Ротор паровой турбины: не просто вал с лопатками 

Когда говорят ротор паровой турбины, многие сразу представляют себе монолитный стальной вал с рядами лопаток. На деле же, это целый мир нюансов, от которых зависит, проработает ли агрегат положенные сотни тысяч часов или ляжет на внеплановый ремонт досрочно. Часто именно здесь, в конструкции и состоянии ротора, кроются причины падения КПД, вибраций, которые никак не удаётся сбалансировать, и прочих болячек турбоагрегата. По своему опыту скажу, что подход главное — металл и балансировка — это лишь верхушка айсберга.

Конструктивные тонкости, которые не увидишь в учебнике

Возьмём, к примеру, роторы цилиндров высокого давления (ЦВД) для современных турбин. Казалось бы, всё стандартно: поковка, диски, проточки под посадку бандажей… Но вот момент с тепловыми зазорами в лабиринтовых уплотнениях. На бумаге расчёт идёт на номинальные параметры пара. А в жизни — частые пуски, остановы, работа на переменных нагрузках. Металл ротора и статора нагревается и расширяется по-разному. Если заложить слишком маленький зазор по чертежам под идеал, при быстром наборе нагрузки можно получить касание. Следствие — выработка, локальный перегрев, разуравновешивание. Видел такое на одной ТЭЦ, где после модернизации уплотнений начались проблемы. Пришлось снимать характеристики нагрева в реальном времени и корректировать монтажные зазоры, причём для горячего и холодного состояния они были разными.

Другой момент — способ крепления рабочих лопаток последних ступеней ЦНД. Здесь уже не поковка, а часто сварная конструкция. Колебательные напряжения от срыва потока влажного пара — отдельная головная боль. Были случаи, когда поломки начинались не из-за усталости металла самой лопатки, а из-за микротрещин в сварных швах диска. Дефектоскопия здесь должна быть не по графику, а по состоянию, особенно после работы в зоне перехода через критические обороты.

Или взять тему осевого положения ротора. Упорный подшипник — это одна история, но ведь давление пара перед первой ступенью и за последней создаёт значительную осевую силу. Расчётный баланс этих сил — вещь тонкая. Помню инцидент на турбине ПТ-80, когда после замены проточной части из-за незначительного, в пару миллиметров, изменения геометры каналов сопел первой ступени осевое смещение в работе вышло за допустимые пределы. Пришлось экстренно останавливать и пересчитывать всю диафрагменную систему.

Практика ремонта и восстановления: где кроются риски

Ремонт ротора — это всегда высший пилотаж. Недостаточно просто проточить шейки подшипников и сделать динамическую балансировку. Например, наплавка изношенных шеек вала. Если не соблюсти строгий температурный режим и не провести последующую термообработку, в толще металла возникают остаточные напряжения. Они могут сыграть позже, приведя к короблению вала уже в работе под нагрузкой. Один знакомый завод столкнулся с тем, что после капитального ремонта с наплавкой ротор прошёл балансировку на стенде на отлично, но на станции при прогреве дал вибрацию, которая исчезала при остывании. Всё дело было в неравномерном отпуске металла после наплавки.

Ещё один критичный этап — дефектация трещин. Ультразвук и капиллярная дефектоскопия — стандартный набор. Но на старых роторах, особенно в зоне перехода от диска к валу, могут быть внутренние раковины, оставшиеся ещё от литья или ковки заготовки. Они не всегда видны стандартными методами. Иногда помогает вихретоковый контроль. Мы как-то отказались от восстановления ротора именно по этой причине: нашли обширную внутреннюю несплошность. Ресурсники настаивали на ремонте, но данные дефектоскопии показали, что это — будущий внезапный отказ. Лучше замена.

С балансировкой тоже не всё однозначно. Стендовая балансировка — это хорошо, но она не может полностью имитировать условия работы в собственном корпусе турбины, с тепловым расширением, давлением пара и жёсткостью фундамента. Поэтому окончательную доводку часто делают на месте, уже при пробных пусках, добавляя корректирующие массы. Это долгий и нервный процесс, но без него — никак.

