Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что основная часть вырабатываемой
в СС(^? электроэнергии приходится на долю турбогенераторов теплових я атомных электростанций. В последние годы достигнут значительный прог-рТЖнп развитии турбогенераторостроения. Серийно выпускаются турбогенераторы мощностью 500, S00 и 1000 МВт. Па Костромской ГРЭС успешно эксплуатируется крупнейший турбогенератор мощностью 1200 ІЯЗт на 3000 об/мин. До недавнего зремеки характерной особенностью турбогенератэ-ростроения было быстрое увеличение единичной мощности генераторов. В результате калдые 8-Ю лет единичная мощность удваизалась и за последние 30 лет возросла в 10-12 раз.'Однако, в последние годы ее рост существенно замедлился, в основной из-за сложностей в обеспечечии высокой эксплуатационной надежности как самого турбогенератора,' так и этдельных узлов, в частности, цсточнс-контактного аппарата ().
Олит эксплуатации турбогенератороз на электростанциях показывает !ТО узел контактних колец (КК) по-прежнее остается наиболее уязвимым і наименее надежным узлом турбогенератора. Например, по данный Цент-іального конструкторского бюро Главэнергоремснта вероятность безотка-іной работы ЦКА турбогенератора в течение года при увеличении его ющности с ?.5 до 300 МЗт снимается с 9 до 5<$, а среднее время'пробоя одной малины, в результате повреждения ЩКА, увеличивается с 43 ,о 132 ч. Поэтому проблема обеспечения эффективной и надежной работы ДА турбогенераторов остается весьма актуальной. Однако, отсутствие
настоящее' время экспериментальных данных, соответствующих расчетных етодик и практических рекомендаций, учитывающих комплексное воздей-твие различных физических и технологических факторов на работу силь-оточного скользящего контакта (СК), значительно усложняет процесс роектирования, создания и внедрения эффективных и надеиных твердоіде-очных систем токосъема. Следосательно, крайне острой остается проб-зма поиска новых путей повышения надеиности и эффективности ЩКА.
Настоящая диссертационная работа выполнялась в соответствии с злевой комплексной программой "Электрооборудование" (п.01.05. "Негодование и разработка щеточно-контактного узла повышенной надежнос-1 для турбогенераторов атомных электростанций") и Программой ГКНТ, \ СССР и Минэлектротехпрома по решению научно-технической проблемы ,14.02. "Создать новые виды электротехнического оборудования".
Цель исследований. Кої/ллекснко исследования влияния вида нарезки
рабочей поверхности КК на электрические, механические и тепловые характеристики скользящего электрического контакта и разработка на их основе практических рекомендаций по повышению эксплуатационной надежности и эффективности твердощеточных систем токосъема энергетических турбогенераторов. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
исследование эксплуатационных характеристик СК, образованного щетками 6П ОН (для колец положительной полярности), ЭГ-2АФ (для колец отрицательной полярности) и контактными кольцами с различными видами нарезки их рабочей поверхности;
разработка многофакторных мультипликативных математических моделей электрических и механических характеристик контактной пары типа "контактное кольцо - электрощетка";
статистическая оценка значимости разработанных математических моделей с целью определения возможностей их использования для расчетов;
оценка перспективности применения различных видов нарезки рабочей поверхности КК в системах токосъема турбогенераторов.
Методы исследования. Экспериментальные - на авток:.',-ізированном электротехническом комплексе, состоящем из полномасштабной физическо модели узла контактных колец турбогенератора и управляющей микро-ЭВМ для регулирования процесса сбора и обработки информации. Расчетно-аналятические - с использованием многофакторных математических моделей, разработанных на основе теории планирования эксперимента и аппе рата математической статистики.
Новыми научными результатами и основными положениями, выносишь на зашиту, являются:
- результаты проведенных на автоматизированном электротехничес
ком комплексе экспериментальных исследований влияния различных вида
нарезок рабочей поверхности КК на эксплуатационные характеристики с
стек токосъема турбогенераторов;
» многофакторные мультипликативные математические модели износ щеток 611 ОМ и ЭГ-2А5 и падения напряжения в скользящем контакте;
- статистическая оценка по найденным математическим моделям зі
; чішосги влияния вида нарезки на эксплуатационные характеристики СК;
- практические рекомендации по повышению эксплуатационной на
дежности уэла контактных колец энергетических турбогенераторов.
