Тепловым дисбалансом считают дисбаланс, который является следствием прогиба ротора машины под действием тепловых явлений.
Появление теплового дисбаланса объясняется одной из следующих причин:
– асимметрией температурного поля в роторе, возникающей по разным причинам;
– изгибающими моментами, вызванными осевыми усилиями при тепловых расширениях насадных деталей;
– неоднородностью свойств материала ротора или его тепловой нестабильностью.
При асимметрии температурного поля ротор прогибается в сторону большей температуры. Для свободно опертого стального ротора при линейном распределении температуры в радиальном направлении стрелу прогиба можно определить по приближенной формуле:
,
где l – длина ротора; d – его диаметр;
Δt – разность температур между «горячей» и «холодной» образующими ротора, °С.
Для теплового дисбаланса характерна зависимость вибрации от нагрузки агрегата, при этом каждому установившемуся тепловому режиму соответствует определенная вибрация. Ее изменение при тепловом дисбалансе может быть обозначено вектором вибрации 
(рисунок 1), а вектор суммарной вибрации проходит промежуточные состояния 0, 1, 2, 3.
Рост вибрации происходит не одновременно с изменением нагрузки агрегата, а постепенно, по мере изменения теплового состояния металла. Важнейшим диагностическим признаком теплового дисбаланса является существенный рост вибрации на первой критической частоте при выбеге прогретого ротора.
Тепловой дисбаланс по своему проявлению схож с режимной расцентровкой. Дифференциальная диагностика в особых случаях затруднена, тем более что расцентровка сама по себе может вызвать тепловой дисбаланс, связанный с прогибом ротора в плоскости шейки. Достаточно точно тепловой дисбаланс определяется и диагностируется балансировочными методами.
Особым случаем является тепловой дисбаланс, вызванный задеваниями ротора о статорные элементы. Задевания ротора о статор вызваны недостаточными радиальными и осевыми зазорами, плохой центровкой уплотнительных колец, большим начальным эксцентриситетом ротора.
Задевания в уплотнениях являются одной из распространенных причин теплового дисбаланса.
Первоначальный тепловой прогиб вызывает усиление задеваний и повышение тепловыделения в местах контакта вследствие сухого трения. Прогиб нарастет лавинообразно, вибрация достигает высоких значений и обычно требует экстренной остановки турбоагрегата. Нередко последствием задеваний является остаточный прогиб ротора.
При задеваниях в спектре вибрации подшипников возникают вспышки высокочастотной вибрации, что является одним из диагностических признаков задеваний.
Появление остаточного прогиба вследствие задеваний связано с тем, что в месте задевания возникает местный перегрев вала. Нагретый участок, расширяясь, испытывает напряжения сжатия, которые могут превзойти предел текучести. В последнем случае на участке задеваний возникает остаточная деформация – укорочение соответствующих волокон в осевом направлении, следствием является остаточный прогиб в сторону, противоположную задеваниям.
Ход процесса, связанного с возникновением остаточного прогиба, изображен на рисунке 2.
Чаще тепловой дисбаланс возникает на роторах генераторов и других электрических машин, имеющих в этих роторах обмотку возбуждения. Причинами могут быть витковые замыкания в обмотке ротора, асимметрия охлаждения (преимущественно у роторов с форсированным охлаждением), отсутствие тепловых зазоров между пазовыми клиньями.
Диагностическим признаком асимметрии охлаждения является зависимость вибрации от интенсивности процессов теплообмена или от разности температур между ротором и охлаждающим газом. При этом вибрация меняется как при повышении нагрузки, так и в случае резкого изменения температуры охлаждающего газа. От температуры ротора вибрация при этом не зависит.
Диагностическим признаком недостаточных осевых зазоров в пазовых клиньях является зависимость вибрации от температуры ротора, при этом не имеет значения, при какой нагрузке достигнута рассматриваемая температура. Таким же образом изменяется вибрация при неоднородности материала ротора на протяжении всего периода эксплуатации с момента монтажа.
На асинхронных электродвигателях тепловой дисбаланс может быть следствием обрыва стержней «беличьей клетки», а также загромождения охлаждающих каналов ротора установленными балансировочными грузами либо засорения.
Профилактика причин теплового дисбаланса у роторов электрических машин:
— тщательное выполнение охлаждающих каналов и контроль их продуваемости;
— заглушение резьбовых отверстий, противоположных балансировочным пробкам, дюралюминиевыми заглушками, обязательное при использовании более двух полных пазов для установки балансировочных пробок;
— контроль тепловых зазоров в пазовых клиньях.
Наиболее распространенной причиной теплового дисбаланса роторов турбины является отсутствие осевых зазоров между насадными деталями ротора – рабочими дисками, уплотнительными втулками. Из-за небольших отклонений торцов насадных деталей от перпендикулярности оси при их расширении вместе возникают изгибающие моменты, приводящие к тепловому прогибу ротора.
Тепловой дисбаланс у барабанных роторов может возникать из-за протечек пара или газа внутри ротора через щели в технологических заглушках и сварных соединениях. При этом горячий газ нагревает ротор несимметрично, что приводит к тепловому прогибу ротора.
Технологический процесс становится неустойчивым, и тепловой дисбаланс нарастает лавинообразно, при этом машину приходится останавливать из-за чрезмерной вибрации.
Профилактика теплового дисбаланса у турбинных роторов состоит в контроле осевых зазоров при насадке деталей на вал при сборке и в обеспечении герметичности внутренних полостей ротора.
При внезапном изменении дисбаланса вследствие повреждений ротора (обрыв лопатки) вибрация меняется скачком, но после этого первоначального изменения возможно дополнительное заметное изменение вибрации в течение последующих 10–20 мин вследствие тепловых деформаций шеек.
При недостаточных зазорах по баббиту на подшипниках одного из роторов низкого давления на головном агрегате мощностью 800 МВт наблюдался непрерывный рост вибрации до высоких значений вследствие недостаточных зазоров. Повышение вибрации прекратилось после изменения расточки вкладышей подшипников.
Для роторов на подшипниках скольжения с развитыми и гибкими консольными участками при частотах вращения, следующих непосредственно за резонансом консольного участка, возможен непрерывный неустойчивый рост прогиба с увеличением вибрации.
Список литературы:
- Гольдин А.С., Львов М.И., Урьев А.В. Тепловые деформации гибких роторов в подшипниках скольжения. Энергомашиностроение. 1983 г. № 5.[schema type=»book» name=»ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ДИСБАЛАНСА НА РОТОР НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОГО И ТУРБИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ» description=»Рассмотрено влияние теплового дисбаланса на ротор насосно-компрессорного и турбинного оборудования.» author=»Брюханов Сергей Алексеевич, Крисанов Артем Евгеньевич, Жариков Василий Васильевич, Филянкин Сергей Владимирович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-04″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]