Снижение механических потерь
Основными источниками механических потерь в турбогенераторе являются его опорные подшипники и масляные уплотнения, работающие в двух принципиально различных режимах - в режиме работы полусухого или граничного трения при полном отсутствии смазки или с масляной пленкой при вращении ротора валоповоротным устройством и в режиме работы при вращении ротора с номинальной частотой, когда поверхность вала полностью отделена от опорной поверхности вкладыша сплошной масляной пленкой.
В опорных подшипниках при вращении ротора с номинальной частотой происходит самозатягивание масла.в клиновой зазор между рабочими поверхностями шейки вала и опорного вкладыша и образование устойчивой масляной пленки. При этом центр вала, всплывающего на масляном клине, смещается относительно центра вкладыша в направлении вращения на некоторую величину, называемую эксцентриситетом. Потери, выделяющиеся в этом режиме работы, являются результатом трения шейки вала о масляный клин, внутреннего трения отдельных слоев масляного клина и трения масляного клина о баббитовую поверхность вкладыша. Эти потери зависят от геометрических размеров, шейки вала, массы ротора, частоты вращения, угла охвата вала вкладышем, относительного зазора эксцентриситета и вязкости масла.
Геометрические размеры вала, масса ротора и частота вращения являются заданными величинами для данной конкретной машины и изменению не подлежат. Остальные параметры могут быть изменены в процессе ремонта или эксплуатации, поскольку вязкость масла сильно зависит от его температуры.
Внутреннюю поверхность вкладыша растачивают до размера, большего диаметра шейки вала на величину «потолочного» зазора вкладыша. При такой расточке вал, положенный на нижнюю половину вкладыша, соприкасается с ним (теоретически) по прямой линии, длина которой равна длине вкладыша. По бокам от «опорной» линии образуются постепенно расширяющиеся клиновые зазоры, угол наклона которых, определяющий условия образования устойчивой масляной пленки, зависит от потолочного зазора. От краев нижней половины вкладыша (вниз от горизонтального диаметра) клиновой зазор дополнительно расширяется для устройства так называемых холодильников, облегчающих подвод и отвод масла. Центральный угол дуги окружности, на которой поверхность вкладыша сохраняет свою цилиндрическую расточку, назыоаается углом охвата шейки.
Потолочные зазоры, косвенно характеризующие форму клинового зазора, можно непосредственно измерять между поверхностями шейки вала и верхней половины вкладыша только при условии строго цилиндрической расточки вкладыша без какой-либо дополнительной обработки. Если при расточке вкладыша между его половинками закладываются прокладки, которые в дальнейшем вынимаются, это приводит к искусственному уменьшению «потолочного» зазора.
Наибольшее влияние на потери оказывает вязкость масла, резко изменяющаяся при изменении температуры». Так, например, при повышении температуры масла всего на 10° (от 40 до 50 °С) потери на трение в двух подшипниках турбогенератора средней мощности (ТВ2-100-2) снижаются на 30 кВт.
Температуру масла в масляном слое подшипников (непосредственно под шейкой вала) целесообразно поддерживать в максимально допустимых пределах около 80-85°С, контролируя ее по показаниям термометров сопротивлений, специально установленных в рабочем слое баббита в непосредственной близости от масляного клина. Температуру масляной пленки не следует смешивать с температурой выходящего из подшипников горячего масла. Значительная часть масла, протекающего через подшипник, не попадает под вал ротора и выполняет лишь функцию охлаждающей среды, отвбдящей теплоту от вала и вкладыша. Ориентировочно можно считать, что указанная температура масляной плёнки обеспечивается при температурах входящего и выходящего масла соответственно 40—45 и 60—70 °С.
По мере повышения температуры и снижения вязкости масла толщина масляной пленки также уменьшается. Опыт показывает, что минимально допустимая толщина пленки должна быть (с некоторым запасом) не менее 0,06—0,04 мм. При меньшей толщине пленки может наступить полусухое трение и расплавление вкладыша. При вращении ротора валоповоротным устройством потери на трение в подшипниках невелики и зависят только от коэффициента трения стальной шейки вала о баббит вкладыша и удельного давления на баббит. При нормальном состоянии поверхностей трения и частоте вращения 4 об/мин для генераторов мощностью 50—300 МВт потери на трение на один подшипник составляют 3—4 кВт.