Практическая ценность работы определяется следующими основным!
юложениями:
предложенные в работе многофакторные натематические модели ос-ЮБНкх характеристик скользящего контакта ыогут служить основой для іаучного прогнозирования и технико-экономического обоснования прое-стно-конструкторских и технологических мероприятий по повышению экс-ілуатациопной надежности твердощеточных систем токосъема;
реализация предлагаемых в работе рекомендаций по внедрении іобьіх аядоз нарезкк рабочей поверхности Kit позволит повысить эффективность и надежность работы узла токосъема турбогенераторов за счет 'мень:изкия-электрических потерь и нагрева щеточного узла сследстпке 'лучшен'.іл токораспределения а системе параллельных щеток.
Внодппн'.'е результатов работы. Результаты работы внедрены в НИИ ИЗО "Электросила", на предприятии "Ленэнергореконт" и зо ВНИИ Одект->омаш при разработке и внедрении сильноточных систен токосъема олект-мческих маинк с контактными кольцаип, что подтверждается соответст-іующими актами.
Апрсбапчя работы. Основные теоретические и практические положеній, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуида-іись на заседаниях и семинарах кафедры "Электрические ыаиины" ЛГТУ 1938-1990 г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 5 початих работах и 4 отчетах по ККР.
Объем ра.ботн. Диссертация состоит из введения, четырех глап, іаключзния, списка литературы из 144 наименований, документов, гюд-'вервдающих внедрение и содержит 96 страниц машинописного текста, , >8 таблиц и .12 рисунков.
соденшмії: работы
В первой главе рассмотрены существующие азгляды на природу ие-:анизма передачи тока через скользя;ций электрический контакт, алия-іие различных факторов на его основные характеристики и параметры.
В настоящее время не существует единого мнения о сущности физи-:о-химических процессов, протекающих в зоне скользящего электричес-:ого контакта, что обусловлено сложностью и вэаиыйсвяэанностью электромагнитных, механических, аэродинамических, химических и тепловых юлений. Тем нэ менее июно полагать, что передача тока в скользящей :оитакте осуществляется через течки непосредственного механического :омтакта, через продукты износа щеток и контактных колец, а также
путем фриттинга, электролиза и газового разряда. Первые два вида то-копередачи являются, на наш взгляд, основными, а последние три относятся к факторам второго порядка, т.к. они, как правило, возникают при нарушении первых двух. Поэтому при анализе закономерностей работы скользящего контакта вполне достаточно учитывать токопередачу лишь через пятна контактирования и продукты износа.
Важнейшими факторами, определяющими работу щеточного узла, являются ток через щетку X., усилие нажатия на щетку F и скорость скольжения в контакте V^. Именно эти факторы на 90-9а% определяют значения основных характеристик скользящего контакта - износа щеток лk и переходного падения напряжения aU. Вместе с тем, на ток через щетку и токораспределение по щеткам существенно влияют усилив нажатия на щетку, вольт-амперные характеристики щеток и вид нарезки рабочей поверхности КК.
Нарезка рабочей поверхности, по мнению ряда исследователей (Ав-рух, Зайчиков, Крылов и др.), благотворно влияет на уменьшение аэродинамических усилий, действующих на щетки, на теплоотдачу с поверхности КК,на равномерность токораспределения по параллельным щеткам. Справедливость первого из этих трех утверждений не вызывает сомнений т.к. нарезка любого вида неизбежно приведет к "срыву аэродинамического клина" под щетками, что доказывается соответствующими экспериментами. Теоретическое предположение о резкой увеличении коэффициента теплоотдачи и существенном улучшении токораспределения нуждается в тщательной экспериментальной проверке. Также в проверке нуждается и предположение об уменьшении износа щеток и падения напряжения в СК, причем это может быть сделано лишь путем разработки многофакторных математических моделей основных характеристик СК, к которым относятся линейный износ щеток лft и падение напряжения в СК л U .
