Аналіз причин поломок сполучних муфт відцентрового повітряного компресора 101J

Размещено на http://www.allbest.ru

Аналіз причин поломок сполучних муфт відцентрового повітряного компресора 101J

Соломатін Сергій Якович к.т.н., професор кафедри «Суднові енергетичні установки и технічна експлуатація (СЕУ та ТЕ)», ОНМУ

Сторчак Олександр Олександрович старший викладач кафедри «Суднові енергетичні установки и технічна експлуатація (СЕУ та ТЕ)», ОНМУ

Губін Владлен Степанович к.т.н., доцент кафедри «Суднові енергетичні установки и технічна експлуатація (СЕУ та ТЕ)», ОНМУ

Сініцин Андрій Миколайович асистент кафедри «Суднові енергетичні установки и технічна експлуатація (СЕУ та ТЕ)», ОНМУ

Глебов Володимир Сергійович аспірант кафедри «Суднові енергетичні установки и технічна експлуатація (СЕУ та ТЕ)», ОНМУ

Анотація

У процесі роботи турбокомпресора відбувається нагрівання опор підшипників, що призводить до їх теплового розширення. Внаслідок нерівномірного теплового розширення опор відбувається зміна положення валопроводу, що може призвести до підвищеного розцентрування валів.

Вимірювання відносного паралельного та кутового зсуву корпусів турбокомпресора в процесі його прогріву показали, що при прогріванні опори турбіни та КНТ подовжуються неоднаково. Внаслідок цього вісь ротора КНТ по відношенню до осі ротора турбіни спочатку переміщується вниз, а потім вверх, що призводить до збільшення розцентрування валопроводу.

На підставі отриманих результатів було встановлено, що причиною підвищеного розцентрування валів є неоднакове подовження опор при прогріванні. Для зниження розцентрування було запропоновано встановити ізоляційний екран між випускним патрубком КНТ та гнучкою опорою. Даний екран знижує нагрівання опори, що призводить до її меншого подовження і, відповідно, до зниження розцентрування валопроводу.

У результаті проведених досліджень встановлено, що розцентрування валопроводу турбокомпресора установки з виробництва аміаку може бути знижено до 0,1-0,15 мм за рахунок установки ізоляційного екрану між випускним патрубком КНТ та гнучкою опорою. Це значення є прийнятним для експлуатації турбокомпресора, оскільки дозволяє забезпечити необхідну герметичність системи і запобігти передчасному зносу деталей.

Таким чином, автори статті проаналізували причини підвищеного розцентрування валів турбокомпресора установки з виробництва аміаку та розробили заходи щодо його зниження. Наведені в статті результати можуть бути використані для підвищення надійності роботи турбокомпресорів установок з виробництва аміаку.

Ключові слова: компресор, теплові розширення, зниження розцентру- вання, подовження опор, ізоляційний екран, продовження ресурсу

Solomatin Sergiy Yakovych PhD, Professor of “Marine Power Plants and Technical Operation” Department, Odessa National Maritime University

Storchak Oleksandr Oleksandrovich Senior lecturer of “Marine Power Plants and Technical Operation” Department, Odessa National Maritime University

Gubin Vladlen Stepanovych PhD in technical sciences of “Marine Power Plants and Technical Operation” Department, Odessa National Maritime University

Sinitsyn Andrii Mykolayovych аssistant of “Marine Power Plants and Technical Operation” Department, Odessa National Maritime University

Glebov Volodymyr Serhiyovych Graduate Student of “Marine Power Plants and Technical Operation” Department, Odessa National Maritime University

FAILURE ANALYSIS OF CENTRIFUGAL AIR COMPRESSOR COUPLINGS (101J)

Abstract

During the operation of the turbocharger, the bearing supports heat up, which causes them to expand. The uneven thermal expansion of the bearings causes a change in the position of the shaft line, which can lead to increased shaft misalignment.

