Proč rostou vibrace parní turbíny při zvýšení výkonu?

Zvýšené vibrace parní turbíny patří mezi nejzávažnější provozní problémy rotačních strojů. Zvlášť důležitá je situace, kdy turbína při nízkém zatížení pracuje klidně, ale po zvýšení průtoku páry, otevření regulačních ventilů nebo připojení regulovaného odběru začnou vibrace rychle růst.

Takový stav nelze správně vyhodnotit pouze podle jedné hodnoty vibrací. Je nutné zjistit, kdy vibrace vznikají, na kterém ložisku rostou, při jakém výkonu se mění a zda souvisejí s tlakem, průtokem páry, polohou ventilů, teplotou oleje nebo axiální polohou rotoru.

Růst vibrací při zatížení může mít mechanickou, tepelnou, regulační, hydraulickou nebo aerodynamickou příčinu. V praxi se často kombinuje několik vlivů současně.

Co znamená, když turbína vibruje až při zatížení

Pokud jsou vibrace při rozběhu, na jmenovitých otáčkách bez zatížení a při malém výkonu přijatelné, ale s rostoucím výkonem se zvyšují, nemusí být hlavní příčinou obyčejná nevývaha rotoru.

Nevývaha se zpravidla výrazně projevuje už při dosažení provozních otáček. Naproti tomu závady závislé na zatížení se mohou projevit až tehdy, když se změní:

• průtok a tlak páry,
• síly působící na rotor,
• teplotní rozložení turbíny,
• poloha regulačních ventilů,
• axiální síla a zatížení ložisek,
• stav ucpávek,
• podmínky v odběrech nebo na výstupu turbíny.

Důležitou diagnostickou informací proto není jen samotná hodnota vibrací, ale především jejich vazba na konkrétní provozní změnu.

Nejčastější možné příčiny růstu vibrací

1. Změna parních sil působících na rotor

Se zvýšením výkonu roste průtok páry turbínou. Současně se mění tlakové poměry v regulačním stupni i v dalších částech průtočné části. Pokud proudění není po obvodu rovnoměrné, mohou na rotor působit nestejnoměrné radiální síly.

Možnou souvislostí může být částečný ostřik regulačního stupně, rozdílné otevření regulačních ventilů, nevhodná sekvence otevírání, nestejný průtok jednotlivými dýzovými skupinami nebo asymetrický přívod páry. Typickým znakem bývá růst vibrací v určité poloze ventilů nebo v úzkém výkonovém pásmu.

2. Nestabilita olejového filmu v kluzném ložisku

Kluzné ložisko udržuje rotor na tenké vrstvě oleje. Za normálních podmínek olejový film rotor stabilizuje. Za určitých provozních podmínek však může dojít k nestabilnímu pohybu hřídele.

Riziko ovlivňuje vůle a geometrie ložiska, viskozita a teplota oleje, tlak a průtok oleje, skutečné zatížení ložiska, poloha rotoru v ložisku a souosost rotorové soustavy. Ve spektru se přitom nemusí objevit pouze frekvence 1× otáček; významná může být sub-synchronní složka.

3. Tepelná deformace rotoru nebo skříně

Při zvyšování výkonu se mění teploty rotoru, skříně, ucpávek i připojeného potrubí. Nerovnoměrný ohřev může způsobit tepelný průhyb rotoru, změnu souososti nebo zmenšení vůlí v ucpávkách.

Tepelná příčina je pravděpodobnější, pokud vibrace nerostou okamžitě s výkonem, ale až se zpožděním několika minut nebo desítek minut. Proto je důležité rozlišit, zda vibrace reagují okamžitě na změnu ventilu, nebo až po prohřátí zařízení.

4. Dotyk rotoru v ucpávkách nebo průtočné části

Při změně výkonu a teploty se mohou zmenšit provozní vůle. Dotyk rotoru se statorovou částí se může projevit skokovou změnou vibrací, změnou fáze, nelineárním průběhem, zvýšením teploty nebo změnou axiální polohy.

Dotyk nemusí být trvalý. Může vznikat jen v určitém tepelném stavu. Tření navíc vytváří další teplo, které může deformaci zesilovat.

5. Nesprávné zatížení axiálního ložiska

Axiální síla působící na rotor se s průtokem páry a zatížením mění. Pokud rotor není stabilně opřen o pracovní stranu axiálního ložiska, může se jeho poloha měnit podle provozního stavu.

Prověřuje se zejména axiální vůle, tlakové poměry v průtočné části, stav odlehčovacího systému, změny při připojení odběru a vztah axiálního posuvu k růstu vibrací.

6. Regulační ventily a servopohony

Regulační ventil nemusí způsobovat pouze problém s výkonem. Nestabilní pohyb ventilu může vytvářet proměnlivé parní síly a následně i vibrace.

Je vhodné porovnat řídicí signál, tlak za elektrohydraulickým převodníkem, zdvih servopohonu, skutečnou polohu ventilu a reakci výkonu. Velká hystereze, mrtvý chod nebo kmitání ventilu mohou být zásadní diagnostickou stopou.

7. Vliv regulovaného odběru nebo protitlaku

U odběrových a protitlakových turbín může vibrace ovlivnit připojení nebo změna regulovaného odběru. Mění se tlakové rozložení v turbíně, axiální síla, průtok jednotlivými stupni i poloha odběrových a regulačních ventilů.

Pokud vibrace rostou při otevření odběru, je nutné společně sledovat tlak, průtok, polohu ventilu, výkon, vibrace jednotlivých ložisek a axiální polohu rotoru.

