Соединительные муфты в тепловых электростанциях: высокоскоростная передача высокого крутящего момента на электростанциях Великобритании.

Сценарий применения · Промышленная передача электроэнергии

Соединительные муфты в тепловых электростанциях: высокоскоростная передача высокого крутящего момента на электростанциях Великобритании.

Паровые турбины, тепловое расширение, усталостная прочность — и высокоточная конструкция муфт, обеспечивающая бесперебойную работу энергосистемы.

Немногие компоненты трансмиссии подвергаются столь сильному сочетанию нагрузок, как муфта, соединяющая паровую турбину с генератором внутри тепловой электростанции. Когда номинальная мощность достигает сотен мегаватт, а частота вращения вала колеблется от 1500 до 3600 об/мин, почти каждый инженерный параметр — крутящий момент, динамическая балансировка, усталостная прочность и термокомпенсация — находится на пределе возможностей современной металлургии и высокоточного производства. По всей Великобритании, от крупных газотурбинных электростанций комбинированного цикла в Йоркшире до угольных электростанций, перепрофилируемых вдоль устья реки Хамбер, надежность одного соединительного элемента может определять, останется ли многомиллионный генерирующий актив синхронизированным с национальной энергосетью или выйдет из строя в период пиковой нагрузки.

В отличие от муфт, используемых в относительно умеренных промышленных приводах — насосах, конвейерах или компрессорах — муфта паротурбинно-генераторной установки должна одновременно справляться с двунаправленными ударными нагрузками во время синхронизации с сетью, циклическим крутильным возбуждением от колебаний давления пара и медленным, но неуклонным осевым ростом, происходящим по мере нагрева корпуса турбины от холодного пуска до номинальной рабочей температуры. Достижение этого инженерного баланса — это не вопрос выбора готового изделия из каталога; это требует точно спроектированного решения, разработанного в тесном сотрудничестве между оператором электростанции, производителем турбин и производителем муфт, обладающим глубокими знаниями в данной области.

Вам нужна высокоточная муфта для вашей системы выработки электроэнергии?

✉ Получить ценовое предложение

Принцип работы: как муфты регулируют выходную мощность турбины

Соединение между паровой турбиной и ее генератором не является жестким болтовым соединением. Тепловая энергетика создает постоянно меняющуюся механическую среду. По мере вращения ротора турбины пар высокого давления воздействует на лопатки, создавая вращательную энергию, и эта энергия должна передаваться с минимальными механическими потерями через гибкое соединительное соединение к ротору генератора, который преобразует ее в электрическую энергию. В этом применении во всем мире доминирует зубчатая муфта, поскольку она основана на зацеплении зубьев внешней шестерни с внутренними шлицевыми зубьями, расположенными внутри втулки. Такая конструкция обеспечивает механически прочное соединение, компенсируя при этом несоосность, неизбежно возникающую в результате термической нагрузки валов во время работы.

Во время холодного пуска на электростанции в Великобритании ось вала турбины и ось вала генератора выравниваются с высокой точностью, часто измеряемой сотыми долями миллиметра. Но как только начинается поток пара и температура корпуса повышается от окружающей среды до рабочих значений, которые могут превышать 500 °C на входе в корпус, турбина расширяется в осевом и радиальном направлениях. Это вызывает измеримое параллельное, угловое и осевое смещение между двумя осевыми линиями валов. Зубчатая муфта поглощает все три режима смещения одновременно за счет относительного скольжения между зубьями с выпуклой головкой и втулкой, преобразуя то, что в противном случае было бы разрушительными изгибающими нагрузками на подшипники вала, в тепло, выделяемое трением зубьев о втулку — тепло, которое рассеивается циркулирующим смазочным маслом, протекающим через ступицу муфты.