Таким образом, из вышеизложенного следует, что в настоящее время нет достаточной ясности в таких важных вопросах работы скользяще-. го контакта как закономерности токораспределения по параллельным щет кем, теплоотдачи с поверхности КК, износа щеток и переходного падения напряжения. Очевидно, что внести ясность в поставленные вопросы можно лишь с помощью комплексных экспериментальных исследований.
Во второй главе представлены результаты исследований коэффициента теплоотдачи с поверхности контактных колец. Необходимо отметить , что в литературе встречаются самые противоречивые мнения о методах расчет* коэффициента теплоотдачи с поверхности КК «С и о влиянии на
іки на процесе теплоотдачи. Расчеты покаэыаают, что коэффициенты їлоотдачи одного и того же кольца, рассчитанные по различным форну-I, могут отличаться в 3-5 и более раз. Так, например, для КК диа-"ром 490 мм при скорости 3000 об/мин критериальное уравнение теп-ібмена, предложенное Андерсоном, дает значение < = 141 Вт/(ьГ-С), імлирическое выражение, полученное Рихтером - 435 Вт/(іГ.С). Пра-[чески не исследована проблема влияния нарезки на величину коэффи-:нта теплоотдачи. Единственная попытка внести ясность в этот воп-: была предпринята в 1971 году (Аврух, Зайчиков и др.), когда рас-'ным путем показано, что коэффициент теплоотдачи с поверхности ко-I с ромбической нарезкой в 3 раза выше, чем для колец с обычной ітовоЯ нарезкой. Однако, при расчетах было сделано крайне спорное, каш взгляд, допущение о том, что теплоотдача осуществляется не с іочей поверхности кольца, а с поверхности канавок, образованных на-жой. Неправомерным является также вывод о tow, что при переходе с ітовой нарезки ьа ромбическую ламинарное движение окружающего воз-:а переходит в турбулентное. Очевидно, что при высоких скоростях ицения КК уже существует развитое турбулентное движение воздуха 9>1Сг) и на пего не может оказать заметного влияния дополпитель-) турбулизирующее действие шероховатости, образованной нарезкой.
Таким образом, очевидно, что существует необходимость в экспери-італьньїх исследованиях коэффициента теплоотдачи с поверхности КК іду отсутствия достоверных методов его расчета.
Исследования проводились на кольцах диаметром 320 мм и 490 мм. кольцах диаметром 320 им была выполнена нарезка двух видов: стальная винтовая и экспериментальная ромбическая. Параметры винтовой эеэки: шаг нарезки (прямой ход) 10 мм, отношение ширины выступа к мне впадины 7/3, глубина нарезки б мм, нарезка однозахедная. Парафы прямого хода ромбической нарезки те же, что и винтовой. Парафы встречного хода ромбической нарезки: шаг нарезки 16 ш, отногае-і ширины выступа к ширине впадины 13/3, число заходов 12. Кольца шетром 490 мм имели нарезку трех видов: винтовую, ромбическую и абинированну» коллекторно-винтовуга. Стандартная винтовая нарезка !ла те же параметры, что и для колец диаметром 320 мм. Эксперимен-іьная ромбическая была выполнена с одинаковыми параметрами прямого эстречмого хода: шаг нарезки 14 им, отношение ширины выступа к ши-іе впадины ІІ/3, глубина нарезки б им, число заходов 13. Экопери-італьная комбинированная нарезка представляет собой сочетание стан-
дартной винтовой и коллекторной нарезок. Коллекторная нарезка имеет угловой шаг 3, глубину 6 мм, ширину 3 мм.
Расчеты коэффициента теплоотдачи велись по формуле Ньютона
*~Т+-7Г (1)
где Р - мощность потерь в зоне Qi, рассеиваемая кольцом, Л t - разность теьшератур окружающего воздуха и поверхности КК, <Ґ - площаді рабочей поверхности КК.
