Особенности вибрационной диагностики газотурбинных установок

П.П. Якобсон

Ассоциация ВАСТ,
Россия, 198207, C-Петербург, пр. Стачек, д. 140


Copyright (с) 2003 Якобсон, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения автора.

В настоящее время в энергетической отрасли России идет стремительное увеличение доли газотурбинных установок (ГТУ) в производстве электроэнергии. Этот рост обусловлен вводом в эксплуатацию как новых парогазовых блоков теплоэлектростанций, так и блочных газотурбинных теплоэлектростанций (ГТЭС), используемых для электрификации и энергообеспечения процесса газодобычи в отдаленных районах по программам РАО ГАЗПРОМ.

Для крупных ГТЭС применяются мощные газовые турбогенераторы (40-150 МВт), для малых (блочных ГТЭС мощностью 5-10 МВт) - транспортные газотурбинные двигатели, в основном, авиационного и судового типа.

Кроме того, газотурбинные установки, как наиболее экономически эффективные, используются в качестве привода газоперекачивающих агрегатов на предприятиях транспортировки природного газа. Большинство предприятий этой отрасли эксплуатируют транспортные ГТУ авиационного и судового типа.

В настоящей статье рассматриваются особенности диагностирования транспортных ГТУ (рис. 1), выявленные при натурных исследованиях двигателей двух марок:

  1. ДР59Л судового типа, производства Криворожского турбинного завода. Выходная мощность 10,4 МВт, номинальная скорость вращения ротора низкого давления 5300 об/мин, высокого давления – 7200 об/мин, ротора силовой турбины – 4500 об/мин, масса 14000 кг, полный ресурс 82500 ч. (рис. 1, а).
  2. НК-12СТ авиационного типа, производства Самарского моторостроительного объединения. Мощность на выводном валу 6,3 МВт, номинальная скорость вращения ротора турбокомпрессора 8280 об/мин, силовой турбины - 8200 об/мин, масса 3500 кг, назначенный ресурс 33000 ч. (рис. 1, б).
Рис. 1. Транспортные ГТУ в составе газоперекачивающего агрегата :
а) судового типа – ДР59Л; б) авиационного типа – НК-12СТ

Существенным конструктивным отличием судовых энергетических установок является наличие каскадов высокого и низкого давления, не связанных кинематически между собой, и межвального роликоподшипника.

Формирование сигнала вибрации ГТУ определяется малыми габаритами и использованием подшипников качения с одной стороны, и высокой энергонасыщенностью конструкции и оборотами роторов компрессоров и турбин, с другой. Указанные особенности конструкции и условий работы агрегатов обуславливают как более низкий, по сравнению с паровыми турбинами межремонтный ресурс (1000-1500 часов), так и существенные трудности при разработке методики диагностирования.

  1. Основной метод диагностики подшипников качения – анализ спектра огибающей высокочастотной случайной вибрации - малоэффективен по двум причинам: а) подшипниковые узлы недоступны для непосредственной установки датчиков вибрации; б) высокочастотная вибрация корпуса и опор содержит сильные гармонические составляющие, создающие «ложный» сигнал модуляции при исправном подшипнике качения.
  2. В связи с относительно небольшой массой корпуса и высокими температурами рабочего тела сигнал высокочастотной вибрации, измеряемый в точках контроля на корпусе установки, содержит, в основном, информацию о локальных аэродинамических процессах.
  3. Нагрузки на рабочие и направляющие (сопловые) лопатки определяются, как правило, центробежными силами, действующими на ротор и силами аэродинамического сопротивления лопаток. Причем переменная составляющая последних определяется несимметрией аэродинамического сопротивления лопатки и по своему влиянию на вибрацию близка к моментной неуравновешенности ротора, но величина формируемых колебательных сил, а, следовательно, и вибрации, зависит от нагрузки на агрегат.
  4. Аэродинамические характеристики воздуха и продуктов сгорания природного газа в проточной части имеют повышенную турбулентность и, как следствие, появляется нелинейное взаимодействие ближайших ступеней (как рабочих, так и сопловых). В результате этого возникают колебательные силы на субгармониках лопаточных частот и на комбинационных частотах.
  5. В трехвальных установках межвальный подшипник, не являющийся несущей опорой ротора, нагружается при прогибах роторов, несоосности и/или аэродинамических проблемах, что приводит к нелинейному взаимодействию центробежных сил каскадов высокого и низкого давления и взаимной модуляции вибрации на частотах вращения этих роторов.
  6. Близкие значения частот вращения разных каскадов установки, а также большое количество ступеней с различным количеством лопаток обуславливает высокое число комбинационных и лопаточных составляющих вибрации во всем диапазоне частот, что существенно затрудняет постановку диагноза и автоматизацию алгоритма.

