دلایل ویبریشن توربین

فرزین رضاقلی
مقالات, توربین گاز و بخار, نگهداری و تعمیرات

محتوا نمایش

دلایل ویبریشن توربین

روتورهای توربین بخار در حین کار خم می شوند، اما یاتاقان ها و تکیه گاه ها طوری طراحی شده اند که نیروهای استاتیکی و دینامیکی را تحت کنترل نگه دارند. با این حال، خم شدن می تواند باعث ضربه بین قطعات ثابت و متحرک شود.

مشکلات خمش شدید روتور اغلب شامل اثر متقابل بین روتور توربین و قطعات ثابت است. خم شدن روتور ممکن است توسط عوامل مختلف استاتیکی و دینامیکی ایجاد شود.

سایش در لابیرنت ها یا دیافراگم ها، ناشی از فاصله ناکافی، سیل انتهای روتور را مختل می کند. این وضعیت معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که روتور با جرم بالا در سرعت کار با یک سطح ثابت تماس پیدا می‌کند، که معمولاً به دلیل فاصله بسیار کم بین گلند سیل های دیافراگمی یا لابیرنت و روتور ایجاد می‌شود. ثانیاً، ممکن است یک افزایش موضعی دما در نقطه تماس وجود داشته باشد که باعث افزایش دمای فلز در نقطه تماس به دلیل اصطکاک شود.

نیروهای ناشی از برخورد روتور با سیل های ثابت که عملکرد ضعیفی دارند، اغلب لایه ای از فلز را روی سطح روتور تحت تأثیر قرار می دهند. سایش می تواند باعث تغییر شکل الاستیک روتور در نقطه ضربه و خمش موقت محور روتور شود. خمش شفت معمولا باعث افزایش سطح ارتعاش می شود.

ویبریشن توربین علل مختلفی دارد، ما در اینجا به مهمترین دلایل ویبریشن توربین بخار می پردازیم :

1. آنبالانسی (عدم تعادل) روتور توربین بخار

2. سایش شفت توربین

3. از بین رفتن برخی قطعات سیلندرهای توربین بخار

4. ایجاد رسوب بر روی پره های توربین بخار

5. آسیب دیدن یاتاقان های ژورنال

6. تغییر محوری شفت روتور

7. لرزش بیش از حد به دلیل فشار پایپینگ (piping strain)

8.فیلم روغن نامناسب

9. نصب نادرست پره های توربین

10. نوسان بالای دمای کیسینگ

11. مشکلات روانکاری توربین

12. مشکلات فوندانسیون توربین

13. الایمنت ضعیف کوپلینگهای توربین

14. سرد / گرم شدن ناهمگون توربین بخار

15. اتصال ضعیف بین کیسینگ توربین و پدهای یاتاقان روی اسکلت فونداسیون

16. وجود آب در سیستم روغن روانکاری

17. عدم روانکاری مناسب

18. کلیرنس (clearance) محوری و شعاعی نامناسب

19. تغییر پروفیل پره های توربین

توضیح کاملتر برخی از دلایل ویبریشن توربین :

ویبریشن توربین ناشی از سایش شفت

به دلیل فاصله ناکافی بین لابیرنت ها یا دیافراگمها، سیلهای انتهای روتور از بین می روند به طوری که لابیرنت ها یا دیافراگمها ساییده می شوند.

این نوع شرایط زمانی اتفاق می‌افتد که روتور توربین با سرعت/جرم بالا در تماس با قسمت ثابت توربین قرار می‌گیرد و به دلیل فاصله کمی که بین لابیرنت‌ها یا دیافراگمها و روتور وجود دارد با افزایش دمای فلز در نقطه تماس سایش پیدا کند.سایش می تواند باعث تغییر شکل الاستیک روتور در محل ضربه و خمش موقت محور روتور و در نهایت افزایش ویبریشن شود.

ویبریشن توربین ناشی از فیلم روغن نامناسب

هنگامی که شفت توربین در داخل یاتاقان ژورنال می چرخد، شفت روغن را از پایین یاتاقان فشار می دهد و باعث می شود ضخامت لایه روغن تغییر کند. در این شرایط، خط مرکزی شفت به سمت بالا حرکت می کند و یاتاقان باید به طور خودکار تنظیم شود بطوریکه سطح تماس یاتاقان ژورنال در موقعیت خوبی باقی بماند.

اگر سطح تماس بیش از حد باشد، اصطکاک روی سطح یاتاقان افزایش می یابد و باعث افزایش سایش و خوردگی سطح یاتاقان و افزایش لرزش می شود.