На рис.1 и 2 приведены полученные в ходе экспериментов значенні коэффициента теплоотдачи сС при изменении линейной скорости на поверхности колец V . Из рисунков следует, что зависимость
< *$o-(1 + 0,4- YF) , (2)
полученным для гладких колец и для коллекторов. Это убедительно свидетельствует о том, что наличие или отсутствие нарезки, а также ее вид не оказывают влияния на процесс теплоотдачи с поверхности вращающихся КК.
Недостатком формулы Арнольда является то, что коэффициент 50, стоящий перед скобкой - это лишь удобный размерный коэффициент и по своему физическому смыслу, как показали эксперименты, он не являете коэффициентом теплоотдачи в спокойный воздух. Для устранения этого недостатка была найдена однофакторная математическая модель вида
<=j/o(n-o,o9ir0,*J) , (3)
, где tCt НО Вт/(мг.С) - коэффициент теплоотдачи неподвижных кон тактных колец, найденный опытным путем. Погрешность определения о< по предложенной модели'не превосходит 7fa во всем диапазоне изменени угловых скоростей вращения КК от 0 до 3000 об/мин. Кроме того, проведенные исследования позволяют утверждать, что основная часть потерь, выделяющихся в зоне скользящего контакта (до 80-90) отводите не через щетки, а через контактные кольца.
Третья глава . посвящена экспериментальным исследованиям такой важнейшей характеристики узла токосъема турбогенераторов, как равне мерность токораспределения по параллельно работающим щеткам. Иэвесз но, что системы токосъема с гладкими кольцами не обеспечивают достг точно равномерного токораспределения, что приводит к концентрации о ка по отдельный щеткам и, следовательно, к преждевременному выходу
IOCO
o& 3000 "**
Рис. I. Коэффициент теплоотдачи колец диаметром 320 мм.
-4 = /(1/) . * -UP=/(v)
_Вт_
3GC-
юс-ос-
>,с. 2. Кггч'^'.!циеит теплоотдачи голец диаготрем 'К'О
/v^
их из строя. Нарезка рабочей поверхности контактных колец должна п водить к существенному улучшешю токораспределения вследствие прик дительного перемещения точек проводимости, что не позволяет току и нцентрироваться по отдельным щеткам. Однако, вопрос о том, какой е нарезки способен обеспечить наилучшее токораспределение оставался неисследованным. Кроме того, не изучено какое влияние оказывают на токораспределение такие факторы как суммарный ток системы параллел ных щеток, нажатие на щетку, линейная скорость скольжения в контак Для того, чтобы внести ясность в поставленные вопросы были П{ ведены эксперименты по исследованию токораспределения при 4 щеткш работающих параллельно. При обработке данных этих исследований тал статистические показатели, характеризующие токораспределение, как средний ток щеток ХСп , среднеквадратичное отклонение тока 6" у коэффициент вариации тока К:
V-fc-ZK-bf
(5)
/С= -j=— 100 Уо , (6)
'ср
где//- количество щеток в эксперименте, І - ток L -й щетки.
Результаты экспериментов представлены в таблицах I и 2. Из д; ных этих таблиц следует, что переход с винтовой нарезки на ромбич< кую для контактных колец диаметром 320 мм приводит к уменьшению с\ днего'значения коэффициента вариации тока с 28,6$ до 24,2%, а пер< ход с ромбической нарезки на комбинированную для колец диаметром -мм - с 32,8 до 24,1. Эти данные позволяют говорить о преимущесті с точки зрения равномерности токораспределения, колец с большей с пенью дробления контактной поверхности, т.е. колец с комбинирован] нарезкой. Кроме того, увеличение суммарного тока щеток ведет обьічі к уменьшению значения К, т.е. к выравниванию тока по щеткам. При ; личении угловой скорости вращения контактных колец токораспределе; ухудшается, что, очевидно, связано с возрастающей нестабильностью
Таблица 1 Коэффициент вариации тока К {%) при работе щеток ка кольцах диаметром 320 мм -'
28,2
20,1
' 36,5 34,4
.16,3.-16,3
Таблица 2
Коэффициент вариации тока К {%) при работе цсток на кольцах диаметром 490 им
Щетки марки 611 0!1
Нажатие на щетки /^8,12,15,20 Н
Нэлятне на г;стк; F = 12 К
V , м/с
Х^.А
.70
25,7
(1000 об/мин)
51,3 (2000 об/шн)
30,8
44,7
40,0
17,2
14,4
39,6
21,1
?Л,2
14,7
34, л 17,6
-"і I
10,9
14,4
Т7 Ч
^' ''-
10,3
77,0 (3000 об/мин)
45,[
4С\
32,2
44, Т
31,0
4 22,9
?iL3
23,1
31,5,
17,0
Щетки марки ЭГ-2АЗ
Нажатие на щетки ^=8,12,16,20 ?!