По результатам совместных исследований специалистов ВАСТа и ПТУ «Ленгазэнергоремонт» можно утверждать следующее:

После анализа перечисленных выше особенностей формирования вибрационного сигнала и влияния дефектов на его параметры выработан основной подход к диагностике ГТУ данного типа – интегральная оценка состояния установки при наличии развитых дефектов. Поскольку обнаружение зарождающихся дефектов каждого узла ГТУ затруднено, а признаки средних дефектов существенно изменяют свое значение при изменении нагрузки, принято решение об «отстраненной» оценке – выявлении диагностических признаков только развитых дефектов и отказ от точек контроля вибрации на корпусе проточной части.

Два основных положения методики:

  1. Объективная оценка состояния агрегата возможна при контроле вибрации в точках, по возможности равноудаленных от основных источников корпусной вибрации.
  2. С высокой достоверностью можно обнаружить только развитые дефекты, так как сигнал вибрации, возбуждаемой зарождающимися дефектами, практически затухает при прохождении до выбранных точек контроля.

Для реализации этого подхода наиболее эффективным является спектральный анализ вибрации машины в контрольных точках в плоскости крепления опор ротора в двух направлениях в зоне каждой из опор вращения.

Разработанная в результате проведенных в 1998-2002 годах исследований на станциях ООО «Лентрансгаз» методика диагностирования ГТУ основывается на измерении спектров вибрации в трех частотных диапазонах: низкочастотном (до 1 кГц), среднечастотном (до 5 кГц) и высокочастотном (до 25 кГц). Обнаруживаемые виды дефектов приведены в табл. 1.

Таблица 1.
Вид дефектаПричины
1. Неуравновешенность ротора
  • механический дисбаланс (износ отдельной лопасти, налипание продуктов сгорания и т.п.);
  • аэродинамический дисбаланс (плохое обтекание отдельных лопаток потоком).
2. Бой вала
  • дефекты соединительных муфт, при их наличии;
  • несоосность валов из-за нарушения соосности опор вращения (подшипников),
  • перегрузка межвального подшипника из-за искривления одного из валов,
  • сильный износ подшипника или ослабление его крепления.
3. Дефект опор вращения
  • перекос одного из колец подшипника,
  • ослабление креплений опор, подшипниковых узлов.
4. Износ рабочего колеса (износ лопаток)
  • износ торцевых поверхностей лопаток рабочего колеса
  • смещение (радиальное или осевое) рабочего колеса (или направляющего аппарата) – вплоть до задевания
  • ухудшение обтекания потоком направляющего аппарата, в том числе из-за износа лопаток последнего.
5. Дефекты рабочего колеса
  • бой вала с рабочим колесом
  • перекос рабочего колеса
  • преимущественный износ (дефект) отдельной лопатки рабочего колеса
6. Повышенная турбулентность потока
  • плохая работа направляющего аппарата или дефекты в камере сгорания, при которых появляются отдельные локальные зоны повышенной турбулентности.
7. Износ подшипника
  • появление повышенного зазора в подшипнике, при котором возникает нелинейное взаимодействие вала и подшипника или двух валов.
8. Дефекты подшипника
  • ударное взаимодействие тел качения с дефектом на поверхности наружного (внутреннего) кольца подшипника или дефектного тела качения с поверхностью качения на наружном кольце.

Периодичность измерений переносными виброанализирующими средствами разработанной методике составляет »1000 часов наработки агрегата, но не реже 1 раза в течение 3 месяцев, и сокращается по развития дефектов до 100 часов.

Методика реализована в программном модуле для автоматизированной диагностики подшипников и лопаточного аппарата двух- и трехвальных ГТУ на базе пакета DREAM for Windows. В 2002 году в программный модуль сдан ООО «Лентрансгаз» в опытную эксплуатацию.

Литература:

  1. Карасев В.А., Ройтман А.Б. Доводка эксплуатирумых машин. Вибродиагностические методы. – М.: Машиностроение, 1986.
  2. Вибрационный контроль технического состояния газотурбинных газоперекачивающих агрегатов / Ю.Н. Васильев, М.Е. Бесклетный, Е.А. Игуменцев и др. – М.: Недра, 1987.
  3. Карасев В.А., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1978.
  4. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. – СПб.: СПбГМТУ, 2000.
  5. Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1981.

Copyright (с) 2003, Якобсон, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения автора.

Вернуться на Статьи, публикации, описания