Способ гашения колебаний ротора паровой турбины Советский патент 1992 года по МПК F01D21/04 

сл С

Использование: теплоэнергетика для гашения низкочастотных колебаний ротора паровой турбины. Сущность изобретения; измеряют направление и величину смещения оси ротора относительно оси корпуса турбины. Выдел я ют амплитуду низкочастотной спектральной составляющей колебаний ротора. Сравнивают значение этой амплитуды с допустимым значением и по результату сравнения воздействуют на органы парораспределения, изменяя асимметрично радиальному смещению расход пара через турбину. 2 ил

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для гашения самовозбуждающихся низкочастотных колебаний ротора, возникающих при наборе мощности и на максимальной нагрузке.

Известен способ гашения колебаний ротора паровой турбины, позволяющий гасить самовозбуждающиеся низкочастотные колебания ротора паровой турбины путем уменьшения парового (газодинамического) возбуждения в приточной части высокого давления за счет изменений конструкций уплотнений проточной части ступени турбины, направленных на разуплотнение, как за счет увеличения радиальных и уменьшения осевых зазоров бандажных v 1лотнений, так и за счет применения специальных (разуплотненных) бандажных уплотнений, снижающих величину так называемых венцовых и

бандажных сил парового (газодинамического) возбуждения ротора.

Основным недостатком этого способа гашения колебаний ротора является то, что проведение мероприятий, (конструктивных изменений), направленных на повышение виброустойчивости турбины, связано с существенными технологическими трудностями его осуществления для каждого конкретного турбоагрегата в различных режимах его нагружения и, кроме того, его применение в большинстве случаев неизбежно ведет к снижению экономических показателей на всех режимах нагружения турбины из-за увеличения утечки пара через зазоры уплотнений ротора и каналы протечки, минуя лопаточный канал, и особенно, когда мощность агрегата приближается к номинальной при максимальной нагрузке.

VJ XI

О 00

ю о

Известен способ гашения колебаний ротора паровой турбины путем поддержания на ее входе давления пара (или его расхода) на заданном уровне, соответствующем режиму работы турбины. Для этого измеряют давление пара на входе турбины, сравнивают его с заданным уровнем в том же сечении и компенсируют измерение давления пэра изменением его расхода, изменяя положение регулирующего клапана.

Недостатком этого способа является низкая эффективность гашения колебаний ротора, так как измеряют колебания давления пара на входе турбины, обуславливающие одну из составляющих колебаний ротора, которая и гасится. При этом составляющие колебания ротора, вызванные другими причинами, в том числе и самовозбуждающиеся в результате действия неуравновешенных газодинамических сил в проточной части низкочастотные колебания, не гасятся.

Известен способ гашения колебаний ротора паровой турбины, в котором одновременно с поддержанием за органами парораспределения давления (расхода пара) на заданном уровне, соответствующем режиму работы турбины, производят измере- ние колебаний ротора, по результатам которого путем воздействия на органы парораспределения турбины изменяют давление пара на лопатки, синхронно вращению ротора и асимметрично в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора.

Недостатком этого способа является низкая эффективность гашения самовозбуждающихся низкочастотных колебаний паровой турбины, так как они не синхронны с частотой вращения ротора, а проявляются с частотой, равной первой собственной частоте колебаний ротора (первой критической частоте вращения ротора), что не повышает виброустойчивость турбоагрегата в процессе нагружения его.

Цель изобретения - повышение надежности путем повышения виброустойчивости ротора. Это способствует более эффективному использованию турбоагрегатов на повышенной мощности, а также снижение интенсивности разбивания уплотнений, в результате сохраняется мощность, т. е. повышается экономичность турбоагрегата.

Поставленная цель достигается тем, что в способе гашения колебаний ротора паровой турбины, включающем их измерение и воздействие на органы парораспределения турбины, дополнительно измеряют направление и величину смещения оси ротора относительно оси корпуса турбины, из измеренных колебаний выделяют амплитуду низкочастотной спектральной составляющей колебаний ротора, сравнивают значения этой амплитуды с допустимым значением и на органы парораспределения

воздействуют по результатам этого сравнения путем изменения асимметрично радиальному смещению расхода пара через турбину до достижения равенства измеренного значения амплитуды низкочастотной

спектральной составляющей колебаний ротора допустимой.

Действительно низкочастотные колебания (вибрации) ротора энергетических турбоагрегатов, так называемые паровые

колебания, возникают при наборе мощности (увеличении расхода пара) из-за действия неуравновешенных газодинамических сил в проточной части, обусловленных эксцентричным положением оси ротора (смещением ротора относительно центрального положения) по отношению к оси корпуса турбины приводит к неравномерности зазора по окружности. Вследствие этого аэродинамические усилия, действующие на

лопатки, также становятся неравномерными, а равнодействующая всех этих усилий на лопатках образует поперечную силу, направленную перпендикулярно к направлению смещения ротора. Точки приложения

этих возбуждающих поперечных неуравновешенных газодинамических усилий распределены вдоль по ротору в зависимости от его смещения от центрального положения в корпусе турбины.

Поэтому для гашения колебаний ротора паровой турбины необходимо дополнительно измерить направление и величину смещения оси ротора относительно оси корпуса турбины, а из измеренных колебаний выделить амплитуду низкочастотной спектральной составляющей колебаний, сравнить ее значение с допустимым значением и по результатам этого сравнения изменить асимметрично измеренному радиальному

смещению ротора расход пара через турбину до достижения равенства измеренного значения амплитуды низкочастотной спектральной составляющей колебаний ротора с допустимым значением ее. В результате чего восстанавливается потерянная виброустойчивость ротора, т. е. повышается виброустойчивость турбины к самовозбуждающимся колебаниям (к автоколебаниям и тем самым достигается поставленная цель повышение надежности).

На фиг. 1 представлена схема варианта устройства, реализующего способ гашения колебаний ротора паровой турбины; на фиг. 2 - схема варианта парораспределительных

органов турбины для создания асимметрии расхода пара.

Устройство, реализующее способ гашения колебаний ротора паровой турбины, содержащее ротор 1, корпус 2 турбины. измерительные преобразователи 3 и 4 перемыкающий ротора, размещенные вблизи ротора 1 и подключенные через фильтры 5 и 6 и умножители 7 и 8 соответственно на входы сумматора 9. Вторые входы умножи- телей 7 и 8 подключены к выходам двухфазного опорного генератора 9 гармонических сигналов ( оы и cos &ы) фиксированной частоты (Ыо, Выход сумматора 10 подключен к первому входу измерителя 11 направле- ния смешения ротора 1, второй его вход подключен к одному из выходов опорного генератора 9. Кроме этого, выход сумматора 10 подключен к измерителю 12 величины смещения ротора 1. Эта часть устройства позволяет определить величину и направление смещения оси ротора 1 относительно оси корпуса 2 проточной части ступени турбины. Для выделения из виброперемещений ротора амплитуды низкочастотной спектральной составляющей измерительные преобразователи 3 и 4 перемещений ротора 1 дополнительно через настраиваемые фильтры 13 и 14, например, фильтры Фурье в виде перемножителей с перестра- иваемым по частоте генератором и фазовой автоподстройкой частоты (на чертеже не показаны), и квадраторы 15 и 16 подключены на соответствующие входы сумматора 17, выход которого через устройство 18 извле- чения корня и пиковый вольтметр 19 подключен к регистратору 20 с сигнализатором превышения амплитуды низкочастотной спектральной составляющей колебаний ротора допустимого значения.

Пар для привода ротора 1 во вращение подводится (см. фиг. 2) через клапаны 21,22, 23 и 24 регулирования расхода пара ступени турбины к сопловым камерам 25,26,27 и 28.

Способ гашения колебаний реализует- ся при помощи этого устройства следующим образом.

Ротор 1 за счет подвода пара к сопловым камерам 25, 26, 27 и 28 с заданным расходом пара при помощи клапанов регу- лирования 21, 22, 23 и 24, управляемые исполнительными устройствами (на фиг. 2 не показаны), приводится во вращение с частотой о). Радиальные перемещение ротора 1 относительно корпуса 2 преобразуются из- мерительными преобразователями 3 и 4 в электрические сигналы в виде:

Sx(t) SXCM + SxH4sln Qt + 2 Sf ;

Sy(t) SyCM + SyH4cos Q t + Ј Sy cos щ t,

где SXCM. 5усм - составляющая смещения ротора по координатам X и Y (по координатам установки преобразователей 4 и 3). пропорциональные Д& и Д(5у соответственно;

5хнч, 5унч - амплитуда низкочастотных колебаний ротора по вертикали и горизонтали соответственно;

Q«y- частота спектральной составляющей низкочастотных колебаний ротора (собственных колебаний);

SxjSin щ, Syjcos - J-ые спектральные составляющие колебаний ротора, в том числе и оборотная составляющая с частотой ш.

После фильтрации этих сигналов фильтрами 5 и 6 получим сигналы 5уСм и 5хСм, которые пропорциональные смещению ротора 1 относительно корпуса 2 соответственно по вертикали на Д(5у и по горизонтали на Д(5Х. Эти сигналы путем умножения их в умножителях 7 и 8 соответственно на единичные гармоничные сигналы cos оы и sin uJbt опорного генератора 9 преобразуются в гармонические СИГНаЛЫ 5УсмС08 (Dot. ScwSin Ofet и подаются на входы сумматора 10. В результате суммирования на выходе сумматора 10 получим сигнал S(t) в виде:

S(t) SCMsin(ftfet ).

где 5см - | (5смх)2 + (5сму)2

р arctg

о

Осм

SL

в котором амплитуда 5См пропорциональная величине смещения Д д ОкОр ротора 1 и которая измерителем 12 амплитуды отображается в единицах длины, а фаза р этого сигнала соответствует направлению смещения ротора 1 в корпусе 2, Для ее определения этот сигнал поступает и на измеритель 11 фазы, на второй вход которого в качестве опорного, поступает гармонический сигнал sin оы с генератора опорного 9. На табло измерителя 11 индицируется угол р в градусах.

Таким образом, мы на табло измерителя 12 амплитуды получаем величину смещения ротора 1 в единицах длины, например, в микронах, а на табло измерителя 11 фазы получаем направление смещения ротора 1 в корпусе 2 в градусах.

Кроме того, из сигналов измерительных преобразователей 3 и 4, после фильтрации их фильтрами 13 и 14 соответственно выделяются сигналы 5унчсоз QI и ЗхНч31п Qt, по которым путем возведения их в квадрат квадраторами 15 и 16, суммирования в сумматоре 17, извлечения квадратного корня устройством 18 и подачи на пиковый вольтметр 19 получаем си гнал, пропорциональный амплитуде низкочастотной составляющей колебаний ротора 1. Этот сигнал, пронормированный в единицы длины, регистрируется регистратором 20 и в случае превышения допустимого значения выдается сигнал об этом сигнализацией. Нарушение виброустойчивости ротора 1 может происходить при нагружении турбины, разгружени и турбины до заданной мощности, а также и при ее работе на повышенной мощности.

При нарушении виброустойчивости ротора 1, т. е., когда значение амплитуды низкочастотной спектральной составляющей превысит допустимое, необходимо путем воздействия на клапаны 21, 22, 23 и 24, которыми регулируют расход пара соответственно через сопловые камеры 25, 26, 27 и 28, изменить расход пара асимметрично радиальному смещению ротора 1 относительно корпуса 2, которое соответствует измеренному смещению ротора 1 на 5См в направлении р и отображается измерителем 11 амплитуды и измерителем 12 фазы.

В рассматриваемом примере реализации способа гашения колебаний ротора паровой турбины при ее работе при заданной мощности необходимо, сохраняя заданную мощность турбины, увеличить расход пара через сопловые камеры 25 и 28, размещенные на корпусе 2 по А с В со стороны увеличения зазора (в направлении р + 180°), и уменьшать расход пара через сопловые камеры 26 и 27, расположенные d В со стороны уменьшения зазора (в направлении $), до достижения амплитуды низкочастотной спектральной составляющей колебаний ротора допустимой и отключения сигнализации.

Для сохранения виброустойчивости ротора 1 паровой турбины при ее нагружении до заданной мощности, пользуясь показателями измерителей 11 и 12, т. е. результатами измерения колебаний и смещения ротора 1 в корпусе 2, в рассматриваемом примере реализации необходимо, контролируя значение амплитуды низкочастотной спектральной составляющей, поочередно увеличивать расход пара в начале через сопловые камеры 25 и 26. которые расположены на полуокружности v/A с В, со стороны увеличения зазора, а затем через сопловые камеры 26 и 27, расположенные с противоположной стороны, до набора требуемой мощности, каждый раз не допуская превышения значения амплитуды низкочастотной спектральной составляющей допустимого

значения, контролируя амплитуду по показаниям регистратора 20 и сигнализации.

При снижении мощности (разгружении турбины), пользуясь результатами измерения смещения ротора и контролируя амплитуду низкочастотной составляющей, необходимо поочередно уменьшить расход пара, в нашем случае, в начале через сопловые камеры 26 и 27, которые расположены

0 со стороны уменьшения зазора, а затем через сопловые камеры 25 и 28, расположенные со стороны увеличения зазора. Во всех этих случаях изменение расхода пара достигается соответствующим воздействием на

5 регулирующие клапаны 21, 22, 23 и 24.

Другой вариант реализации повышения виброустойчивости ротора к паровому возбуждению колебаний, т. е. реализован способ гашения колебаний и другим

0 устройством, в котором по результатам измерения смещения ротора и контроля амплитуды низкочастотной спектральной составляющей асимметрия давления (расхода) пара создается асимметрично ради5 альному смещению ротора не путем воздействия на клапаны 21, 22, 23 и 24, а изменением расхода пара через перепускные каналы мимо гребней уплотнений ротора 1 (на чертеже не показано). При этом

0 через каналы перепуска, которые расположены по полуокружности в направлении смещения ротора 1 (со стороны уменьшения радиального зазора) расход пара увеличивают, а через каналы перепуска со стороны

5 увеличения радиального зазора - уменьшают до тех пор, пока амплитуда низкочастотной спектральной составляющей не снизится до допустимой величины. Для этого каналы перепуска пара, расположенные,

0 например, равномерно по окружности, дополняются устройствами регулирования перепуска пара (на чертеже не показано).

Данный способ гашения колебаний позволяет повысить виброустойчивость ротора,

5 что способствует повышению надежности, долговечности, сохранению располагаемой мощности с одновременным повышением эффективности использования турбоустановки и уменьшению вредного влияния вибрации

0 на обслуживающий персонал.

Формула изобретения Способ гашения колебаний ротора паровой турбины, включающий их измерение и воздействие на органы парораспределе5 ния турбины, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем повышения виброустойчивости ротора, дополнительно измеряют направление и величину смещения оси ротора относительно оси корпуса турбины, из измеренных колебаний выделяют амплитуду низкочастотной спектральной составляющей колебаний ротора, сравнивают значение этой амплитуды с допустимым значением и на органы парораспределения воздействуют по ре- 5 ющей колебаний ротора допустимой, зультатам этого сравнения путем изменения асимметрично радиальному смещ расхода пэра через турбину до дости равенства измеренного значения ам ды низкочастотной спектральной сос

ющей колебаний ротора допустимой,

ния асимметрично радиальному смещению расхода пэра через турбину до достижения равенства измеренного значения амплитуды низкочастотной спектральной составля