Нажатие на щетки F = 12 И
25,7
(1000 об/шн)
33,6
17,0
29,3
19,6
51,3 (2000 об/мин)
39.5
25,9
37.3
25,5
J35j6. 32,5
2?., 4 17,2
24,0 14,2*
77,0 (3000 об/мин)
63,4.
54,6
-2L2
24,9
Примечание; в числителе дани коэффициенты вариации тока для колец с ромбической нареокоЛ, в зканона-толе - для колец с ко'.Зштро ванной нарезкой.
энтактированкя щетки и кольца. Выравнивание начатий на щетки приво-ит к уменьшению коэффициента вариации.
Сравнение полученных результатов с данными, имеющімися в лите-атуре, позволяет утверждать, что нарезка рабочей поверхности конта-тных колец любого вида приводит к существенному улучшению токорас-ределения по сравнении с гладкими кольцами. Причин:/ этого следует екать в принудительном перемещении точек проводимости под щеткой и изменении их количества, что приводит к изменению переходного сол-отивлеуня каждой щетки Поэтому, ток устремляется в те щетки, кото->ые в данный момент обладают наименьшим сопротивлением. Таким обра-ом, принудительное перемещение точек проводимости, обусловленное іарезкой на вращающейся поверхности контактных колец, создает благо-іриятнке условия для выравнивания токораспределенип. Исходя из тако-'о объяснения можно предположить, что усилить полученный эффект поз-юлит увеличение ширины канавки или уменьшение ширины щетки, в осо-іенности, если ширина щетки окажется меньше ширины канавки. Это ло-іволит в некоторые моменты времени полностью выключать щетку из ра-іотьі. Для проверки этого предположения были проведены эксперименты ю исследованию токораспределения с_ тремя комплектами щеток: первый-цетки стандартного сечения 20x32 мм^, второй - щетки уменьшенного течения 10x10 ю,г, третий - щетки сечением 3x3 юг. Третий комплект 5ыл изготовлен так, чтобы щетки имели возможность полностью "прова-ииваться" в канавку и не иметь с кольцом электрического контакта. Эксперименты показали, что коэффициент вариации тока, который состав-пял 46 для щеток сечением 20x32 мм2, уменьшился до 44й для щеток сечением 10x10 wjt и до 85 для щеток сечением 3x3 мкг. Однако очевидно, что уменьшать размеры щеток до размеров стандартных канавок нецелесообразно из-за резкого увеличения количества щеток и, как следствие, механических потерь. Поэтому, возможен другой путь, приводящий- к тому же результату - увеличение ширины канавки до ширины щетки (или чуть больше). Сама канавка при этом должна быть заполнена каким-либо диэлектрическим материалом. Для снятия аэродинамического давления под щетками на полученной (в результате заполнения канавки) гладкой поверхности КК необходимо сделать нарезку стандартной ширины 3 мм.
Таким образом, выполненныо экспериментальные исследования позволили проанализировать влияние, которое оказывает на равномерность токораспределения такие факторы как суммарный ток системы параллельных щеток, нажатие на щетку, скорость скольжения а контакте, сечение
щёток и вид нарезки на рабочей поверхности контактных колец. Проведенный анализ позволяет утверждать, что наилучшими свойствами с точки зрения равномерности токораслределения обладают кольца с комбинированной нарезкой рабочей поверхности.
Четвертая глава посвящена разработке математических моделей основных характеристик скользящего контакта, т.е. величин износа щеток Ah и переходного падения напряжения Л U .