Measurements of the relative parallel and angular displacement of the turbocharger housings during its warm-up showed that the turbine and BHA supports lengthen unequally during warm-up. As a result, the rotor axis of the CST first moves downward and then upward relative to the turbine rotor axis, which leads to an increase in the shaft misalignment.

Based on the results obtained, it was found that the reason for the increased shaft misalignment is the unequal elongation of the supports during heating. To reduce the misalignment, it was proposed to install an insulating screen between the outlet of the BHA and the flexible support. This screen reduces the heating of the support, which leads to its smaller elongation and, accordingly, to a decrease in the shaft misalignment.

As a result of the research, it was found that the misalignment of the turbocharger shaft of the ammonia production unit can be reduced to 0.1-0.15 mm by installing an insulating screen between the outlet of the BHA and the flexible support. This value is acceptable for the operation of the turbocharger, as it ensures the required tightness of the system and prevents premature wear of parts.

Thus, the authors of the article analyzed the reasons for the increased misalignment of the turbocharger shafts of an ammonia production unit and developed measures to reduce it. The results presented in the article can be used to improve the reliability of turbochargers of ammonia production plants.

Keywords: compressor, thermal expansion, reduction of misalignment, extension of supports, insulating screen, service life extension

Постановка проблеми. У процесі експлуатації зазначеного компресора мали місце поломки сполучних зубчастих муфт турбіна - КНТ, а також утворення та розвиток тріщин у роторах КНТ з боку турбіни. У зв'язку з цим виникла необхідність ретельно вивчити умови роботи сполучних зубчастих муфт між турбіною та КНТ, щоб виключити всі фактори, що знижують ресурс компресора.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Муфти є важливим елементом центрифугальних компресорів, оскільки вони забезпечують передачу крутного моменту від турбіни до компресора низького тиску. Несправності муфт можуть призвести до вимушеного зупину компресора, що може спричинити значні економічні втрати.

У літературі на цю тему виділено наступні основні причини відмов муфт в центрифугальних компресорах [1, 2, 3]: це те теплове розширення опор, знос підшипників. дефекти муфти неправильна експлуатація та обслуговування.

При прогріванні опори розширюються нерівномірно, що призводить до зсуву осей валів турбіни та компресора низького тиску. Цей зсув, або розцентрування, може досягати значних величин, що створює додаткові навантаження на муфту та прискорює її зношування.

Знос підшипників також може призвести до розцентрування валів. Коли підшипники зношуються, вони не можуть забезпечити плавний і рівномірний обертальний рух валів. Це призводить до збільшення коливань валів, які також можуть пошкодити муфту.

Дефекти муфти, такі як тріщини, невідповідність розмірів, дефекти матеріалу, можуть призвести до її передчасного руйнування.

Неправильне використання компресора, наприклад, перевищення допустимих навантажень, а також недостатнє обслуговування муфти, зокрема, відсутність регулярного контролю і змащення, також можуть призвести до її відмов.

Для запобігання відмовам муфт в центрифугальних компресорах необхідно вжити заходів для усунення або зменшення впливу цих факторів. До таких заходів відносяться: застосування опор з малим коефіцієнтом теплового розширення, використання підшипників з підвищеним ресурсом, дотримання вимог до монтажу і експлуатації компресора, регулярний контроль і змащення муфти.

На основі аналізу літератури [4, 5] можна зробити висновок, що найбільш поширеною причиною відмов муфт в центрифугальних компресорах є теплове розширення опор. Тому для підвищення надійності муфт необхідно вжити заходів для зменшення впливу цього фактору. Одним із таких заходів є застосування опор з малим коефіцієнтом теплового розширення. До таких опор відносяться опори з керамічних матеріалів, таких як оксид алюмінію або карбід кремнію. Ці опори мають низький коефіцієнт теплового розширення, що дозволяє їм зберігати початкове положення валів навіть при значних температурних перепадах.

