Критические обороты турбины что это

Центробежная сила бандажа

Центробежная сила части хвостовика

Напряжение растяжения в сечении АВ

Центробежная сила участка АВСD

Напряжение среза в сечении ВС или AD

Полная центробежная сила хвостовика

9. Расчет критической частоты вращения вала

При проектировании паровой турбины необходимо определить критическую частоту вращения вала и сравнить ее с рабочей частотой вращения. Работа турбины на критической частоте вращения или близких к ней частотах недопустима, так как при этом наблюдается резкое усиление вибрации турбины, возможны задевания деталей ротора за статорные элементы, выход из строя подшипников, уплотнений и даже разрушение вала.

Существует несколько методов определения критических частот вращения, наиболее распространенным является энергетический метод. Эти методы требуют предварительного выполнения конструктивного чертежа вала; но если окажется, что найденное расчетом критическое число оборотов незначительно отличается от рабочего, то и чертеж, и трудоемкий расчет необходимо будет переделывать. Поэтому целесообразно в процессе проектирования производить оценку критической частоты вращения с помощью приближенных методов. Один из таких методов предложен инженером В.В.Звягинцевым.

Для многоступенчатого ротора с дисками на двух опорах им рекомендована следующая формула:

(9.1)

где d— максимальный диаметр вала, мм; расстояние между опорами, м; G— сила тяжести ротора, Н (в табл. 9.1 приведены для сравнения массы роторов ЦВД отечественных паровых турбин).

При этом предположено, что вал имеет наибольший диаметр посредине, откуда по направлению к подшипникам диаметр вала постепенно уменьшается.

Погрешность определения по этой формуле составляет ±3,5% по сравнению с энергетическим методом.

По величине определяют тип вала и опасную зону его работы. Валы паровых турбин могут иметь критическую частоту вращения как больше, так и меньше рабочей. В первом случае вал называют жестким. Обычно требуется, чтобы критическая частота вращения жесткого ротора не менее чем на 20-25% превышала рабочую. Для гибких валов нормальная частота вращения должна быть на 30-40% выше критической. Так как вторая критическая частота вращения для распространенных конструкций дисковых роторов на двух опорах приблизительно в 2,8 раза больше первой критической частоты, то рабочее число оборотов гибкого вала должно быть сопоставлено с обеими критическими частотами.

Обычно требуют, чтобы

(9.2)

Если величина попадает в опасную зону работы, то необходимо изменить величину в формуле (9.1).

Массы роторов ЦВД турбин

Длина ротора ,м

Масса ротора ,кг

Источник

КРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ

Смотреть что такое «КРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ» в других словарях:

критическая частота вращения — Максимально допустимая частота вращения, исключающая резонанс. [http://sl3d.ru/o slovare.html] Тематики машиностроение в целом … Справочник технического переводчика

критическая частота вращения вращающейся электрической машины — Частота вращения вращающейся электрической машины, при которой амплитуда вибрации ротора, обусловленная его вращением, достигает максимального значения. [ГОСТ 27471 87] Тематики машины электрические вращающиеся в целом … Справочник технического переводчика

критическая частота вращения генератора параллельного возбуждения — Максимальная частота вращения, при которой в данных условиях возможно самовозбуждение генератора параллельного возбуждения. [ГОСТ 27471 87] Тематики машины электрические вращающиеся в целом … Справочник технического переводчика

первая критическая частота вращения — (first critical speed): Самая низкая частота вращения, при которой боковая собственная частота колебаний вращающихся деталей соответствует частоте вращения. [ГОСТ Р 54806 2011, статья 3.19] Источник: ГОСТ Р 54805 2011: Насосы центробежные.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

n-я критическая частота вращения гибкого ротора — 93. n я критическая частота вращения гибкого ротора D. n Kritische Drehzahl des flexibles Rotors E. nth critical speed of the flexible rotor F. ntlem vitesse critique du rotor flexible Частота вращения гибкого ротора, при которой наблюдается… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

