов низкочастотные составляющие в среднем оказались почти в два раза выше, чем на первом.
  • Были зафиксированы высокочастотные пульсации (ВЧП) с большой амплитудой и с широким набором частотных спектров. Эти пульсации есть автоколебания в системе “клапан - пароподводящая труба - сопловая коробка”. Амплитуды высокочастотных составляющих на первом испытанном агрегате достигли в отдельных точках 2,3-2,5 МПа при частотах около 400-450 Гц. При более высоких частотах амплитуды колебаний давлений значительно ниже, однако, энергия колебаний с учетом высокого значения частоты, например, 1150 Гц, может оказаться существенно выше. На втором турбоагрегате уровень высокочастотных амплитуд пульсаций за время наблюдения не превысил 1,0-1,2 МПа.
  • Как всякая нелинейная система исследуемая система РКПСК обладает свойством гистерезиса. После возбуждения колебаний для их уменьшения необходимо существенно изменить режим, например, снизить нагрузку значительно ниже той, при которой эти автоколебания возникли.
  • Частотный спектр пульсаций многообразен не только тем, что есть низкочастотные и высокочастотные пульсации. Сами частоты колебаний, особенно высокие заметно меняются от порции к порции. Так, даже при установившихся высокочастотных автоколебаниях, частота меняется на несколько десятков герц от порции к порции. В силу нелинейности системы частота пульсаций непрерывно меняется около некоторой средней величины, соответствующей определенному режиму и местоположению датчика. Для низкочастотных пульсаций средняя частота пульсаций практически зависит от акустических свойств трубопроводной системы - геометрии трубопроводов и параметров потока в них. Также как и для низких частот частота ВЧП непрерывно меняется около некоторой средней величины, которая в свою очередь зависит от степени открытия клапана, его упруго-инерционных и демпферных характеристик, состояния его подвесок и параметров трубопровода. По-видимому, изменение амплитуд и частот пульсаций даже на режимах слабо меняющейся нагрузки на турбоагрегате является естественным свойством нелинейной системы, каковой является система "РКПСК" мощного турбоагрегата.
  • Отдельные частоты изменяются в еще более широких пределах Частота за 25-30 минут может снизиться относительно плавно со значений около 600 Гц до 200 Гц и затем вырасти снова до 500 Гц. Такое резкое изменение связано прежде всего с изменением положения клапана, и действием на него неустановившихся продольных и поперечных сил, определяемых самим движением клапана и режимом работы турбоагрегата.
  • В силу нелинейных свойств системы в ней наблюдаются побочные частоты типа FПОБ=FОСН±FМИН (см., например, рис. 7).
  • Испытания также показали, что в системе РКПСК возможны два режима автоколебаний: (а) - режим “мягкого” возбуждения и (б) - режим “жесткого” возбуждения. Такая возможность свойственна нелинейным автоколебательным системам. Анализ данных свидетельствует, что автоколебания при “мягком” возбуждении наблюдаются во всех паропроводах: за 1-м, 2-м и 3-м клапанами. При мягком возбуждении амплитуды пульсаций давления, как правило, невелики и не превышают 0,2 МПа и только редко достигают значений до 0,4 МПа. Жесткое возбуждение возникает при действии в системе дополнительного импульса, который выводит автоколебательную систему в режим интенсивных автоколебаний. Резкие прикрытия клапанов приводят к как стационарному, так и переходному повышению давления в клапанной коробке 3-го клапана, что повышает возбудимость в системе 3-го клапана.
  • При переходе в режим автоколебаний после жесткого возбуждения наблюдается существенное снижение частоты пульсаций и, следовательно, частоты колебаний клапана N3 от 500 до 400 Гц. Это может свидетельствовать о том, что колебания клапана при жестком возбуждении происходят при подскакивании чашки на уступе штока (образующего тарелку разгрузочного клапана).
  • Низкочастотные пульсации в системах РКПСК также представляют автоколебательный процесс, в котором особое значение имеют акустические колебания в паропроводах от клапанов до сопловых коробок. Это подтверждается частотными характеристиками пульсаций: основные частоты пульсаций 7-8 и 10-11 Гц, практически совпадают с первыми собственными частотами акустических колебаний соответственно в длинных (19,9 м) трубах (от клапанов 3-го и 4-го) и в коротких (15,5) трубах (от клапанов 1-го и 2-го) до сопловых коробок.
  • Причиной разрушения сопловых коробок являются низко - и особенно высокочастотные пульсации давления, вызываемые возникающими при определенных режимах акустико-механическими автоколебаниями в системах КПСК.
  • Специальный расчет показывает, что если в сопловой коробке принять ту же амплитуду пульсаций, что зафиксировали датчики, то имеем разрушающие усилия, действующие на сопловой сегмент. Например, в режиме 13 от 25.09.97 осевое усилие на сопловой сегмент N 3 Fa = 68,7 ± 20,1 тонн силы; тангенциальное усилие на сопловой сегмент N 3 Рт = 7,63 ± 2,94 тонн силы. В приведенных числовых выражениях первые числа представляют собой статические составляющие, вторые - значения амплитуд пульсирующих составляющих. Эти результаты не учитывают низкочастотные пульсации, которые увеличивают суммарные переменные усилия на сопловые сегменты. Таким образом, измерения подтвердили, что повреждения сегментов и их разрушение обусловлено пульсациями давления в сопловых коробках, вызванных автоколебаниями в системе РКПСК.

    Можно считать, что интенсивные высокочастотные пульсации возникают только при быстрых изменениях положения клапанов (прежде всего при быстром их прикрытии).

    5. Некоторые рекомендации по повышению вибрационной надежности клапанов.

    Рекомендации эксплуатационного характера.
  • Учитывая многообразие режимов эксплуатации на каждом конкретном агрегате и технологический разброс тепломеханических и эксплуатационных параметров агрегата, режимы с интенсивными высокочастотными пульсациями могут возникнуть в различных частях системы РКПСК. Полученные результаты говорят о том, что имеются "эксплуатационные" резервы повышения надежности системы КПСК и возможности ухода от опасных режимов автоколебаний путем ограничения скоростей изменения мощности и исключения резких прикрытий и открытий клапана.
  • Применение скользящего давления во всем диапазоне регулирования мощностей вплоть до номинальной при полностью открытых трех клапанах.
  • Конструктивные мероприятия.
  • В диапазонe 75-110 % электрической нагрузки агрегата, когда отрывное усилие для третьего и четвертого клапана значительно ниже, чем при низких нагрузках для первого и второго клапанов, клапаны следует выполнить либо без разгрузки, либо с такой конструкцией подвески чаши клапана, которая исключала бы “свободный ход” чаши по штоку.
  • Поскольку расчеты статических и динамических усилий и соответствующих напряжений в креплениях сопловых сегментов показывают, что достаточные запасы прочности в них отсутствуют, заводу-изготовителю следует пересмотреть крепление, а возможно и конструкцию сопловых сегментов.
  • Для снижения вероятности образования люфтов в сочленениях подвесок клапанов, выполнить не только поджатие сочленений (см. [7]), но и пересмотреть размеры площадей контакта элементов и уменьшить контактные напряжения в них.
  • Повысить жесткость и демпфирование подвески клапанов в соответствии с увеличением мощности агрегата и отрывных усилий в клапанах.
  • Применение новых типов клапанов с обратным направлением потока пара ([7]).
  • Применение аэродинамических демпферов в паропроводах.
  • Исключение люфтов при установке и эксплуатации сегмента сопел путем правильного выбора механических свойств материалов сегментов сопел и сопловой коробки и ограничением скоростей прогрева сопловых коробок и сегментов сопел.
  • Названые конструктивные меры требуют серьезной конструкторской проработки и последующей проверки в эксплуатации.

    Наиболее простыми являются мероприятия в п. 6. Жесткость подвески увеличивается прежде всего увеличением диаметра штока клапана. Демпфирование следует увеличить путем установки гидравлических демпферов, а не демпферов сухого трения.

    Важной, однако пассивной мерой является ужесточение и демпфирование сегмента сопел.

    Таблица N1
    Высокочастотные уровни пульсаций давления для режимов (1-16) 25.09.97

    Датчик 8 (сопловая коробка за 1-ым клапаном)

    Характеристики по режиму

    Пульсация (частота) на режимах, МПа (Гц)

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    10

    11

    12

    13

    14

    15

    16

    начало режима

    0,18 (490)

    0,09 (500)

    0,05 (490)

    0,05 (480)

    0,1 (490)

    0,1 (500)

    0,02 (480)

    0,02 (490)

    0,02 (500)

    0,1 (420-500)

    0,1 (320); 0,1 (400); 0,4 (500)

    0,1 (320); 0,1 (400); 0,2 (500)

    0,1 (400); 0,15 (500)

    0,1 (400); 0,15 (500)

    0,1 (400); 0,1 (500)

    конец режима

    0,1 (500)

    0,09 (500)

    0,05 (500)

    0,25 (500)

    0,15 (500)

    0,1 (500)

    0,15 (500)

    0,02 (500)

    0,04 (500)

    0,15 (400-500)

    0,1 (320); 0,2 (400); 0,1 (500)

    0,1 (320); 0,2 (400); 0,1 (500)

    0,1 (400); 0,05 (500)

    0,1 (400); 0,05 (500)

    0,1 (400); 0,1 (500)

    Максимальная пульсация

    0,2 (500)

    0,2 (500)

    0,1 (500)

    0,25 (500)

    0,2 (500)

    0,2 (500)

    0,2 (500)

    0,15 (500)

    0,15 (500)

    0,2 (500)

    0,4 (400); 0,4 (500)

    0,25 (500)

    0,2 (400)

    0,2 (400)

    0,2 (400)

    2-ая зона высокочастотная зона пульсаций

    0,09 (950)

    0,05 (950)

    0,05 (950)

    0,09 (950)

    0,2 (950)

    0,02 (950)

    0,04 (950)

    0,1 (950)

    0,15 (880)

    0,15 (830)

    0,15 (800-900)

    0,1 (850)

    0,15 (830)

    0,2 (900)

    Датчик 12 (сопловая коробка за 2-ым клапаном)

    Характеристики по режиму

    Пульсация (частота) на режимах, МПа (Гц)

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    10

    11

    12

    13

    14

    15

    16

    начало режима

    Следы

    Следы

    0,02 (500)

    0,02 (500)

    Следы

    Следы

    0,2 (420)

    0,4 (440)

    0,3 (400)

    0,3 (440)

    0,15 (440)

    0,2 (440)

    конец режима

    0,01 (400)

    0,01 (500)

    0,1 (500)

    0,02 (500)

    Следы

    0,4 (480)

    0,4 (420)

    0,4 (400)

    0,4 (400)

    0,2 (400)

    0,2 (400)

    0,5 (440)

    Максимальная пульсация

    0,05 (600)

    0,06 (500)

    0,2 (500)

    0,15 (500)

    0,05 (500)

    0,4 (500)

    0,4 (420)

    0,4 (400)

    0,4 (400)

    0,2 (400)

    0,2 (400)

    0,5 (440)

    2-ая зона высокочастотная зона пульсаций

    0,01 (800-900)

    0,01 (800-900)

    0,1 (950)

    0,3 (950)

    0,1 (950)

    0,1 (950)

    0,4 (950)

    0,4 (800)

    0,4 (840)

    0,4 (840)

    0,4 (840)

    0,25 (840)