В торцевых масляных уплотнениях, получивших наибольшее распространение в современных турбогенераторах, совмещены элементы упорного подшипника и собственно уплотнения. Уплотнение водорода осуществляется масляной пленкой, образующейся между рабочими поверхностями упорного диска ротора и вкладыша три номинальной частоте вращения. Устойчивость масляной пленки обеспечивается несущими клиновыми поверхностями, являющимися основным элементом несущей поверхности вкладыша. Радиальные площадки, расположенные между ними, входят в контакт с упорным диском вала ротора при отсутствий сплошной масляной пленки при неподвижном роторе или при вращении ротора валоповоротом.
Уплотнения работают при значительном удельном давлении между гребнем вала и вкладышем, который прижимается к последнему суммарным давлением газа в корпусе генератора, масла и прижимных пружин, что сопровождается потерями на трение, Потери зависят от окружной скорости вращения гребня вала, удельного давления на рабочей поверхности, толщина масляной пленки и вязкости масла, пропорциональной его температуре.
Для снижения потерь целесообразно эксплуатировать уплотнения при температуре масла в рабочем слое 55—65°С. Основным критерием при этом должна являться температура баббита вкладыша, контролируемая до встроенному в нее термометру сопротивления, которая не должна превышать 75 °С. При этом перегрев баббита относительно масла, поступающего в уплотнения, не должен превышать для машин мощностью 30—120 и 150—300 МВт соответственно 17 и 25 °С. Обычно при нормальном режиме работы и правильной разделке рабочего слоя вкладыша эти температуры обеспечиваются при температуре входящего на уплотнения масла 35—45 °С.
В режиме полусухого трения при вращении ротора валоповоротным устройством аксиальная нагрузка воспринимается поверхностью, площадь которой значительно меньше, чем при нормальной частоте вращения. Происходит интенсивный износ рабочих поверхностей, изменяющий оптимальное соотношение между клиновыми и плоскими участками поверхности вкладыша. Так, например, при износе баббита всего на 0,05 мм в аксиальном направлении эффективная площадь клиновой поверхности (при наклоне ее на 0,15— 0,2 мм на длине 18—20 мм) сокращается приблизительно на 25—30%. Это вызывает снижение несущей способности масляной пленки при номинальной частоте вращения ротора и нарушение оптимального режима работы уплотнения. Поэтому для максимального снижения износа при вращении ротора валоповоротным устройством следует принимать меры по снижению удельного давления на рабочую поверхность вкладыша. Это достигается соответствующим изменением давления уплотняющего и прижимающего масла по сравнению с теми давлениями, которые поддерживаются на уплотнениях при нормальной работе.
Радикальным средством снижения износа рабочих поверхностей вкладышей отри работе в режиме полусухого трения является применение в масляной системе специальных регуляторов, автоматически изменяющих перепад давлений уплотняющего масла и водорода в зависимости не только от давления газа, но и от частоты вращения ротора. Ускорению износа баббита вкладышей способствует также загрязнение масла твердыми частицами размером более 5 мкм. Установленные в настоящее время на электростанциях фильтры типа ФМ-10 пропускают частицы размером не более 0,3 мм. Длина маслопроводов на некоторых электростанциях достигает 30—60 м, поэтому возможно загрязнение масла и в самих трубопроводах, а также накопление продуктов старения масла (шлама и грязи) на дне расширительного бака, в котором резко снижается скорость течения масла, особенно в период остановки, когда расход масла на уплотнения уменьшается.
При изменениях уровня масла в расширительном баке, обусловленных изменениями расхода масла в переходных режимах (пуск и остановка агрегата), осадок, находящийся на дне бака, переходит во взвешенное состояние, перемешивается с маслом и попадает с ним на уплотнения. В наиболее тяжелый период работы уплотнении с точки зрения износа к ним подается наиболее загрязнённое масло. Чтобы уменьшить скорость износа баббита, целесообразно на участке между расширительным баком и уплотнением установить дополнительный фильтр с гидравлическим сопротивлением не более 0,005 МПа.
Некоторые турбогенераторы имеют уплотнения кольцевого типа. Изменение потерь в зависимости от температуры масла имеет место и в уплотнениях этого типа. Например, для уплотнения диаметром вала 580 мм с шириной уплотнительного пояска 15 мм и радиальным зазором 0,15 мм при повышении температуры масла в зазоре с 60 до 70 °С потери на трение снижаются приблизительно на 30%.
Выводы. Снижение механических потерь в опорных подшипниках и масляных уплотнениях обеспечивается оптимальной геометрией разделки рабочих поверхностей вкладышей и повышением (в допустимых пределах) температуры масла в рабочем слое.
Азбукин Ю. И., Повышение эффективности эксплуатации турбогенераторов. — М.: Энергеатомиздат, 1983