Інші заходи, які можуть бути застосовані для запобігання відмовам муфт, включають:

використання підшипників з підвищеним ресурсом. Такі підшипники мають більшу зносостійкість, що дозволяє їм витримувати більші навантаження і зменшує ризик розцентрування валів.

дотримання вимог до монтажу і експлуатації компресора. Правильний монтаж компресора і дотримання вимог до його експлуатації допоможуть зменшити навантаження на муфту і продовжити її термін служби.

регулярний контроль і змащення муфти. Регулярні огляди муфти дозволять виявити можливі дефекти на ранніх стадіях і вжити заходів для їх усунення. Регулярне змащення муфти допоможе зменшити тертя і зношування.

Застосування цих заходів допоможе підвищити надійність муфт і запобігти їх передчасним відмовам.

Мета статті - проаналізувати причини підвищеного розцентрування валів турбокомпресора установки з виробництва аміаку та розробити заходи щодо його зниження.

Викладення основного матеріалу. Основні результати аналізу структурного та вібраційного стану компресора.

У процесі пуску турбокомпресора відбувається розігрів турбіни, КНТ, мультиплікатора, КВТ, їх опор та фундаменту. В результаті виникають теплові розширення, від рівномірності яких залежить відносне положення опор підшипників, тобто, центрування валів. Зміна центрування у свою чергу викликає перерозподіл реакцій опор, зміну умов роботи валу на змащувальному шарі підшипників та відповідну зміну вібрації роторів [4].

Схема відцентрового компресора показана на рисунку 1.

1,2 - рухлива та жорстка опори турбіни; 3,4 - гнучка та жорстка опори КНД; 5,6 - жорстка та гнучка опори КВД; 7 - опора мультиплікатора

Рис.1 Схема відцентрового компресора

При розцентруванні валів значно важчими стають умови роботи сполучних муфт. У разі значних зсувів напівмуфти виникають динамічні удари в моменти «перемикання внутрішнього зазору в муфті», коли напівмуфти переміщуються у взаємно протилежних радіальних напрямках.

При розцентруванні особливо характерно підвищене значення другої гармоніки 2Х частоти обертання ротора, крім цього зростає рівень гармонік 3Х, 5Х і 7Х, відбувається значне деформування еліпсоподібної орбіти переміщення шийки ротора в розточці підшипника.

Дані ознаки підвищеного розцентрування валів мали місце під час роботи зазначених турбокомпресорів. Так, на рисунку 2 наведено спектр вібрації ротора турбіни, де видно, що друга гармоніка частоти обертання ротора 2Х значно більша за рівнем першої роторної гармоніки 1Х. На рисунку 3 представлена форма вібраційного сигналу і деформована орбіта переміщення ротора КНТ при частоті першої гармоніки 1Х.

Рис.2 Спектр вібрації ротора турбіни у підшипнику 2

Наведені дані показують, що дійсно має місце значне розцентрування роторів турбіни та КНТ під час роботи компресора.

Рис.3 Орбіта переміщення ротора КНДу підшипнику 3 при частоті першої роторної гармоніки 1Х

У зв'язку з цим було поставлено завдання визначення значення вихідного розцентрування валів в холодному стані, щоб при роботі після прогріву всіх складових частин компресора була забезпечена співвісність валів в межах допустимих значень з метою забезпечення надійної роботи машини.

За інструкцією заводу-виробника даної машини при центруванні роторів у холодному стані за базу слід вважати вісь ротора КНТ. При цьому вісь ротора турбіни при центруванні повинна бути на 0,24 мм нижче осі ротора КНТ, вважаючи, що при прогріванні осі турбіни і КНТ займуть положення, що відповідає нормам, що діють, на розцентрування валів, тобто до 0,05 мм по паралельному зміщенню і до 0,05 мм/м за кутовим зміщенням.