критическая крутильная частота вращения вращающейся электрической машины — Частота вращения вращающейся электрической машины, при которой амплитуда угла закручивания вала ротора машины, вызванная крутильными колебаниями вала, достигает своих максимальных значений. [ГОСТ 27471 87] Тематики машины электрические… … Справочник технического переводчика

критическая торсионная частота вращения — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN critical torsional speed … Справочник технического переводчика

частота — 3.2 частота: Вероятность появления последствия (возникновения опасного события). Источник: ГОСТ Р ИСО/ТС 14798 2003: Лифты, эскалаторы и пассажирские конвейеры. Методология анализа риска 06.01.15 частота [ frequency]: Число циклов периодического… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 19534-74: Балансировка вращающихся тел. Термины — Терминология ГОСТ 19534 74: Балансировка вращающихся тел. Термины оригинал документа: 2. n опорный ротор D. n Lagerrotor Е. n support rotor Single support rotor F. Rotor a n support Ротор, имеющий n опор Определения термина из разных документов:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Первая — 1.1. Первая группа «исходные данные» включает: длительности интервала планирования (месяц, квартал, полгода, год); срок жизни проекта (число временных интервалов шагов); дату начала проекта (год начала проекта или 0). 1.2. В состав второй группы… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Критический оборот

Критические обороты не стабильны и создают опасные напряжения в конструкции. При больших дисбалансах ротора их достичь не всегда удается. На подобного рода трудности при использовании данного метода ссылаются и авторы многих работ, приведенных в настоящем обзоре. [1]

Критические обороты крутильных колебаний наблюдаются не только у дизельных двигателей, но и у быстроходных паровых машин и компрессоров. При критическом числе оборотов возникают дополнительные напряжения как в вале, так и во всем кривошипном механизме, и, кроме того, дополнительные нагрузки передаются на фундамент и на раму машины. Поэтому работа на критическом числе оборотов весьма нежелательна. Если вал был запроектирован и выполнен так, что критическое число оборотов проявляется в пределах эксплуатационного числа оборотов, то имеется сравнительно мало простых мер, при помощи которых можно этот дефект ослабить или устранить. [2]

При критических оборотах в валу возникают постоянные по времени напряжения, тогда как в опорах напряжения будут изменяться по времени, что способствует увеличенпю спл демпфирования. [4]

Для определения критических оборотов следует рассмотреть равновесие системы при изогнутой оси вала. [5]

По признаку критических оборотов роторы подразделяют на два вида. Роторы, которые в диапазоне от нуля до максимальной рабочей частоты вращения не достигают критического числа оборотов, называют жесткими роторами. Роторы, которые в диапазоне от нуля до максимальной рабочей частоты вращения проходят критическое число оборотов, называют гибкими роторами. Весь диапазон оборотов гибких роторов подразделяют на две области: область до критического числа оборотов называется критической, область после прохода критического числа оборотов называется закритической. [6]

Уравновешивание на критических оборотах по формам колебаний имеет значительные трудности и неудобства. Так как, чтобы отбалансировать ротор по п формам колебаний, даже в идеальном случае необходимо сделать п запусков с пробными грузами. Это неудобно, потому что критические обороты опасны для прочности конструкции, они нестабильны и не дают точного замера параметров. Кроме того, замер происходит за счет увеличения прогибов вала на этих оборотах, а не за счет точности прибора, наконец, не всех критических оборотов можно достичь. [7]

В литературе по критическим оборотам задача о гибком вале или роторе, вращающемся на упругих опорах любого типа, недостаточно освещена. [9]

Однако не все эти критические обороты являются запретными для работы двигателя. Опасность для валопровода представляют только те критические обороты, дополнительные напряжения при которых больше допустимой величины. [10]

Подробно разберем методику расчета критических оборотов на схеме ротора, наиболее часто встречающейся в конструкторской практике. [11]

Для перехода к прохождению критических оборотов необходимо обеспечение таких показателей. [12]

О других приближенных методах определения критических оборотов будет сказано в главе о поперечных колебаниях. [14]