Взаимодействие с системами: неочевидные зависимости

Ротор не живёт в вакууме. Его состояние напрямую зависит от вспомогательных систем, которым часто уделяют меньше внимания. Главный враг — масляная система. Микрочастицы износа из подшипников, плохая фильтрация, повышенная влажность масла — всё это постепенно убивает шейки вала и уплотнения. Регулярный анализ масла на спектрометрию — не прихоть, а необходимость. Видел последствия работы с забитым фильтром тонкой очистки: задиры на шейке были такие, что вал пришлось отправлять на механическую обработку с уменьшением диаметра и последующей наплавкой.

Система уплотнений вала (энд-уплотнения) — тоже важнейший элемент. Негерметичность приводит не только к потерям конденсата и попаданию воздуха в вакуумную систему конденсатора. Хуже другое — локальное охлаждение вала в зоне уплотнения. Это создаёт термический перекос, вал изгибается, и возникает вибрация на частоте вращения. Диагностировать такое сложно, часто грешат на дисбаланс. Лечится восстановлением геометрии уплотнительных гребней и правильной установкой угольных или современный полимерных сегментов.

Здесь, к слову, качество комплектующих и услуг от специализированных поставщиков играет ключевую роль. Например, для восстановления работоспособности именно таких вспомогательных систем и узлов мы иногда обращаемся к партнёрам вроде ООО Гуандун Хайен Энергетические Технологии. Их сайт haienenergy.ru знаком многим в отрасли. Компания, как известно, занимается НИОКР, производством и продажей вспомогательного оборудования для энергетики, включая, вероятно, и решения для систем, критичных для ресурса ротора. Когда нужны нестандартные уплотнения, элементы систем маслоснабжения или диагностики, важно иметь дело с теми, кто понимает практические условия эксплуатации, а не просто продаёт железо.

Диагностика по вибрации: читая сигналы ротора

Вибромониторинг — это основной язык, на котором говорит ротор. Но перевод этого языка — искусство. Повышенная вибрация на частоте вращения (1Х) — это классический дисбаланс. Но если она растёт постепенно, а не скачком после ремонта, это может быть признаком отложения солей на лопатках или, что хуже, эрозионного износа лопаток с отрывом материала. Резкий скачок 1Х — это уже ЧП, возможно, отрыв лопатки или серьёзная подвижка посадки диска.

Вибрация на удвоенной частоте вращения (2Х) часто указывает на несоосность или проблему с жёсткостью опор. Но бывает и более коварный вариант — трещина в валу. При появлении поперечной трещины жёсткость вала становится разной в разных плоскостях, что и даёт характерную составляющую 2Х. Такую трещину на ранней стадии можно поймать только постоянным мониторингом фаз вибрации и их изменением во времени.

Высокочастотные составляющие, стуки, субгармоники — всё это ценные диагностические данные. Современные системы вроде АСД (анализа спектра в реальном времени) помогают, но окончательный вердикт всё равно должен выносить человек с опытом. Однажды по характерному спектру с набором гармоник удалось диагностировать начинающийся фреттинг-износ (усталостное разрушение от микросдвигов) в посадке диска на вал, что позволило запланировать ремонт до катастрофического развития ситуации.

Мысли на перспективу: материалы и контроль

Куда движется всё это дело? Во-первых, в материалы. Внедрение новых сталей с повышенной жаропрочностью и стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением. Это позволяет увеличить начальные параметры пара, а значит, и КПД. Но и ремонт таких роторов сложнее — нужны особые технологии сварки и термообработки.

Во-вторых, тотальный контроль по состоянию. Вместо плановых капитальных ремонтов раз в несколько лет — постоянный мониторинг вибрации, температуры, осевого положения, анализ масла. Плюс периодическая внутренняя дефектоскопия без разборки, с помощью специальных телескопов и роботов. Это снижает простои и позволяет прогнозировать отказ.

И, наконец, сама логика обслуживания. Узкая специализация уходит в прошлое. Сейчас нужен специалист, который видит связь между состоянием ротора паровой турбины, работой системы регулирования, качеством пара и надёжностью вспомогательного оборудования. Именно комплексный подход, когда за ротором следят не только балансировщики и механики, но и тепловики, и химики, и специалисты по КИПиА, даёт тот самый долгий и безаварийный ресурс. Как раз в эту логику вписывается и деятельность компаний, которые, подобно упомянутой ООО Гуандун Хайен Энергетические Технологии, расширяют свою деятельность в смежные области, включая распределённую энергетику. Ведь там к надёжности основного оборудования, того же ротора, требования зачастую ещё жёстче из-за более частых пусков и остановов. Но это уже тема для отдельного разговора.