22.Анализ причин возникновения вибрации при эксплуатации турбоагрегата увеличение осевою сдвига ротора. Рекомендации по их устранению. Действия обслуживающего персонала в этой ситуации.

УСИЛЕННАЯ ВИБРАЦИЯ ТУРБОАГРЕГАТА. Причины возникновения такой вибрации в зависимости от эксплуатационных условий могут носить различный характер. Сюда можно отнести, например, осевой сдвиг или прогиб ротора выше допустимых норм, одностороннее расширение корпусов, понижение температуры масла, поступающего на подшипники, обрыв лопатки, бандажа т.д. В таком случае, необходимо немедленно остановить ГТЗА, выяснить причину случившегося и устранить неисправность.

ПОСТЕПЕННОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ ОСЕВОГО СДВИГА РОТОРА. Для выяснения причин подобной эксплуатационной ситуации необходимо снизить нагрузку до величины, при которой осевой сдвиг будет стабилизи­рован. Затем рекомендуется проверить давление в регулировочной ступени на предмет превышения его выше допустимого значения. Если величина давления окажется выше этого значения необходимо производить дальнейшее снижение нагрузки до тех пор, пока оно не достигнет требуемой величины.

Далее при работе ГТЗА на сниженной нагрузке рекомендуется произвести прослушивание на предмет наличия посторонних шумов. При отсутствии таких шумов ГТЗА можно оставить в действии, но с тщательным наблюдением за осевым положением ротора. Если при дальнейшей работе ГТЗА появятся посторонние шумы и будет увеличиваться величина осевого сдвига ротора или произойдет повышение температуры масла после упорного подшипника необходимо немедленно остановить ГТЗА.

1. Пуск в действие гту. Предъявляемые требования. Основные этапы пуска и их анализ. Характер изменения параметров работы гту-20 и компрессора при запуске. Уравнение момента страгивания.

Пуск ГТУ представляет собой неустановившийся процесс вывода на режим холостого хода, т.е. минимальный режим устойчивой рабо­ты. Он состоит из сочетания сложных явлений, происходящих в ос­новных элементах ГТУ (компрессорах, камере сгорания, турбинах). Устойчивость и безотказность пуска при любых эксплуатационных условиях - одно из основных требований, предъявляемых к ГТУ. Однако, несмотря на надежность и апробированность систем, гаранти­рующих выполнение этого требования, в период пуска ГТУ, под воздействием различных эксплуатационных факторов возможно наруше­ние его нормального протекания и даже срыв.

В период пуска ГТУ происходит изменение моментов, развивае­мых стартером и турбиной, а также общего момента сопротивления системы ТК блока. Его основные этапы приведены на рис.3.1 [11].

Этапы запуска ГТУ

На первом этапе происходит раскрутка ТК блока с помощью стартера до частоты вращения n1, соответствующей началу пос­тупления в камеру сгорания воздуха и осуществлению процесса вос­пламенения в ней.

На втором этапе (от n1 до n2) продолжается раскрутка ТК блока, но уже при совместной работе стартера и турбины. После достижения ТК частоты вращения n2, когда мощность турбины становится достаточной для его дальнейшей раскрутки, стартер отключается.

На последнем этапе (от n2 до nxx) продолжается увеличение мощности турбины и выход ГТУ на режим холостого хода.

Рассмотрим процессы, происходящие в элементах ГТУ, в период ее пуска от n= 0, до n=nxx.

Потребная для работы компрессора мощность определяется его параметрами: КПД (ηк), производительностью (Gк) и величи­ной перепада тепла, характеризующего достигнутую степень повыше­ния давления при определенной температуре наружного воздуха. Ха­рактер изменения некоторых из них от частоты вращения в период пуска ГТУ представлен на рис.3.2.

Характер изменения параметров работы компрессора при запуске ГТУ

случае процесс запуска ГТУ можно разбить на следующие этапы: страгивание, холодный разгон и подача топлива.

Для страгивания ТК блока к нему с помощью стартера подводится энергия, обеспечивающая преодоление сопротивления всей системы и ускорение ротора. При этом крутящий момент стартера должен быть не менее, чем в 1,5-2,0 раза больше момента страгивания, определяемого по формуле:

Мстр=ξ*Р*r, (3.1)

где Р - вес ротора ТК; r - радиус подшипника, ξ = 0,3 - коэф­фициент трения покоя.