Вывод о необходимости балансировки на критических оборотах следует из решения уравнений, движения деформируемого ротора, нашедших практическое применение в МАИ. [15]

Источник

Резонанс в турбинах

При изготовлении турбины все ее части тщательно балансируют. Устраняется малейшее несоответствие весов отдельных частей ротора. Но одной балансировкой опасность вибраций не устранить. Весь ротор в целом и отдельные его части могут совершать колебания. Их частота зависит от массы и упругости колеблющейся детали. Колебания могут возникнуть под влиянием отдельных толчков, но при этом они быстро прекращаются, затухают. Плохо получается, когда частота этих толчков совпадает с собственной частотой колебаний. Тогда даже самые слабые толчки будут действовать в такт и могут раскачать ротор до очень больших и опасных вибраций.

Та скорость вращения турбины, которая совпадает с собственной частотой колебаний ротора или его частей, называется критической, резонансной. Усилия конструкторов мощных турбин всегда направлены на то, чтобы уйти от этого совпадения частот, уйти от резонанса, избежать его.

Нельзя произвольно выбирать скорость вращения турбины.

Чтобы выработать переменный ток с частотой 50 гц, ротор турбогенератора должен делать 50 оборотов в секунду, если он двухполюсный, или 25 оборотов, если он четырехполюсный (большего числа полюсов теперь в турбогенераторах не делают).

Прежде, бывало, соединяли паровую турбину с генератором при помощи зубчатой передачи (редуктора). Скорость вращения турбины можно было брать отличной ■от скорости генератора. Строились турбины на 80 и на 100 оборотов в секунду. Но теперь вал турбины и генератора всегда соединяют жестко, напрямую. Поэтому турбина может делать или 3 000 или 1 500 оборотов в минуту.

Раз скорость вращения ротора турбины жестко задана, то чтобы уйти от резонанса изменяют собственные частоты колебаний ротора так, чтобы ни одна из этих собственных частот не совпала с рабочей скоростью вращения ротора.

С резонансом приходится считаться во всех областях электротехники. Теория электротехники пронизана учением о резонансе. Не раз будет обсуждаться это явление в последующих главах.

Радиосвязь основана на резонансе приемника и передатчика.

При обстреле атомных ядер электронами и ионами эти заряженные частицы разгоняются до огромных скоростей отдельными толчками электрических сил. Эти толчки согласованы. Движение ионов и электронов происходит в резонанс с электрическими силами.

Во многих случаях все усилия инженеров направлены к тому, чтобы найти резонанс, обеспечить его. Но строители паровых турбин всеми силами стремятся уйти от резонанса.

Когда в конце прошлого века впервые начали строить быстроходные турбины, то в них применялись роторы, имевшие частоту собственных колебаний более низкую, нежели рабочая скорость вращения турбины. Их называли турбинами с гибким валом. При пуске таких турбин приходилось быстро проходить через критическую скорость, критическую частоту, чтобы турбина не успела раскачаться.

В настоящее время часто строят турбины, у которых частота собственных, резонансных колебаний ротора выше ее максимальной скорости вращения. Это — турбины с жестким валом.

Но ни в коем случае нельзя работать на скорости, совпадающей с собственной резонансной частотой ротора. В первом приближении собственную частоту колебаний ротора определяют, как частоту колебаний маятника, масса которого равна массе ротора, а длина — прогибу ротора под его собственным весом. Так как ротор выполняется из прочной стали, прогиб его очень мал — доли миллиметра — и собственная частота высока. Чтобы увести собственную частоту колебаний от требуемой скорости вращения, приходится иногда менять массу и размеры ротора.

Легко уйти от резонанса, когда только одна частота является резонансной. Но одну резонансную частоту имеет только такая простая конструкция, как маятник. У ротора турбины может быть много резонансных частот. Между ними надо расположить рабочую частоту.

В правильно рассчитанной и хорошо изготовленной турбине вибрации совершенно неощутимы.