Обычно для описания процессов, протекающих в зоне скользящего контакта, предлагаются лишь однофакторные математические модели. Существенным недостатком такого подхода является то, что при этом анализируется зависимость какой-либо характеристики СК лиаь от одного независимого параметра. В то же время, рядом исследований доказано, что воздействие большинства факторов на СК является комплексным. Поэтому, математические модели основных характеристик СК должны быть многофакторными, т.е. должны учитывать одновременное влияние нескольких факторов на какую-либо характеристику СК. Т.к. зависимость Л h к uU от основных факторов, определяющих работу щеточного узла (ток щетки I , усилие нажатия F , скорость скольжения V ), является существенно нелинейной, то было принято решение разработать математические модели так называемого мультипликативного вида, т.е. вида
*A-A.-IA,-FA*-VAj . W
4(^4,-1^-/^-И* ('8)
где А і и В і - неизвестные коэффициенты, которые необходимо определить в ходе экспериментов.
Значения каждого из трех факторов варьировались на трех уровнях. В качестве уровней суммарного тока щеток были выбраны значения 100 Л, 300 А, 500 А, в качестве уровней начсатия 8 Н, 12 Н, 16 Н, в качестве уровней скорости 25,1 м/с (1500 об/мин), 33,5 м/с (2000 об/ /мин), 41,9 м/с (2500 об/мин) для колец диаметром 320 мм и 25,7 м/с (1000 об/мин), 51,3 м/с (2000 об/мин) и 77,0 м/с (3000 об/мин) для колец диаметром 490 мм.
Проверка адекватности полученных моделей проводилась с помощью критерия Фишера ( F -критерия). Сами модели были получены на" микро--ЭВЫ с использованием программы "/fVD"' основанной на методе сингулярного разложения матриц.
Полученные модели износа щеток представлены в таблице 3, модели
аденил напряжения - в таблице 4.
Значения тока, усилия нажатия и линейной скорости в контакте олжны подставляться в модели в относительных единицах. В качестве азисных приняты ^следующие значения: X
Полученные математические модели с достаточной точностью описы-ают экспериментальные данные и являются статистически значимыми F>FyaS\. ) Оценка влияния вида нарезки на характеристики сколь-ящего контакта, проведенная по моделям, показала, что износ щеток а кольцах с ромбической нарезкой при fl = 3000 об/мин по сравнению винтовой увеличивается,на 13,3 для щеток 611 ОМ и на 2,7, для ще-ок ЭГ-2АФ. Переход с ромбической нарезки на комбинированную увели-ивает износ на 21,1 для щеток 611 ОМ и на 11,4 для щеток ЭГ-2АФ. ереходное падение напряжения на кольцах с ромбической нарезкой по равнению с винтовой уменьшается на 5,3 для щеток 611 ОМ и на 13 ля щеток ЭГ-2АФ. Переход с ромбической нарезки на комбинированную менылаег падение напряжения на 6, для обеих марок щеток. Получение результаты можно объяснить тем, что увеличение степени дробле-ия рабочей поверхности КК при переходе с винтовой нарезки на ромби-ескую и с ромбической на комбинированную влияет как на электричес-ую, так и на механическую составляющие износа щеток. С одной сторо-:ы, её увеличение положительно сказывается на стабильности работы кользящего контакта и выравнивании токораспределения между щетками , тем самым, приводит к уменьшению падения напряжения в СК и элект-іической составляющей износа. С другой стороны, увеличение степени .робления обуславливает непосредственно возрастание чисто ыеханичес-:ого износа.
Проведенный статистический анализ позволяет сделать вывод о :татисгически незначимом (соизмеримым с логрешностью эксперимента) величении износа щеток при работе на КК с более высокой степенью іробления рабочей поверхности. В то же время, ввиду высокой точнос-и измерения величины Л U , влияние вида нарезки на падение напря-[ения оказалось статистически значимым.
Таким образом, расчеты, выполненные по найденным математическим гаделям, показывают, что комбинированная нарезка обеспечивает сущо-:твонное снижение электрических потерь в зоне скользящего контакта ю сравнению с винтовой и ромбической.
Таблица З Математические модели износа щеток
Таблица 4 Математические модели падения напряжения
