Причины отклонения осевого зазора турбин в Китае? 

Вот вопрос, который постоянно всплывает в разговорах на объектах или при разборе неудачных пусков. Многие сразу грешат на качество сборки или материалов, но, по моему опыту, корень часто лежит глубже — в стыке проектных решений, производственной культуры и реальных условий эксплуатации. Давайте разбираться без глянца.

Проектные допуски и ?бумажные? расчеты

Значительная часть проблем закладывается на стадии проектирования. Нередко встречаются ситуации, когда осевой зазор рассчитывается для идеальных, ?лабораторных? условий: постоянная нагрузка, чистая вода, стабильные параметры сети. Но на реальной ГЭС, особенно малой или средней, где часто работают наши агрегаты, условия далеки от идеала. Колебания напора, содержание абразивных частиц в воде, частые пуски-остановки — все это не всегда полноценно закладывается в тепловые и силовые расчеты.

Бывало, получали чертежи от заказчика, где зазор указан в узком диапазоне, скажем, 4±0.2 мм. А при монтаже выясняется, что температурное расширение вала при реальном, а не паспортном, режиме работы дает совсем другую картину. Получается или закусывание, или слишком большой зазор с последующей вибрацией. Это классическая ошибка — переносить параметры с крупных, базовых станций на малые без адаптации.

Здесь стоит упомянуть таких производителей, как ООО Эмэйшань Чипинь Машиностроительное производство. Они как раз из Сычуани, региона с огромным количеством малых ГЭС со сложным рельефом и составом воды. На их сайте https://www.emccjx.ru видно, что они специализируются на оборудовании именно для таких условий. Их практика показывает, что для горных рек с большим количеством наносов иногда логичнее сознательно закладывать чуть больший начальный зазор в расчете на повышенный износ уплотнений и рабочего колеса, но это уже вопрос компромиссов.

Цепочка производства: где теряется точность

Даже при хорошем проекте все может развалиться на этапе изготовления и сборки. Основные точки риска — обработка посадочных мест для упорного подшипника и стабильность геометрии корпуса. Если станина или камера рабочего колеса имеют остаточные напряжения после сварки и не прошли полноценный отжиг, со временем происходит ?ведение? металла, геометрия нарушается, и зазор уходит.

Лично сталкивался с историей на одной ГЭС в Юньнани. Турбина после года работы начала сильно шуметь. Вскрыли — осевой зазор с одной стороны почти ноль, с другой — 1.5 мм. Оказалось, корпус отливали на стороннем заводе, который сэкономил на термообработке. Металл ?повело? уже после монтажа под нагрузкой. Пришлось демонтировать и устанавливать юстировочные прокладки, что было адской работой.

Еще один нюанс — качество самих упорных подшипников. Использование сегментов с неравномерной твердостью или плохой пришабровкой ведет к локальному перегреву и короблению вала. Это не всегда видно сразу, проявляется постепенно.

Монтаж и пусконаладка: человеческий фактор

Это, пожалуй, самый непредсказуемый этап. Технология центровки и выставления зазоров прописана, но на практике ее часто нарушают из-за сжатых сроков или нехватки квалификации монтажников. Измерения проводят не во всех контрольных точках, забывают учитывать температуру в машинном зале (особенно актуально для высокогорных станций), не проверяют соосность уже под нагрузкой на фундаменте.

Частая ошибка — неверная интерпретация показаний толщиномеров (щупов) при измерении зазора. Замеряют в статике, ?на холодную?, не моделируя тепловое состояние. А потом, при прогреве, вал упирается. Видел, как наладчики для экономии времени выставляли зазор по минимуму допуска, не оставляя запаса на ?разбег? при внезапных сбросах нагрузки. Результат — аварийная остановка из-за срабатывания датчика осевого сдвига уже на этапе опробований.

Проблема ?жесткого? фундамента

Отдельно стоит сказать про фундамент. В проектах его часто считают абсолютно жестким. На деле, особенно на скальных или, наоборот, мягких грунтах, возможна просадка или упругая деформация. Если фундамент подшипникового узла и под турбиной ?играет? по-разному, ось вращения перекашивается, и зазор перераспределяется непредсказуемо. Это та причина, которую ищешь в последнюю очередь, когда все остальное уже перепроверил.

Эксплуатация: то, что не предусмотреть в проекте

И вот агрегат сдан. Но причины отклонений могут появиться потом. Главный враг — кавитация. Локальная кавитационная эрозия на лопатках рабочего колеса или на направляющем аппарате нарушает балансировку ротора. Возникают динамические нагрузки, которые ?разбивают? посадочные места, и вал получает дополнительную степень свободы. Зазор начинает увеличиваться сверх расчетного износа.

Другая частая история — работа в нештатных режимах. Например, длительная работа на малых нагрузках при большом напоре, когда срыв потока особенно интенсивен. Или частые переходы через зону запрещенных оборотов. Вибрации в этих режимах ускоряют износ сегментов упорного подшипника, что напрямую влияет на осевой зазор турбины.

Кстати, услуги по модернизации и повышению мощности, которые предлагают многие производители, в том числе и упомянутая компания из Эмэйшаня, часто требуют пересмотра именно этих параметров. Установка более мощного генератора на старую турбину без анализа осевых усилий — прямой путь к аварии.

Материалы и ?несовместимость?

Казалось бы, мелочь, но она решает. Разный коэффициент теплового расширения материалов вала, втулок и корпусных деталей. Если вал из одной стали, а втулка подшипника из другой, при нагреве они расширяются по-разному. В одном проекте мы долго не могли понять причину сезонного изменения зазора на одной ГЭС. Оказалось, летом температура воды в нижнем бьефе поднималась значительно, охлаждение подшипника было недостаточным, и латунная втулка расширялась сильнее стального вала, ?зажимая? его. Пришлось переходить на другую схему охлаждения и менять материал втулки.

Экономия на материалах уплотнений тоже аукается. Мягкие уплотнения из некачественной резины быстро изнашиваются, увеличивая не только протечку, но и позволяя валу иметь больший осевой ход, что в итоге расшатывает весь узел.

Что в сухом остатке?

Итак, причина никогда не бывает одна. Это всегда цепь: возможно, слегка ?оптимизированный? проект + скрытый дефект литой станины + небольшая ошибка монтажников + работа с водой, содержащей песок. Отклонение осевого зазора — это симптом, а лечить нужно всю систему.

Опыт подсказывает, что ключ — в усилении контроля на стыках этапов. Проектировщик должен хотя бы раз побывать на аналогичной действующей станции. Завод-изготовитель — не пропускать этапы термообработки. Монтажная организация — не жалеть время на контрольные замеры при разных температурах. А эксплуатационникам — строже соблюдать режимные карты.

Как показывает практика тех же сычуаньских предприятий, работающих в сложных условиях, надежность достигается не гениальным расчетом, а пониманием того, где этот расчет будет неизбежно расходиться с реальностью, и заложением соответствующих компенсаторов. Будь то чуть более широкий допуск, более стойкий материал или продуманная система мониторинга. Но это уже тема для другого разговора.