Шеф-монтер ставит на пол свой стетоскоп: «Можно включать генератор», — говорит он. Старший машинист нажимает кнопку командного аппарата — «Внимание, готово». Это значит, что на щите управления зажегся такой же сигнал. Включение генератора должен производить дежурный электротехник на щите управления. Он находится на значительном расстоянии (обычно несколько десятков метров) от машинного зала. На главном щите не слышно гула турбин, отсюда не видно, что творится в машинном зале. Измерительные приборы и световые сигналы связывают людей на щите и в зале.

Просто сразу включить генератор нельзя. Надо так подогнать его скорость, чтобы его напряжение точно совпало с напряжением на сборных шинах. Этот процесс называется синхронизацией. Он будет подробно разобран в следующей главе. Пока достаточно сказать, что дежурный электротехник имеет у себя на щите синхроноскоп и может воздействовать со щита на регулятор турбины для изменения ее скорости вращения.

Взгляды всех присутствующих у турбины устремлены на ваттметр: он должен показать, что генератор включен, что он принял нагрузку. Но в этот момент все собравшиеся у турбины—только пассивные зрители. Управление агрегатом — в руках дежурного электротехника на главном щите. Стрелка синхроноскопа медленно движется по циферблату. Вот стрелка подходит к среднему положению. Дежурный электротехник нажимает кнопку включения масляного выключателя. На главном щите управления царит тишина. Здесь не слышно, как где-то в далекой камере срабатывает мощный привод высоковольтного выключателя. Стрелка синхроноскопа замирает в нейтральном положении. Генератор включен плавно, без толчка.

Но те, кто стоят у турбины, не видят синхроноскопа, не слышат срабатывания привода выключателя. Перед ними вспыхивает переданный по командоаппарату сигнал «генератор включен». Вздрагивает стрелка ваттметра. Нагрузку медленно увеличивают. Шеф-монтер опять внимательно прослушивает турбину. Стрелка ваттметра неуклонно движется вправо. Четверть, половина, полная. Генератор принял полную нагрузку.

Директор станции достает полтинник, новенький полтинник, специально для этого случая приготовленный, и ставит его на ребро на горизонтальной площадке на переднем подшипнике турбины. Монета остается стоять. Вибраций нет. Турбина издает ровный мерный негромкий гул. Точно огромная кошка подогнула лапы, зажмурила глаза и мурлычет на солнце.

Трудно представить себе, что там, внутри стального корпуса турбины, быстрее звука летят струи пара, и ротор турбины с тысячами лопаток, укрепленных на нем, и ротор генератора совершают 50 об/сек — 3 000 об/мин.

4- 25. Собственные нужды

Электростанция не только вырабатывает электроэнергию, но она же является одним из ее потребителей.

Электродвигатели вращают насосы для подачи питательной воды в котлы. Электродвигатели приводят в действие и мельницы для размола угля, и вентиляторы, подающие воздух в топку, и дымососы… И еще множество мощных электродвигателей работает на электростанции. Их общее потребление достигает нескольких тысяч киловатт.

Расход на все это самообслуживание электрической станции, на ее собственные нужды, как принято говорить, зависит от качества применяемого топлива. При малозольном высококалорийном топливе на собственные нужды может уходить меньше 5%. А в электростанциях, которые работают на сланцах, на собственные нужды иногда уходит до 17% от всей выработанной электроэнергии.

Все линии собственных нужд делаются е наибольшей надежностью, с наибольшим запасом. Электростанцию часто называют ^сердцем промышленности». Сборные шины собственных нул^д подобны артериям, питающим сердце.

Когда электростанция не справляется с нагрузкой, отдельные потребители отключаются от сети. При авариях иногда приходится отключать самых важных потребителей, отсоединять самые ответственные линии электропередачи. Но ни в коем случае нельзя касаться собственных нужд электростанции. Отключатся собственные нужды — и остановится вся электростанция. Категорически воспрещается подключать каких бы то ни было потребителей к шинам собственных нужд электростанции.