На першому етапі досліджень були виконані вимірювання температур опор турбіни та КНТ при прогріванні компресора за допомогою безконтактного вимірювача температури Thermopoint 40, а також сучасного пірометра Therma CAMTM P60 [2]. Результати вимірювань дозволили розрахувати подовження догори опор при прогріванні. Розрахунки показали, що подовження суміжних опор турбіни і КНТ відбувається таким чином, що вихідна розцентровка, рекомендована фірмою-виробником, не є оптимальною і осі роторів при роботі займають інше положення, яке призводить до додаткових збурень на муфту (рисунок 4а).

а - паралельне розцентрування - ротор турбіни нижче ротора КНТ на 0,24 мм при центруванні; б - паралельне розцентрування - ротор турбіни вище ротора КНТ на 0,3 мм при центровці;

положення валів у холодному стані при центруванні;

положення валів у робочому стані

Рис. 4 Взаємне розташування роторів турбіни та КНТ

Так, після остаточного прогріву опора турбіни 2 подовжується вгору на величину до 0,5 мм, а суміжна опора 3 КНТ - до 0,8 мм. У цьому випадку при початковому розцентруванні валів 0,24 мм (ротор турбіни нижче ротора КНТ, як це практикувалося раніше), паралельний зсув осей валів по вертикалі може становити від 0,5 до 0,6 мм. Це, безумовно, призводить до важких умов роботи зубчастих муфт.

При черговому ремонті турбокомпресора було застосовано іншу схему вихідної розцентровки валів, тобто, вісь ротора турбіни була встановлена на 0,3 мм вище за осі ротора КНД (рисунок 4б). При цьому внаслідок неоднакового подовження опор 3 і 4 ротор КНТ в холодному стані був виставлений з певним значенням кутового зсуву по відношенню до ротора турбіни (розкриття напівмуфта внизу).

Для визначення фактичного розцентрування валів у робочому стані було виконано вимірювання зсуву корпусу КНТ щодо корпусу турбіни в процесі пуску компресора за допомогою новітнього пристрою PERMALIGN [3].

Система PERMALIGN призначена для безконтактного вимірювання величини усунення елементів машини, в нашому випадку внаслідок теплових розширень. Дана система дозволяє вимірювати відносне вертикальне та горизонтальне кутовий та паралельний зсув величиною до 16 мм на відстані в межах до 10 м.

Принцип роботи система PERMALIGN заснований на вимірюванні переміщення лазерного променя, що випускається монітором. У нашому випадку монітор було закріплено на корпусі турбіни. Лазерний промінь потрапляє на призму, закріплену на корпусі КНТ, відбивається та потрапляє на детектор у моніторі. При цьому будь-яке зсув корпусу КНТ щодо корпусу турбіни фіксується на детекторі, а потім обробляється комп'ютером для представлення графічного відносного зсуву корпусів. При вимірах використовувалися дві пари моніторів із призмою, у вертикальній та горизонтальній площинах.

У процесі пуску машини виконувалися вимірювання штатних параметрів, що побічно характеризують зміну теплового стану опор при прогріванні (рисунок 5). поломка муфта турбокомпресор

На рисунку 6а показано результати вимірювання відносного паралельного зсуву корпусу КНТ, віднесеного до середнього перерізу проставки між напівмуфтами турбіни та КНТ. На рисунку 6б наведено дані щодо кутового зсуву корпусів.

Аналіз даних дозволяє визначити характер зміни відносного положення валів у процесі прогріву машини.

Так, на першому етапі роботи компресора (на мінімальній частоті обертання до 1000 об/хв) починає інтенсивно прогріватися корпус турбіни, підвищується температура пари, що відпрацювала, до 95 - 110 °С («гріється хвіст»). У цей час корпус КНТ та його гнучка опора практично залишаються холодними, тому вісь корпусу турбіни переміщається вгору щодо КНТ приблизно на 0,22 мм (ділянка 1-2 на кривій рисунок 6а), а з урахуванням попереднього розцентрування валів наприкінці даного етапу прогріву паралельне розцентрування досягає до 0,52 мм. Такий стан є короткочасним і є небезпечним, так як компресор не навантажений.