8. Nesouosost nebo deformace způsobená potrubím

Při změně teploty se mění síly od připojeného parovodu, odběrového nebo výfukového potrubí. Nesprávné závěsy nebo omezené dilatace mohou přenášet síly do skříně a ložiskových stojanů.

Problém se proto může projevit až po prohřátí, přestože samotná turbína byla za studena správně ustavená.

9. Uvolnění ložiskového stojanu nebo základu

S rostoucím zatížením se mohou zvýšit dynamické síly. Konstrukce, která je při nízkém výkonu zdánlivě stabilní, může začít reagovat výrazněji. Kontrolují se kotevní šrouby, podlití, styčné plochy, uložení stojanů a relativní pohyb vůči základu.

Jaká data jsou pro diagnostiku potřeba

Bez kvalitních provozních dat se diagnostika snadno změní v hádání. Pro první posouzení je vhodné připravit alespoň:

• otáčky a výkon turbíny,
• průtok, tlak a teplotu hlavní páry,
• tlaky v odběrech a na výstupu,
• požadované a skutečné polohy regulačních ventilů,
• relativní vibrace hřídele a absolutní vibrace stojanů,
• frekvenční spektrum a fázi vibrací, pokud jsou v instalovaném systému dostupné,
• axiální polohu rotoru,
• teploty ložisek a parametry mazacího oleje,
• vakuum nebo protitlak,
• teploty skříně a dilatace,
• přesný čas každé změny provozního režimu.

Velmi užitečný je společný časový trend. Na jednom grafu lze porovnat výkon, průtok, polohu ventilu, vibrace a axiální posuv. Často právě časová posloupnost ukáže, která veličina se změnila jako první.

Proč nestačí pouze celková hodnota vibrací

Jedna hodnota v mikrometrech sama o sobě neříká, co vibrace způsobilo. Je nutné vědět, zda jde o relativní nebo absolutní vibrace, v jakém směru se měří, která frekvenční složka dominuje, zda se změnila fáze a jak se pohybuje střed hřídele v ložisku.

Užitečné jsou zejména frekvenční spektrum, Bodeho diagram, orbita hřídele, polární diagram, trend při změně výkonu a měření fáze.

Doporučený postup diagnostiky

1. Určit spouštěcí událost. Co se změnilo těsně před růstem vibrací: výkon, průtok, ventil, odběr, vakuum, teplota oleje nebo axiální poloha?
2. Porovnat všechna ložiska. Lokální růst ukazuje jiným směrem než současná reakce celé rotorové soustavy.
3. Oddělit okamžitou a zpožděnou reakci. Okamžitá změna souvisí spíše s prouděním, ventilem nebo dynamickou nestabilitou; zpožděná změna spíše s teplotou a deformací.
4. Vyhodnotit frekvenci a fázi. Dominantní složky a změna fáze pomáhají odlišit nevývahu, nestabilitu ložiska, mechanické uvolnění nebo dotyk.
5. Ověřit skutečný pohyb ventilů. Požadovaná poloha v řídicím systému nemusí odpovídat mechanické poloze ventilu.
6. Zkontrolovat axiální stav. Posuzuje se axiální poloha, vůle, zatížení pracovní a pomocné strany a vazba posuvu na vibrace.
7. Prověřit tepelný stav a dilatace. Kontrolují se teplotní rozdíly, dilatace skříně, relativní dilatace rotoru a volnost potrubních závěsů.

Kdy je nutné zpozornět nebo zařízení odstavit

Konkrétní mezní hodnoty vždy stanovuje výrobce, provozní předpis a nastavení ochran dané turbíny. Za závažné je nutné považovat zejména:

• rychlý nebo skokový růst vibrací,
• překročení výstražné nebo odstavné meze,
• současnou změnu axiální polohy nebo teploty ložiska,
• kovový zvuk nebo známky tření,
• nekontrolované kmitání regulačních ventilů,
• nepředvídatelnou reakci vibrací na snížení zatížení,
• pochybnosti o funkci měření nebo ochranného systému.

Ochrany turbíny se nesmějí obcházet pouze proto, aby bylo možné pokračovat ve zkoušce. Nejprve je nutné objasnit příčinu a postupovat podle schváleného provozního a zkušebního předpisu.

Jak má vypadat výstup odborného posouzení

Kvalitní diagnostika by neměla skončit obecným tvrzením, že „turbína vibruje“. Výstup má obsahovat:

• přesný popis projevu a provozních podmínek,
• vyhodnocení časových trendů a dominantních frekvenčních složek,
• vztah vibrací k ventilům, výkonu a axiální poloze,
• seznam pravděpodobných příčin seřazených podle významu,
• návrh ověřovacích měření nebo bezpečné zkoušky,
• doporučení dalšího postupu a priority opatření.

Cílem není vyměnit co nejvíce součástí, ale co nejpřesněji určit mechanismus problému.

Závěr

Růst vibrací parní turbíny při zvýšení výkonu může způsobit změna parních sil, nestabilita ložiska, tepelná deformace, dotyk v ucpávkách, nevhodné chování regulačních ventilů, změna axiální síly nebo přenos sil z potrubí.

Rozhodující bývá společné vyhodnocení vibrací, výkonu, průtoku páry, polohy ventilů, axiální polohy, teploty a času. Právě tato souvislost umožňuje odlišit mechanickou závadu od problému regulace, proudění nebo tepelného stavu.