Наиболее ответственные электродвигатели на электростанции обычно дублируются паровыми. Например, для подачи питательной воды в котлы помимо электронасосов имеются еще резервные паровые турбонасосы.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Источник

Ротор турбины

Ротор паровой турбины может быть барабанного, дискового или комбинированного типа.

Барабанный ротор применяют при умеренной окружной скорости, большом числе ступеней давления, малых перепадах давлений между ступенями и необходимости очень жесткой конструкции. Эти условия соответствуют особенностям реактивных турбин.

Дисковый ротор применяют при большой окружной скорости, небольшом числе ступеней давления и значительных перепадах давлений между ступенями; все эти условия имеют место в турбинах активного типа.

Комбинированный ротор чаще всего состоит из одного двухвенечного диска в части высокого давления и барабана в части низкого давления; двухвенчатый диск дает возможность уменьшить длину барабана, так как может использовать большой перепад давлений. Ротры этого типа часто устанавливают на активно-реактивные турбины небольшой и средней мощности.

Рассмотрим по отдельности основные части ротра.

Валы. Существует довольно много различных конструкций валов, но их можно разделить на две группы:

Валы изготавливают отковкой из высококачественной стали, после чего проводят соответствующую термическую обработку. Обточка и проверка вала производятся очень тщательно, так как даже почти незаметный изгиб его вызывает вибрацию турбины.

Для вала любой вообще машины существует строго определенное число оборотов, при достижении которого он начинает очень сильно вибрировать; это число оборотов называется критическим числом оборотов вала и зависит от его длины, диаметра и профиля, а также от веса и расположения дисков (распределения нагрузки) и от расположения и типа подшипников.

Кроме собственный или свободный колебаний тела, возможны вынужденные колебания его, вызываемые периодически действующими внешними силами. Если внешняя сила действует на тело периодически и частота действия этой силы совпадает с частотой собственных колебаний тела или имеет величину, меньшую частоты собственных колебаний в целое число раз, то наступает резонанс колебаний, причем происходит значительное увеличение их амплитуды, часто разрушающе действующее на тело.

В паровой турбине вынужденные колебания вызываются толчками пара при прохождении лопаток мимо сопел и рядом других причин. Частота этих колебаний зависит от числа оборотов вала. То число оборотов вала, которое равно частоте собственных колебаний вала (в минуту), и является его критическим числом оборотов.

При числах оборотов, больших или меньших критического, вал будет работать спокойно за исключением тех моментов, когда число оборотов оказывается меньше критического в целое число раз. В эти моменты вибрация усиливается, хотя и не достигает такой степени, как при критическом числе оборотов.

Диски. Каждый диск, как уже говорилось выше, несет один или несколько рядов лопаток, вставленных хвостами в проточенные по окружности диска пазы, насаженных на обод диска или насаженных и приклепанных к нему.

Диски можно выполнять из высококачественной стали, так как они могут быть хорошо прокованы. Поэтому в них и допускают большие напряжения; роторы дискового типа находят широкое применение при больших окружных скоростях.

Материалом дисков служит как простая углеродистая сталь, так и специальные стали (хромоникелевая, хромоникелемолибденовая и другие). Заготовки для дисков тщательно испытывают в заводских лабораториях, и никакие дефекты в них не допускаются; поверхность диска тщательно обрабатывают.

В дисках тех ступеней турбины, которые должны работать без реакции или с малой степенью реакции, обычно сверлят по нескольку отверстий для выравнивания давлений по обе стороны диска.

Посадка дисков на вал производится всегда с значительным натягом, диск насаживают горячим с таким расчетом, чтобы увеличение диаметра отверстия втулки во время эксплуатации турбины было меньше, чем полученное от нагревания при посадке диска.

Дело в том, что во время пуска и в нормальной работе диаметр диска слегка увеличивается за счет нагрева и действия центробежных сил; это вызывает ослабление натяга и посадки диска на валу. Отсутствие натяга при работе может вызвать «болтание» диска, опасную для турбины вибрацию ротора и быть причиной аварии. Рациональное закрепление дисков на валу является поэтому задачей особенно важной.