ویبریشن توربین ناشی از تغییر پروفیل پره ها

در طول کارکرد توربین بخار، نیروی گریز از مرکز به پره‌های توربین وارد می‌شود که باعث ایجاد نیروی کششی در سطح مقطع پره می‌شود، حال اگر مرکز جرم یکی نباشد، در خط شعاعی پره های توربین نیز تنش خمشی رخ می دهد.

این تنش خمشی ایجاد شده در اتصالات پره ها (ریشه پره)رخ می دهد و مقدار این تنش ها بستگی به عوامل چون سرعت جریان بخار، کاهش دما در ردیفهای مختلف پره ها، سرعت چرخش پره ها و همچنین وزن پره ها دارد.

ویبریشن توربین ناشی از الایمنت ضعیف کوپلینگ ها

میس الایمنت کوپلینگ بین دو شفت یا بین شفت و یاتاقان ممکن است باعث خم شدن روتور شود.

میس الایمنت بین دو محور یک روتور یکپارچه می تواند باعث خروج از مرکز جرم روتور شود و این خروج از مرکز در سرعت چرخشی بالا نیروی گریز از مرکز در جهت شعاعی ایجاد می کند و باعث خم شدن روتور می شود.

میس الایمنت بین محور چرخش و محور شفت نیز می تواند باعث خم شدن روتور شود.

اتصال ضعیف بین محفظه توربین و پدهای یاتاقان روی قاب فونداسیون یکی از دلایل آن است.

اگر یک پد در طول انبساط حرارتی (معمولاً در هنگام راه‌اندازی) در جهت محوری اصطکاک بیشتری را تجربه کند یا لغزش متوقف شود، نتیجه یک گشتاور خمیده روی بدنه است.

این گشتاور می تواند باعث ناهماهنگی بین پوشش و سطح یاتاقان شود و باعث ایجاد لرزش در انتهای رو به جلو توربین، تغییر شکل تکیه گاه قاب فونداسیون و پد استال یاتاقان شود.

همچنین به قاب فونداسیون (شامل پیچ‌ها، کلیدها وپدها) باید توجه شود تا حرکت آزادانه سطوح یاتاقان، به‌ویژه هنگام راه‌اندازی و تغییر بار امکان‌پذیر باشد.

ویبریشن توربین ناشی از سرد شدن ناهمگون شفت

خنک شدن ناهموار روتور، به ویژه پس از خاموش شدن، باعث تماس روتور با قطعات ثابت می شود.

پس از شات دان یک واحد در حال کار با دمای نسبتاً بالا ممکن است اگر در وضعیت ثابت قرار گیرد تا خنک شود، صرفاً به دلیل جرم روتور و فاصله بین ساپورتهای یاتاقان، خم شود، و این وضعیت می تواند باعث خمش دائمی شفت شود.

اثر خمش دائمی شافت ناشی از سرمایش ناهموار بلافاصله به صورت ارتعاش زیاد روتور در راه اندازی بعدی ظاهر می شود. ارتعاش ناشی از فاصله ناکافی بین قطعات ثابت و متحرک و همچنین شفتی است که خارج از مرکز در یاتاقان آن قرار دارد.

ویبریشن توربین ناشی از گرم شدن ناهمگون شفت

در هنگام راه‌اندازی سرد توربین بخار، لازم است که حرارت مناسب بدنه توربین و همچنین روتور توربین، در زمان چرخش توربین فراهم شود، این حرارت از مود ترنینگ گیر (چرخش توربین با دور ثابت و اهسته در مدت معینی که سازنده اعلام می کند) تامین می شود. در طول این مدت زمان قسمت های ثابت و دوار توربین از نظر حرارتی منبسط می شوند و گرم شدن مناسب روتور توربین بخار یا سیلندر توربین انجام می شود.

در بسیاری از شرایط که عملکرد ترنینگ گیر توربین در دسترس نیست،گرمایش مناسب قسمت های داخلی توربین بخار انجام نمی شود، بنابراین احتمال گرم شدن ناهموار محور ناشی از سایش بین قطعات ثابت و چرخان وجود دارد و می تواند باعث خمش بیشتر شود. با توجه به ادامه دار بودن سایش افزایش دمای بیشتر رخ داده و در نتیجه خمش بیشتر می شود.

خمش مجاز در توربین 3000 دور در دقیقه تا 0.02 – 0.03 میلی متر در هر بخش است.

ویبریشن توربین ناشی از نوسانات دمای کیسینگ

زمانی که اختلاف دما در هنگام راه‌اندازی سرد توربین بخار تا حدی تغییر می‌کند، مشکلی رخ می‌دهد و می‌تواند به طرق مختلف باعث میس الایمنت شود، که بیشتر مربوط به انبساط و انقباض ناشی از نوسانات دما است.
اگر سیلندر توربین دارای عدم تعادل دما باشد منشا آن می تواند ناشی از ایزولاسیون حرارتی ناکافی از کیسینگ یا ایزولاسیون ضعیف در سایر مناطق سیلندر توربین بخار باشد که در این حالت بخار موجود در قسمت های مختلف اختلاف دمایی محسوسی با هم خواهند داشت.