Электростанции, переходящие с угольной энергетики на газовую (Йоркшир и Хамбер) — Несколько крупных тепловых электростанций вдоль устья реки Хамбер и по всему Йоркширу в настоящее время находятся в середине срока службы, поскольку генерирующее оборудование, первоначально разработанное для угольных паровых циклов, адаптируется для совместного сжигания природного газа или полной газовой конверсии. Эти переоборудования часто включают модификацию турбинного вала для размещения новой конфигурации паропровода, что изменяет профиль теплового расширения ротора турбины низкого давления. Запасные муфты для этих модернизаций должны быть изготовлены на заказ в соответствии с измененной геометрией вала, новым номинальным крутящим моментом и измененными коэффициентами теплового расширения — работа, которая требует от поставщика муфт как детального конечно-элементного анализа динамической системы ротора, так и точности изготовления для обеспечения допусков на диаметр отверстий H7/r6 или более жестких для валов большого диаметра.

Газотурбинные электростанции комбинированного цикла (ГТЭ) — Англия и Шотландия — Современные парогазовые электростанции, в том числе несколько действующих вблизи Бирмингема и в центральной части Шотландии, соединяют газовые турбины, парогенераторы с рекуперацией отработанного тепла и паровые турбины в сложной многовальной конструкции. Соединение между паровой турбиной низкого давления и генератором на таких станциях подвергается особенно интенсивным рабочим циклам, поскольку паровая турбина часто запускается и останавливается в зависимости от колебаний спроса на газ — каждый тепловой цикл приводит к усталостному повреждению соединения. Зубчатые муфты, выбираемые для эксплуатации в парогазовых электростанциях, обычно имеют дополнительный запас прочности и более большой радиус закругления зубьев для снижения контактного напряжения между зубьями во время многочисленных тепловых переходных процессов, которым подвергаются эти машины.

Паротурбинные установки на атомных электростанциях (Сомерсет и Саффолк) — Атомные электростанции на таких площадках, как Хинкли-Пойнт в На АЭС Сомерсет и Сайзвелл в графстве Саффолк эксплуатируются крупные паротурбинно-генераторные установки, требования к муфтам которых выходят за рамки обычных промышленных стандартов. Законы ядерной безопасности предъявляют дополнительные требования к конструкции муфт, включая способность выдерживать скачок крутящего момента, связанный с отключением электропитания при полной нагрузке — сценарий, при котором автоматический выключатель генератора мгновенно размыкается на полной мощности, передавая весь электрический крутящий момент в виде механического крутящего момента через муфту на вал турбины. Муфты на атомных электростанциях должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать такие события без разрушения или отсоединения, и, как правило, подлежат независимой инженерной экспертизе сторонними организациями, приемлемыми для Управления по ядерному регулированию.

Заводы по переработке биомассы и отходов в энергию (различные регионы Великобритании) — Расширение мощностей по производству электроэнергии на биомассе на таких площадках, как Дракс в Северном Йоркшире, создало значительный и растущий сегмент рынка муфт для паровых турбин, которого не существовало двадцать лет назад. Условия работы с паром, работающим на биомассе, как правило, более агрессивны с точки зрения коррозии, вызванной хлоридами, чем в случае угольных электростанций, что приводит к дополнительным требованиям к защите наружных поверхностей муфт. В пределах Шеффилдского коридора тяжелого машиностроения и по всей производственной зоне Уэст-Мидлендса инженерные подрядчики, управляющие эксплуатацией и техническим обслуживанием электростанций, работающих на биомассе, все чаще указывают в качестве компонентов муфты с улучшенными антикоррозионными покрытиями, крепежными элементами из нержавеющей стали и герметичными системами смазки для увеличения интервалов между техническим обслуживанием.

Промышленные когенерационные установки и ТЭЦ (Шеффилд и Бирмингем) — Системы комбинированного производства тепла и электроэнергии, действующие в пределах В промышленных районах Шеффилда и Бирмингема используются паровые турбины меньшего размера, мощностью от 5 до 50 МВт. Эти турбины приводят в движение генераторы, которые экспортируют электроэнергию и одновременно обеспечивают технологический пар для соседних заводов. Муфты, используемые в турбинных установках ТЭЦ, меньше, чем в установках электростанций промышленного масштаба, но рабочий цикл не менее напряженный — многие ТЭЦ работают непрерывно 8000 и более часов в год. Короткие периоды технического обслуживания во время праздничных остановок заводов означают, что муфта должна быть спроектирована для быстрого доступа и повторной смазки, и эти функции закладываются в конструкцию втулки и смазочного фитинга опытными инженерами-конструкторами муфт.