Существует ряд способов насадки дисков, из которых мы отметим следующие:

Цель этого устройства следующая: если во время работы турбины диск вследствие расширения от нагревания и центробежной силы начнет терять натяг и ослабнет на втулке, то пальцы не позволят диску расцентроваться и болтаться на втулке. Втулка же, плотнго сидящая на валу и имеющая примерно равную с ним температуру и небольшую массу, свой натяг сохранит.

Иногда посадка дисков на вал с помощью пальцевых втулок применяется и в высоконапряженных больших дисках ступеней низкого давления мощных современных турбин.

В настоящее время получили большое распространение роторы, вал которых откован заодно с дисками. Достоинством их являются отсутствие посадок, могущих ослабнуть в эксплуатации турбины, и меньшая длина, так как отпадает необходимость крепления дисков на валу, вследствие чего втулочные части дисков могут быть тоньше. Ввиду того что отковать ротор большого диаметра из одного слитка стали очень трудно, наибольшее применение цельнокованые роторы имеют для частей высокого давления многокорпусных турбин и для быстроходных турбин небольшой мощности. Главный недостаток этих роторов заключается в том, что в случае повреждения одного из дисков приходится заменять весь ротор целиком.

Довольно часто на цельнокованый ротор насаживают один или несколько съемных дисков большого диаметра.

Статическое и динамическое уравновешивание роторов

Для спокойной работы турбины ее ротор перед установкой должен быть безукоризненно отбалансирован (уравновешен) статически и динамически.

Рассмотрим этот вопрос подробнее; допустим, что мы имеем тонкий диск (рис. 56а), центр тяжести которого лежит в точке 2, находящейся на некотором расстоянии от центра вращения 1; причиной этого может быть неоднородность материала диска или неправильная (несимметричная) его обточка. При вращении такого диска появится неуравновешенная центробежная сила, величина которой будет тем больше, чем больше скорость вращения диска, его масса и расстояние центра тяжести от центра вращения. Направление действия этой силы будет лежать на диаметре, проходящем через центр тяжести, причем сила будет направлена наружу (см. стрелку на рис. 56б). На практике величина центробежной силы в быстроходных машинах может достигать нескольких тонн и наличие ее скажется сильными вибрациями вала.

Например, для небольшого диска весом 100 кг с центром тяжести, смещенным всего лишь на 0,1 мм, величина неуравновешенной центробежной силы при 5000 об/мин будет равна 280 кг, то есть почти в 3 раза превысит вес самого диска.

Для того чтобы уравновесить эту силу, достаточно поместить некоторый груз где-либо на том же диаметре, но с другой стороны от центра вращения (например в точке 3 (рис. 56), подобрав его величину так, чтобы возникшая новая центробежная сила имеющая обратное направление, была равна по величине первой силе. В нахождении величины этого груза и места его приложения и заключается статическая балансировка. Практически возможно и другое решение этой задачи, а именно вместо утяжеления стороны, противоположной положению центра тяжести, можно облегчить удалением металла ту сторону, где он находится, и тем сместить его до совпадения с центром вращения. Снимать металл следует по большой поверхности, чтобы не ослабить диска в каком-либо сечении.

Нахождение плоскости в которой лежит центр тяжести, сравнительно не сложно; если дать возможность диску свободно повернуться на оси, то при остановке его центр тяжести окажется внизу (рис. 56г). Для этой цели вал с диском укладывают на параллельные строго горизонтальные шлифованные призмы из закаленной стали (ножи) или шарикоподошипники, на которых он может поворачиваться с минимальным трением (рис. 57)

Величину добавляемого груза или количество металла, которое необходимо снять, находят путем постепенных проб; часто для этой цели пользуются какой-нибудь мастикой, кусочки которой налепляют на диск и по достижении его уравновешенности взвешивают. Точно уравновешенный диск, будучи помещен на ножи, должен останавливаться в любом положении.

Источник