هنگامی که توربین در شرایط گرم به سرعت شروع به کار می کند، بدلیل انحنای اتفاق افتاده در شفت، پره های متحرک و دیافراگم ثابت ممکن است دچار ساییدگی شوند و به دلیل این سایش لرزش شدید در سیلندر توربین ایجاد شده و باعث آسیب به سیل ها و گلندهای دیافراگم شود.

تأثیر خمش حرارتی روتور بر روی بدنه را نیز می توان تعیین کرد. هنگامی که قسمت بالایی بدنه گرمتر از قسمت پایینی باشد، اگر گرادیان دما از بالای کیسینگ به پایین و در طول آن ثابت باشد، کیسینگ به سمت پایین خم می شود، آنگاه حداکثر تنش خمشی در وسط بدنه به صورت عمودی و بین تکیه گاه کیسینگ به صورت افقی رخ می دهد. با توجه به این اثر توربین دچار لرزش می شود.

ویبریشن توربین ناشی از در مرکز دوران نبودن شفت

جابجایی مرکز شفت در یک یاتاقان segmened (چند تکه) در حین چرخش می تواند باعث ایجاد لرزش شود.

پس از تعمیر و نگهداری عمده توربین بخار، تأیید الایمنت بودن روتور با کوپلینگ ها و همچنین سایر عواملی که ممکن است باعث تغییر در موقعیت های اولیه کیسینگ ها، یاتاقان ها و روتور شود، مهم است.

در حین تعمیر و نگهداری، در صورت مشاهده متماس در انتهای سیل های میانی روتور یا خروج از مرکز کوپلینگ، لازم است خط driveline مجدداً تنظیم شود تا از لرزش زیاد توربین، تماس گلند یا لابیرنت سیل ها و غیره جلوگیری شود.

دیافراگم ها باید به دقت با خط مرکزی شفت در بدنه توربین الایمنت شوند تا از تماس با پره های روتور جلوگیری شود.

شناسایی سریع هرگونه تلفات در فاصله های سیل ها در طول گرم شدن توربین بخار ضروری است.

تغییرات در فاصله ممکن است در طول گرم شدن رخ دهد که می تواند باعث خم شدن سیلندرها به دلیل دماهای متفاوت بین بخش های بالایی و پایینی سیلندر شود

ویبریشن توربین ناشی از عدم تعادل

انحنای شفت نیز با حرکت دادن مرکز جرم روتور، محور چرخش شفت را جابجا می کند و باعث ایجاد لرزش می شود.

این ارتعاش به سه طریق بر پره ها تأثیر می گذارد:

اول) لرزش باعث مشکلات ساختاری در پره می شود.

نیروهای گریز از مرکز که در حین کار ، توربین با آن مواجه می شود قابل توجه هستند و باعث افزایش نیروهای کششی در سطح مقطع پره ها می شوند و اگر مرکز جرم روی خط شعاعی نباشد، تنش های خمشی نیز ایجاد می شود.

دوم) تنش های خمشی در اتصالات پره ها تحت تأثیر فشار بخار HP که به صورت محوری در سیلندر توربین جریان می یابد، ایجاد میشود.

بزرگی این تنش‌ها به سرعت جریان بخار، افت دما در سطح تیغه، سرعت چرخش پره ها و وزن پره بستگی دارد.

سوم) دمای بخار که در مرحله اول فوق گرم شده و در مراحل پایانی اشباع شده است، بر خواص مکانیکی و خوردگی مواد پره تأثیر خواهد داشت.

ویبریشن توربین ناشی از خوردگی

اندازه پره های دوار و روش نصب آنها بر روی روتورها ممکن است متفاوت باشد. پس از تعمیرات اساسی، وزن و مواد یکسان همه پره ها باید با دقت حفظ شود، به خصوص زمانی که فقط چند پره تعویض می شود. حتی یک تغییر کوچک در وزن پره یا مرکز ثقل می تواند باعث عدم تعادل روتور و لرزش شود.

ویبریشن توربین ناشی از تعمیر و نگهداری ضعیف

برداشتن دیسک از روتور اگر به اشتباه انجام شود می تواند باعث ایجاد خراش های عمیق روی شفت شود. در این شرایط تعمیرات مجدد و بالانس کردن مجدد شفت نیاز است تا از آنبالانسی که میتواند باعث لرزش شود جلوگیری کرد.