Рис. 5 Тренди основних параметрів, що характеризують зміну теплового та вібраційного стану турбіни та КНТ компресора під час пуску 1 - частота обертання ротора, об/хв; 2 - температура зовнішньої стінки корпусу турбіни в районі регулювального ступеня, °С; 3 - температура повітря на виході з другого ступеня КНТ, °С; 4 - температура відпрацьованої пари турбіни, °С; 5 - температура масла на зливі з підшипника турбіни, °С; 6 - температура масла на зливі з підшипника КНТ, °С; 7 - вібрація ротора турбіни в підшипнику 2 мкм; 8 - вібрація ротора КНТу підшипнику 3, мкм

На початку другого етапу пуску компресора (вихід на робочу частоту обертання та подальша робота) продовжується прогрів корпусу турбіни. Однак це не позначається на температурі опори турбіни КНТ, так як температура пари, що відпрацювала, а, отже, і вихлопного патрубка турбіни знижуються до 70 - 75 °С, а температура масла на зливі з підшипника стабільна на рівні від 45 до 55 °С. Таким чином, подовження вгору опори турбіни з боку КНД під час другого етапу прогріву агрегату практично не відбувається і досягнуте положення осі ротора турбіни в кінці першого етапу зберігається приблизно тим же.

Однак з початку другого етапу відбувається активне прогрівання корпусу КНТ. Про це можна судити підвищення температури повітря на виході з другої секції КНТ до 145 - 150 °С, що, природно, призводить до прогріву гнучкої опори, безпосередньо закріпленої до корпусу КНТ і знаходиться в безпосередній близькості від неізольованого випускного патрубка повітря. Спочатку вісь корпусу КНТ досягає вихідного положення щодо корпусу турбіни (точка 3 на кривий рисунок 6а), а потім опора КНТ продовжує прогріватися і переміщатися вище за осі корпусу турбіни (зрештою точка 5 на кривий рисунок 3.6а). В результаті загальне подовження вгору гнучкої опори КНТ при прогріванні становить до 0,82 мм. А зрештою після стабілізації теплового стану вісь ротора КНТ виявляється на 0,2 - 0,25 мм вище осі ротора турбіни.

На рисунку 6б наведено криву, що характеризує зміну значення кутового зсуву корпусів (злам осей) у мм/м у середньому перерізі проставки між напівмуфтами. При центруванні в холодному стані було встановлено кутовий зсув в 0,3 мм/м (розкриття фланців внизу, рисунок 4б).

У процесі прогрівання гнучка опора 3 КНД подовжувалась більшою мірою, ніж опора 4, тому вісь ротора поверталася щодо ротора турбіни у вертикальній площині. Спочатку зменшувалося розкриття фланців внизу, а зрештою після стабілізації теплового стану з'явилося розкриття фланців вгорі на величину до 0,12 мм/м. На рисунку 6а крива 1-5 характеризує зміну величини кутового усунення протягом період прогріву машини.

Вимірювання відносного переміщення корпусів турбокомпресора проводилися при прогріванні під час двох пусків, а також при охолодженні після зупинки. Зіставлення результатів вимірювань показує збіг загальної тенденції зміни взаємного переміщення корпусів за зміни їх теплового стану.

Висновки

В результаті проведених досліджень можна зробити такі висновки. У цій машині важливо правильним є розташування валу турбіни вище валу КНТ при центруванні в холодному стані. Задана величина паралельної розцентровки 0,3 мм по вертикалі при ремонті вважатимуться правильної, так як з урахуванням переміщення корпусів розцентрування валів у роботі становить від 0,2 до 0,25 мм. У разі не враховується величина спливання роторів на масляній плівці в підшипниках.