Морские газокомпрессорные платформы (Северное море, британский сектор) — Хотя это и не традиционная среда тепловых электростанций, на морских компрессорных платформах в Северном море Великобритании используются центробежные компрессоры с газотурбинным приводом в условиях, которые во многом схожи с требованиями к муфтам паровых турбин на суше: высокоскоростное вращение валов, непрерывная работа, затрудненный доступ для технического обслуживания и сложные условия окружающей среды. Муфта, соединяющая газотурбинную силовую турбину с центробежным компрессором, должна выдерживать такое же сочетание теплового расширения, осевого перемещения и усталостных нагрузок, а также воздействие соленого воздуха и влажности, которые со временем разрушают внешние поверхности муфты. Британские операторы морских платформ обычно указывают API 671 в качестве основного стандарта для таких применений, устанавливающего минимальные требования к конструкции муфты, документации на материалы, испытаниям и поставке запасных частей.

Оператор централизованного энергоснабжения, эксплуатирующий теплоэлектростанцию ​​в Нижней долине Дона, Шеффилд, столкнулся с повторяющимися срабатываниями вибрационной сигнализации на своей 18-мегаваттной пароконденсатной турбине с отбором пара. Турбина, изготовленная в середине 1990-х годов, более 22 лет непрерывно работала в режиме базовой нагрузки. Данные о вибрационной динамике, полученные с помощью бесконтактных датчиков подшипников, показали постепенное увеличение амплитуды вибрации в 1 раз за 18 месяцев, сопровождающееся периодическими колебаниями температуры в зоне сцепления, измеренными системой контроля и мониторинга турбины.

Анализ первопричин, проведенный инженером по вращающемуся оборудованию завода, выявил износ боковых поверхностей зубьев оригинальной муфты, с фрикционными следами, распространяющимися примерно на 65% активной поверхности зуба как на внешних зубьях ступицы, так и на внутренних зубьях втулки. Смазочные фитинги муфты частично засорились, что уменьшило поток масла через зацепление зубьев и ускорило износ по сравнению с предыдущим периодом технического обслуживания. Оригинальный производитель муфт прекратил выпуск данной линейки продукции, и прямая поставка замены больше недоступна.

Оператор обратился в компанию Ever Power с полным комплектом данных о размерах вышедшей из строя муфты, измеренных с помощью координатно-измерительной машины (КИМ), и копией оригинального чертежа расположения вала турбины. Инженерная группа Ever Power в течение 72 часов подготовила подробное предложение по обратному проектированию, включающее пересмотренный профиль зубьев с увеличенным радиусом коронки для улучшения допуска на несоосность — модернизация, устранившая известный недостаток оригинальной конструкции. Заменяющая муфта была изготовлена ​​с точностью зубчатых передач класса DIN 6 и динамически сбалансирована до класса G2.5. Сертификат на материалы по стандарту EN 10269 и полные записи о измерении размеров были предоставлены вместе с изделием.

Замена муфты была произведена во время пятидневного планового останова, согласованного с сетью централизованного теплоснабжения городского совета Шеффилда, в связи с чем электростанция должна была частично работать на мазуте во время простоя паровой турбины. После возобновления работы амплитуда вибрации на подшипнике приводного конца турбины снизилась с уровня до остановки (87 мкм от пика до пика) до 14 мкм — что находится в пределах допустимого значения по стандарту ISO 10816 для данного класса машин. Впоследствии электростанция работала непрерывно более 14 000 часов без повторения колебаний вибрации, и оператор разместил предварительный заказ на запасную муфту для хранения на складе электростанции.

© Ever Power — Прецизионные соединительные решения для электроэнергетики и промышленного применения в Великобритании

отредактировано gzl