Величина указанного запаса обуславливается изменением момен­та страгивания в зависимости от времени стоянок, количества вскрытий, ремонтов и др.

На этапе холодного разгона необходимо принимать во внимание следующее обстоятельство: момент сопротивления ТК до подачи топ­лива в камеру сгорания для ГТД различ­ного класса может быть принят, равным моменту сопротивления компрессора, т.к. момент сопротивления турбины в это период пренеб­режимо мал. Для определения момента сопротивления ТК при В = 0, т.е. в области небольшого сжатия воздуха, может быть использована формула:

М/М0 ≈ (n/n0)2 , (3.2)

где М0, n0 - момент и частота вращения ТК на основном расчетном режиме.

При подаче топлива необходимо руководствоваться следующим. Продолжительность запуска ГТУ определяется временем подачи топлива и чем раньше оно будет подано, тем меньше время запуска. При экстренном запуске вводится ряд ограничений. Для обеспечения устойчивого горения в камере сгорания минимальное число оборотов компрессора должно составлять 10-20 % от значения полного хода. Удовлетвори­тельный распыл топлива должен быть обеспечен при его минимальном расходе через форсунки. Применительно к форсункам с механическим распылом эта величина обычно составляет 10-20 % от расхода на полном ходу, а с воздушным распылом она может быть снижена до 5-10 %. При выборе числа оборотов и количества топлива в момент подачи необходимо учитывать, что из-за неудовлетворительного рас­пыла, низкой скорости и температуры воздуха его значительная часть может не сгореть вообще или будет догорать в проточной части тур­бин. Поэтому КПД камеры сгорания в этот период падает до 60-70 % (вместо 97-98 % на полном ходу).

2. Виды стартеров пуска I ГУ. Их особенности. Фактор, определяющий время запуска ГТД. Способы улучшения пусковой характеристики ГТД. Основная причина повышения момента сопротивления при iaii\CKo ГТД.

Для осуществления пуска судовых ГТУ находят применение три вида стартера (электродвигатели постоянного и переменного тока, паровая турбина), каждому из которых присущи свои особен­ности. Так, электродвигатель постоянного тока обладает хорошей моментной характеристикой, допускает регулирование режима прос­тейшими способами (например, изменением напряжения в обмотке возбуждения), однако имеет большие габариты и для своей работы требует наличие выпрямителя.

Электродвигатель переменного тока обладает теоретически наилучшей моментной характеристикой ( ст = f(n)). В то же время обычные малогабаритные двигатели (с короткозамкнутым ротором) допускают работу при пониженной скорости вращения только в течение нескольких секунд из-за многократной перегрузки по току, что для запуска ГТД неприемлемо, т.к. раскрутка ТК из-за его инер­ции обычно занимает несколько минут. Применение регулируемых двигателей (например, с фазным ротором) нерационально из-за увели­ченных габаритов и сложности системы регулирования. Поэтому для запуска ГТУ наиболее целесообразным является электродвигатель переменного тока в сочетании с гидротрансформатором. Такой комп­лекс представляет собой электрогидравлическое пусковое устройство. Наилучшей пусковой характеристикой обладает паровая турбина, т.к. она развивает большую мощность при предельно малых габаритах. Ее применение ограничивается необходимостью наличия пара, а это ставит запуск ГТД в зависимость от работы паровых котлов.

Мощность стартера составляет 2-4 % от мощности ГТД.

При выборе времени запуска определяющим является вес ГТД. Например, в легких ГТД, благодаря малой массе деталей, не возни­кает опасность недопустимых температурных напряжений, кораблений и т.п., связанных с его быстрым нагревом при запуске. В этом случае запуск определяется временем разгона ротора. В тяжелых ГТД, наоборот, вследствие массивности их деталей необходим постепенный и длительный прогрев. Время выхода из холодного неподвиж­ного состояния на режим холостого хода в большинстве случаев составляет 10 мин, а на режим полного хода - (20-30) мин; из горячего состояния - соответственно (4-6) мин и (6-8) мин. Экстренный запуск в 3-4 раза быстрее нормального запуска ГТД.