    0,3 (880)

    Датчик 9 (сопловая коробка за 3-им клапаном)

    Характеристики по режиму

    Пульсация (частота) на режимах, МПа (Гц)

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    10

    11

    12

    13

    14

    15

    16

    начало режима

    0,02 (400-500)

    0,02 (500)

    0,02 (500)

    0,05 (500)

    0,02 (500)

    0,4 (480)

    1,2 (450)

    1,5 (420)

    1,5 (400)

    1,7 (420)

    0,4 (420)

    0,5 (420)

    конец режима

    0,03 (500)

    0,02 (400-500)

    0,01 (500)

    0,02 (500)

    0,02 (500)

    0,01 (500)

    2,0 (400)

    2,0 (400)

    2,2 (400)

    2,0 (400)

    0,5 (400)

    0,4 (400)

    1,2 (400)

    Максимальная пульсация

    0,02 (400-500)

    0,1 (500)

    0,4 (500)

    0,25 (500)

    0,15 (500)

    2,0 (400)

    2,0 (400)

    2,2 (400)

    2,0 (400)

    2,2 (400)

    0,6 (400)

    2,3 (400)

    2-ая зона высокочастотная зона пульсаций

    0,03 (950)

    0,03 (950-1000)

    0,07 (1000)

    0,25 (1000)

    0,05 (1000)

    0,1 (950)

    0,8 (950)

    0,7 (850)

    0,8 (800); 0,5 (1200)

    0,8 (820); 0,5(1200)

    0,6 (850); 0,5 (1200)

    0,2 (880); 0,5 (1200)

    0,8 (880); 0,5 (1200)

    Список литературы

  • Ржезников Ю.В., Бойцова Э.А. О причинах нестабильности регулирующих клапанов мощных паровых турбин // Теплоэнергетика.1963.N3
  • Ханин Г.А. О типах колебаний регулирующих клапанов паровых турбин // Теплоэнергетика. 1978. N9. C.19-24.
  • Мутуль В.В. Причины вибрации регулирующих клапанов паровых турбин // Труды ЦКТИ. 1977. Вып. 149. C.19-27.
  • Мутуль В.В. О причинах вибрации регулирующих клапанов паровых турбин АЭС // Труды ЦКТИ. 1983. Вып. 208. С.104-107.
  • Мутуль В.В. Теоретическое и экспериментальное исследование роли инерционности потока при автоколебаниях регулирующих клапанов // Труды ЦКТИ. 1982. Вып.198. С.126-131.
  • Мутуль В.В. Влияние люфтов в сочленениях подвески на вибрационную надежность регулирующих клапанов паровых турбин. Тр. ЦКТИ. 1980. Вып. 178. С. 78-85.
  • Клапаны регулирующие паровых турбин. Методы повышения вибрационной надежности. РД 24.033.03-88. Колл. авторов. Минтяжмаш . М . 1990.
  • Weaver D.S. Flow Induced Vibrations in Valves Operating at Small Openings // IAHR-IUTAM Symposium on Practical Experiences with Flow-Induced Vibrations.Karlsruhe.Germany.Sep.3-6..1979.
  • Hartlen R.T., Jaster W. Main Steam Piping Vibration Driven by Flow-Acoustic Exaltation // IAHR-IUTAM Symposium on Practical Experiences with Flow-Induced Vibrations.Karlsruhe.Germany.Sep.3-6.1979.
  • Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Новые регулирующие клапаны паровых турбин, их характеристики и опыт эксплуатации // Теплоэнергетика.1996. N1. С.18-22.
  • Костюк А.Г. Анализ колебаний в пароподводящих системах паровых турбин //Теплоэнергетика. - 1998. -N 8.
  • Куменко А.И. Совершенствование расчетно-экспериментальных методов исследования динамических характеристик элементов турбоагрегата. Автореферат дисс. докт. техн. наук.: М.: МЭИ. 1999 г.