Для подальшого зниження вертикального розцентрування валів було запропоновано встановити ізоляційний екран між випускним патрубком КНТ та гнучкою опорою. Такий експеримент був проведений і виявилося, що це призводить до зниження нагрівання опори, скорочення її за висотою і, отже, зменшення розцентрування валів ще на 0,1 мм.

Таким чином, можна досягти значення розцентрування по вертикалі до 0,1 - 0,15 мм.

Вимірювання показали незначні усунення корпусу КНТ щодо корпусу турбіни в горизонтально-поперечному напрямку.

Отримані результати відносних паралельних та кутових зсувів корпусів у перерізі муфти турбіна - КНТ використані для коригування вихідного розцентрування валів у холодному стані.

Результати дослідження показали істотний вплив неоднакового подовження опор на відносне положення валів при роботі, що викликає необхідність продовжити аналогічні вимірювання зсувів корпусів КНТ і КВТ щодо мультиплікатора даної машини, а також проблемних вузлах інших компресорів установки з виробництва аміаку.

Література

Підвищення надійності газотранспортних систем: монографія /Б. В. Копей, А. Бенмуна, В. І. Слободян, А. Беллауар, С. І. Галій, Д Халімі, А. М. Найда. Серія «Нафтогазове обладнання», том 8 - ІваноФранківськ: ІФНТУНГ, 2012. - 300 с

Безвербный А.Ф. Силовые и геометрические соотношения в многослойных трубах и сосудах давления. В кн.: Многослойные сварные конструкции и трубы. - К.: Наук. Думка, 1984. - с. 296-302.

Рунов Б.Т. Исследование и устранение вибрации паровых турбоагрегатов. - М.: Энергоиздат, 1982. - 352с.

С.Я. Соломатин, В.Н. Краевский, А.С. Черкащенко, А.А. Сторчак Обеспечение эффективной и безопасной работы центробежных компрессоров с турбинными приводами аммиачных производств Технические газы, Т.17, № 3, 2017

С.Я. Соломатин, А.Ю. Федчун; В.Н. Краевский; А.С. Черкащенко Влияние параметров структурного и функционального состояния на вибрацию центробежного компрессора Технические газы, Т.16, № 4, 2016

References

Kopej, B. V., Benmuna, A. , Slobodjan, V. І. , Bellauar, A. , Galij, S. І. , Halimi, D. , Najda, A. M. (2012). Pidvishhennja nadijnosti gazotransportnih sistem [Improvements in the reliability of gas transportation systems], (vol. 1-8). rvanoFrankivs'k: ZFNTUNG [in Ukrainian].

Bezverbnyj, A.F. (1984). Silovye i geometricheskie sootnoshenija v mnogoslojnyh trubah i sosudah davlenija [Force and geometric relationships in multilayer pipes and pressure vessels]. K.: Nauk. Dumka [in Russian].

Runov, B.T. (1982). Issledovanie i ustranenie vibracii parovyh turboagregatov [Research and elimination of vibration of steam turbine units]. M.: Jenergoizdat [in Russian].

Solomatin, S.Ja. , Kraevskij, V.N. , Cherkashhenko, A.S. , Storchak, A.A. (2017). Obespechenie jeffektivnoj i bezopasnoj raboty centrobezhnyh kompressorov s turbinnymi privodami ammiachnyh proizvodstv [Ensuring efficient and safe operation of centrifugal compressors with turbine drives for ammonia production]. Tehnicheskie gazy -Technical Gases , .17, 3 [in Ukrainian].

Solomatin, S.Ja. , Fedchun, A.Ju. , Kraevskij, V.N. ., Cherkashhenko, A.S. (2016). Vlijanie parametrov strukturnogo i funkcional'nogo sostojanija na vibraciju centrobezhnogo kompressora [The influence of structural and functional state parameters on the vibration of a centrifugal compressor]. Tehnicheskie gazy -Technical Gases, 16, 4 [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru