Приложение А (обязательное). Структурный подход к анализу вибрации газовых и паровых турбин с гидравлическими подшипниками

Приложение А
(обязательное)

Структурный подход к анализу вибрации газовых и паровых турбин с гидравлическими подшипниками

А.1 Таблица неисправностей

Структурный подход к анализу вибрации газовых и паровых турбин с гидравлическими подшипниками включает в себя применение таблицы неисправностей (таблица А.1) и таблицы признаков неисправностей (таблица А.2). Перечень возможных неисправностей, включенных в таблицу А.1, не является исчерпывающим, но включает наиболее характерные и часто встречающиеся на практике неисправности машин данного вида.

Таблица А.1 - Таблица неисправностей для анализа вибрации газовых и паровых турбин с гидравлическими подшипниками

Неисправность/явление	Режим, в котором наблюдают изменения вибрации	Начальная скорость изменения вибрации	Частотные составляющие, на которых проявляется изменение вибрации	Поведение вибрации после изменения	Изменение критической скорости вращения	Вибрация при медленном вращении вала	Повторяемость	Особенности неисправности
Дисбаланс вала	Стационарный	Быстрое изменение	1-я гармоника частоты вращения	Стабильное	Отсутствует	Не влияет	Высокая	-
Дисбаланс вала из-за износа и потери массы элементов ротора	Стационарный, но может быть переходным	Одно или несколько скачкообразных изменений	1-я гармоника частоты вращения	Стабильное до следующего скачка	Существенное изменение уровня вибрации	Задевание может восприниматься на слух	Отсутствует	У турбин с сочлененными роторами изменения выше на подшипниках ротора с потерей массы. Может быть вызвана эрозией лопастей турбины
Изменение взаимного положения подшипников по высоте подъема	После переходного режима	Медленное изменение (при условии, что данная неисправность не привела к появлению автоколебаний на масляной пленке)	Преимущественно 1-я гармоника частоты вращения; может наблюдаться субгармоническая вибрация (см. автоколебания на масляной пленке)	При выходе на стационарный режим стабилизируется на новом уровне	Повышается или уменьшается в зависимости от направления изменения высоты подъема, на сочлененных роторах эффект противоположный	Не проявляется	При схожих условиях изменения могут не повторяться	Обратное изменение переходного режима не приводит к незамедлительному обратному изменению вибрации, которая зависит также от давлений в масляном клине и от температур металлических поверхностей. Обычно встречается у турбин с двумя подшипниковыми опорами на ротор и реже у турбин с одной опорой на ротор
Остаточный прогиб вала	Во время или после переходного режима, при большом падении температуры или изменении положения ротора относительно корпуса	Быстрое, часто значительное изменение	1-я гармоника частоты вращения	Уменьшается с уменьшением скорости (за исключением прохождения через резонанс), стабилизируется на новом уровне	Существенное изменение уровня вибрации	Рост механических биений	Есть	Сильный изгиб не позволяет запустить пусковой двигатель
Временный изгиб вала без задевания	При изменении температуры	Следует за изменением температуры и зависит от конструкции ротора	1-я гармоника частоты вращения	Возвращается к прежнему уровню после стабилизации температуры	Изменение уровня вибрации может быть существенным	Механические биения со временем уменьшаются	Есть	Может быть связана с биметаллическим эффектом и дифференциальной теплоизлучающей способностью материалов вала
Временный изгиб вала с задеванием	Изменения скорости или нагрузки с контактом между вращающимися и невращающимися элементами	Может быть разной. Быстрые изменения почти всегда сопровождаются появлением постоянного изгиба	1-я гармоника частоты вращения, могут наблюдаться высшие гармоники и отклик на резонансе при значительном задевании и изменении формы орбиты вала	Периодическое изменение амплитуды с вращающейся фазой или нестационарное	Изменение уровня вибрации может быть существенным	Повышенная сразу после выбега, уменьшается со временем	Может не наблюдаться	Обратное изменение скорости или нагрузки быстро восстанавливает предыдущий уровень вибрации. Вектор вибрации вращается с периодом обычно от 1/2 до 3 ч. Зависит от конструкции
Спиральная вибрация, небольшое задевание (эффекты Мортона и Ньюкирка)	При постоянной частоте вращения	Медленное изменение	Периодические изменения (с периодом от нескольких минут до часов) амплитуды и фазы 1-й гармоники. Период зависит от степени задевания	Обычно стремится к предельному циклу, возможны временное ослабление эффекта с последующим возобновлением	Изменение уровня вибрации может быть существенным	Повышенная сразу после выбега, уменьшается со временем	Обычно высокая	Для предотвращения задевания увеличивают зазор (например, выравниванием осей роторов). Эффект уменьшается с понижением уровня вибрации. Может потребоваться балансировка и уменьшение консольных масс (при наличии). Решением может быть также изменение конструкции подшипника
Автоколебания на масляной пленке 1)	При изменениях частоты вращения или разгрузке подшипников	Быстрое изменение	Обычно несколько ниже 1/2 частоты вращения, вибрация масляного клина появляется при приближении частоты вращения к резонансу и зависит от конструкции ротора (гибкий или жесткий)	Непостоянная вибрация повышенного уровня	Отсутствует	Нехарактерна	Есть	Для снижения уровня вибрации требуется значительное уменьшение частоты вращения
Паровое возбуждение	Повышение расхода пара под нагрузкой. Может иметь место при изменении высоты подъема подшипника. Наблюдается в цилиндрах высокого и среднего давления	Обычно быстрое изменение	1-я гармоника частоты вращения. Если вибрация связана с неконцентрическим расположением вала, то зависит от нагрузки	-	Отсутствует	Нехарактерна	Есть	Зависит от нагрузки. Устраняется регулировкой устройств, влияющих на распределение давления пара
Вихревое течение пара	Повышение расхода пара под нагрузкой. Может иметь место при изменении высоты подъема подшипника. Наблюдается в цилиндрах высокого и среднего давления	Обычно быстрое изменение	Субгармоническая вибрация обычно на критической частоте вращения ротора ступени	-	Отсутствует	Нехарактерна	Есть	Снижение расхода пара ведет к понижению вибрации, но при этом может наблюдаться эффект гистерезиса, что приводит к необходимости существенного снижения расхода
Вращающийся срыв в компрессоре газовой турбины (отрыв потока газа от лопаток компрессора)	Изменение условий потока газа	Внезапное и очень быстрое изменение	Субгармоническая вибрация	Остается высокой до изменения скорости или положения направляющих лопаток	Отсутствует	Нехарактерна	Есть	Возвращение к нормальным условиям потока сразу снижает уровень вибрации
Помпаж компрессора газовой турбины (резкие колебания напора и расхода газа)	Изменение условий потока газа	Внезапное и очень быстрое изменение	Распределенный спектр в области субгармонических частот	Остается высокой до изменения скорости или положения направляющих лопаток	Отсутствует	Нехарактерна	Есть	Возвращение к нормальным условиям потока сразу снижает уровень вибрации
Ползучесть материала ротора (для высокотемпературных роторов)	При постоянной нагрузке	Очень медленная (развивается в течение нескольких лет)	1-я гармоника частоты вращения	Линейно нарастает со временем под нагрузкой	Отсутствует	Изменяется одновременно с изменением общего уровня вибрации и не зависит от периода вращения	Условия невоспроизводимы	-
Трещина в роторе	Обычно при постоянной нагрузке	Медленная	1-я, 2-я и возможно высшие гармоники частоты вращения в зависимости от типа трещины. Постоянные изменения амплитуды и фазы	Экспоненциальный рост при нагрузке	Может наблюдаться при совпадении 1-й и 2-й гармоник с резонансами. Собственная частота уменьшается и разделяется на два пика с ростом трещины	Нехарактерна	Вибрация не уменьшается после проведения балансировки	Изменения вибрации в установившемся режиме могут быть незначительными. Большие вибрации ожидаются при прохождении резонанса во время выбега, что ускоряет рост повреждения. Наблюдается тренды для гармоник частоты вращения
Ослабление соединений элементов подшипниковой опоры	Обычно при постоянной нагрузке	Быстрое изменение вслед за появлением неисправности	Комбинация 1/2 гармоники, 1-й и высших гармоник частоты вращения. Изменения формы орбиты вала	Постоянная в установившемся режиме, изменяется в переходных режимах	Изменение динамических характеристик опоры ведет к изменению частоты резонанса	Нехарактерна	-	Рекомендуется проверить затяжку крепящих болтов
Уменьшение жесткости подшипниковой опоры	Обычно при постоянной нагрузке	Медленная	-	Постепенный рост	Уменьшение жесткости опоры ведет к изменению частоты резонанса	Нехарактерна	Условия невоспроизводимы	-
1) Для машин других видов данные явления описывают с использованием терминов "масляный вихрь" и "масляные биения". Примечания 1 Небольшое задевание обычно наблюдают между вращающимся валом и вкладышем подшипника при малом конструктивном зазоре в подшипнике и принятых в соответствии с этим мерами изготовителя по минимизации влияния задеваний, например благодаря использованию подпружиненных сегментных вкладышей или вкладышей с антифрикционным покрытием. 2 Сильное задевание обычно имеет место в точках, где оно изначально не предполагалось, и потому превентивные меры приняты не были. 3 Спиральная вибрация (эффект Мортона) связана с несимметричным (в окружном направлении) нагревом вала в гидравлическом подшипнике, приводящем к появлению временного температурного изгиба вала.

Таблица A.2 - Типичные признаки неисправностей

Неисправность/явление

Гармоники с повышенной вибрацией

Изменение вибрации

Изменение критической скорости

Проворачивание вала

Изменение с нагрузкой

Повторяемость

Особенности неисправности

субгармоники

1-я

2-я

высшие

нерегулярное

внезапное появление

постепенный рост

устойчивое

Слышимые задевания

Рост вибрации

Невозможно

Дисбаланс вала (общей природы)

Заметна при появлении

Дисбаланс вала из-за потери материала

°

°

°

Изменения выше на подшипниках ротора с потерей массы

Изменение взаимного положения подшипников по высоте подъема

°

°

°

°

°

Проявляется по завершении переходного режима

Остаточный прогиб вала

°

°

Временный изгиб вала без задевания

°

°

°

°

Может быть вызвана изменением температуры

Временный изгиб вала с задеванием

°

°

°

°

Проявляется при изменении частоты вращения или нагрузки

Автоколебания на масляной пленке

°

°

°

Вибрация масляного клина появляется при достижении ротором 1-й критической скорости

Паровое возбуждение

°

°

Зависит от нагрузки. Устраняется регулировкой устройств, влияющих на распределение давления пара

Вихревое течение пара

°

°

Снижение расхода пара ведет к быстрому понижению вибрации

Вращающийся срыв в компрессоре газовой турбины

Возвращение к нормальным условиям потока сразу снижает уровень вибрации

Ползучесть материала ротора

Трещина в роторе

°

°

Частота резонанса может уменьшиться, а сам резонанс разделиться на два пика

Ослабление соединений элементов подшипниковой опоры

°

°

Спиральная вибрация, небольшое задевание (эффекты Мортона и Ньюкирка)

°

Циклическое изменение амплитуды с периодом от 30 до 120 мин

- данный признак почти всегда присутствует при наличии данной неисправности. ° - данный признак может присутствовать или не присутствовать при наличии данной неисправности.