Учитывая, что надежность запуска ГТД в действие определяется моментом сопротивления раскручиваемого ТК, поэтому при его работе в таком режиме необходимо создать условия для уменьшения величины сопротивления и увеличения вращающего момента. В зависимости от типа ГТД для этих целей используют различные способы. В ГТД прос­тейшей схемы для улучшения пусковой характеристики уменьшают нагрузку на выходном валу, например, путем постановки на нулевой шаг лопасти ВРШ, отсоединения ГТД от гребного винта и т.п. В ГТД со свободной пропульсивной турбиной уменьшают сопротивление за турбиной компрессора, например, путем вытравливания газа на ее входе или раскрытием сечения поворотом сопловых аппаратов.

Для ГТД с двумя компрессорами имеются свои особенности. В начальный период запуска ТКНД неподвижен, т.к. момента, разви­ваемого его турбиной, не хватает для страгивания. В этот период помимо потери на выхлопе турбины раскручиваемого ТК (как и в схе­ме со свободной турбиной), добавляется потеря от прососа воздуха через неподвижный КНД, которая по опытным данным равна:

ΔРпр = кz(G/G0)2, (3.3)

где z - число ступеней компрессора; G - количество просасывае­мого воздуха; G0 - номинальная производительность компрессора; к≈1.

Из формулы (3.3) видно, что даже при малых расходах воздуха

компрессор представляет собой существенное сопротивление, сле­довательно, для улучшения пусковой характеристики ГТД следует либо с помощью специального пускового устройства заранее страги­вать ТКНД, либо уменьшать потери путем введения дополнительного воздушного тракта в обвод КНД.

Наиболее распространенной причиной повышения момента сопротивления при запуске является помпаж компрессора, приводящий к резкому снижению его КПД. В этом случае рациональным способом улучшения пусковой характеристики является вытравливание в атмос­феру небольшого количества воздуха из компрессора. Возникающие при этом потери будут значительно меньше по сравнению с выигры­шем от увеличения КПД компрессора в процессе его выхода из помпажа. Например, в ГТУ-20 компрессор при работе во время запуска в зоне помпажа имеет КПД около 65 %, а при выходе из помпажа - около 85 %, т.е. КПД

3. Основные процессы, происходящие в камере сгорания ГГД при запуске. Факторы, влияющие на устойчивость работы пусковою воспламенителя. Условие устойчивого воспламенения смеси. Понятие пусковой характеристики.

Как указывалось выше, при запуске ГТУ в действие в ее основных элементах происходят специфические процессы. Их сущность излага­ется ниже.

КАМЕРА СГОРАНИЯ. В этом элементе в конце первого этапа запуска при достижении ТК блоком частоты вращения n1 (рис.3.1) происходит зажигание топлива. Для обеспечения ее надежного нача­ла и устойчивой последующей работы необходимы эффективные дейст­вия воспламеняющего устройства, хорошее смесеобразование и ор­ганизация горения.

В качестве воспламеняющих устройств наибольшее распростране­ние получили пусковые воспламенители, состоящие из пусковых фор­сунок и устройств, обеспечивающих необходимое формирование огне­вого факела. Их пусковые качества в основном обусловлены расходом топлива. В камерах сгорания, имеющих пусковые воспламенители, по­дается в 1,5 раза больше топлива, чем без них.

Устойчивость работы пускового воспламенителя определяется скоростью воздушного потока на входе в диффузор камеры сгорания и коэффициентом избытка воздуха в нем, а эффективность работы - температурой, глубиной проникновения факела внутрь жаровой трубы и местом расположения. Значения этих параметров взаимосвя­заны с составом смеси в воспламенителе и совершенством рабочего процесса.

После поджигания топливо-воздушной смеси происходит расп­ространение пламени по всему объему жаровой трубы камеры сгорания. Факторами, определяющими его характер, являются отношение количест­ва тепла, выделившегося в начальном сферическом объеме смеси, где происходит электрический разряд, к количеству отводимого тепла. Зависимость здесь такова: чем больше это отношение, тем лучше происходит распространение пламени.

В последующий период горения начинает возрастать давление в камере сгорания, в результате чего происходит переброс пламени через специальные патрубки в остальные холодные ее объемы и под­жигание в них топливо-воздушной смеси.

Н адежность распространения пламени по всему объему камеры сгорания зависит от геометрических размеров и кинетической энер­гии выходящего факела, определяющих его воспламеняющую способ­ность, а также от характеристик смеси в циркуляционных зонах хо­лодных жаровых труб.

Геометрические размеры поджигающего факела при постоянном перепаде давлений между жаровыми трубами обусловлены только вели­чиной проходного сечения пламеперебрасывающего патрубка.

Устойчивое воспламенение смеси в камере сгорания возможно лишь при проникновении огневого факела в зону обратных токов цир­куляционной области. Если этого не произойдет и топливовоздушная смесь будет поджигаться на периферии жаровой трубы, стабильного горения смеси во всем объеме жаровой трубы не образуется, т.к. пламя постоянно будет сноситься потоком, движущимся с большой скоростью в зоне прямых токов.

Условия воспламенения смеси и пламеобразование во всем объе­ме жаровой трубы непосредственно зависят от состава горючей смеси и качества ее образования. Горение происходит при вполне опреде­ленных соотношениях паров топлива и воздуха.

Время подготовки смеси связано со скоростью испарения топ­лива. Оно определяет возможности сгорания смеси в пределах жаро­вой трубы. Интенсивность испарения топлива непосредственно зави­сит от степени его распыла (величины капелек) и усиливается с уменьшением их размеров.

При попадании огневого факела в зону обратных токов происхо­дит интенсивное испарение капель топлива и его воспламенение с распространением процесса воспламенения и на зону прямых токов. Устанавливается стабильный процесс горения, при котором горение смеси в зоне прямых токов постоянно поддерживается очагом пламени в зоне обратных токов. После этого отключаются пусковые воспла­менители.

Пусковые возможности камеры сгорания характеризуются ее пус­ковой характеристикой. Она определяет область воспламенения и ее границы, а также максимально допустимые значения скорости потока и коэффициента избытка воздуха.

4. Условие ускорения вывода ГТУ на режимы холостого ходч. Устойчивость работы компрессора. Физическая сущность. Влияние на режим работы турбины и камеры сгорания. Характеристика компрессора при работе на пусковых режимах.

КОМПРЕССОР. Для ускорения вывода ГТУ на режим холостого хода необходимо иметь температуру газа перед турбиной максимально до­пустимой. Однако препятствием этому является предел устойчивой работы компрессора.

Известно, что область такой работы осевого компрессора при низкой частоте вращения существенно сужена. Кроме того, при ин­тенсивном возрастании температуры газов перед турбиной заметно увеличивается сопротивление газовоздушного тракта ТК и, как след­ствие, снижается производительность компрессора. Его степень по­вышения давления в области малых оборотов возрастает медленно. В конечном итоге происходит уменьшение осевой скорости воздушно­го потока, увеличение угла атаки обтекания лопаток и возможен срыв потока. Компрессор будет работать неустойчиво (помпажировать), в результате чего начнется колебание давления воздуха на выходе, снизится его производительность и возникнет вибрация. Все это отразится на работе турбины. При падении давления за компрессором нарушится установившаяся работа камеры сгорания и догорание газов будет происходить уже за турбиной. При сниженном давлении на входе и возросшем противодавлении на выходе существенно уменьшит­ся тепловой перепад, срабатываемый турбиной и, как следствие, про­изойдет снижение интенсивности роста частоты вращения ТК блока. В таких условиях возможны "зависание" частоты вращения и срыв запуска ГТУ. Во избежание этого, величина критерия устойчивости компрессора против помпажа должна быть Ку >1,1. При значениях Ку > 1,1 (очень малых запасах устойчивости) требуется корректи­ровка подачи топлива на запуске вручную.

Характеристика компрессора при работе его на пусковых режи­мах приведена на рис.3.5 [11].

Видно, что при запуске рабочая линия компрессора заметно смещается в сторону к границе устойчивости по сравнению с рабо­той на установившихся режимах.

На некоторых ГТУ допускается выход рабочей линии компрессора за границу устойчивой работы на первом этапе запуска, т.к. в этот период топливо в камеру сгорания не подается, а поэтому серьезной опасности ГТУ не подвергается. В противном случае (по каким-то причинам произойдет подача топлива в камеру сгорания) ГТУ попадет в помпаж и возможен пожог лопаток турбины.

Общий вид характеристики компрессора при его запуске

Рис.3.5 (1 - напорные характеристики; 2 - граница устой­чивой работы компрессора; 3 - рабочая линия комп­рессора при запуске; 4 - рабочая линия компрессора на установившихся режимах; I - отключение стартера; II - частота вращения холостого хода).