Введение к работе
Актуальность проблемы. Приоритеты надежности занимают все более прочное место в стратегии использования силового электротехнического оборудования в отечественной и мировой промышленной практике. Поскольку цена единичного отказа электрической машины в ответственном энергетическом комплексе бывает соизмерима с ее собственной стоимостью, снижение вероятности повреждения решает серьезную экономическую задачу. С другой стороны, предрасположенность новой конструкции к отказам, способная поставить под сомнение целесообразность ее тиражирования, может быть ликвидирована благодаря изучению ее свойств. Развитие методов предупреждения отказов, обусловленных термическими дефектами, и исследования тепловых характеристик конструкций электрических машин на стадии их создания в равной степени актуальны в условиях технического прогресса.
Техническая диагностика, направленная на раннее выявление дефектов оборудования в процессе его работы, до последнего времени была в известной мере дистанцирована от углубленных исследований, которые сопутствуют созданию новой техники. Для проблематики теплового состояния злектрігческігх машин такой разрыв не представляется логически обоснованным. Эффективность решения задач надежности может быть повышена за счет сшггеза двух указанных научных и инженерных направлений на единой методической основе. Для этого знание свойств, органически присущих заданному конструктивному тішу машины, требуется ориентировать на использование в направлении выявления и анализа аномалий в действующих образцах машин. Существует и полезная обратная связь, когда алгоритмы и результаты обследования технического состояния (в данном случае, теплового) действующих образцов способны обогащать факпгчсским материалом теорию и практику создания конструкций, корректных в тепловом отношении.
Цель работы состоит в решении методологических вопросов тепловых исследований и разработке научных и инженерных основ температурной диагностики электрических машин как совокупности взаимосвязанных экспериментальных и раечетно-аналігпгческих процедур, направленных на изучение термических свойств конструкции и выявление температурных аномалий. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
- на базе расчетно-теоретического исследования температурных полей разработать и обосновать компактнее математические модели для экспресс-оценки максимальных и средних температур активных
частей в стационарных и динамических режимах применительно к исправному и характерным дефектным тепловым состояниям машин различных видов;
- усовершенствовать методический аппарат опытного изучения
тепловых процессов в электрических машинах в отношении средств
и методов измерений, а также распространения результатов
эксперимента на условия, отличные от реализованных в опыте;
получить экспериментальные тепловые характеристики крупных электрических машин, в первую очередь, турбо- и гидрогенераторов, выполнить их научный анализ и обобщение с целью принятия прогрессивных решений при проектировании высокоисиользованных электрических машин последующих поколений и формирования библиотеки эталонов для решения задач эксплуатационной диагностики;
разработать научные основания и инженерные методы выявления и идентификации локальных и крутшоочаговых термических аномалий в активных частях электрических машин применительно к задачам эксплуатационной диагностики и изучения термических свойств конструкций;
выполнить систематический анализ количественных характеристик чувствительности существующих и новых экспериментальных методов эксплуатационной температурной диагностики с целью оценки и обоснования диагностических процедур различного уровня;
- разработать алгоритмы ранней диагностики и методы
выявления прогрессирующих термических неисправностей в
текущих и тестовых режимах примененителыю к диагностическим
обследованиям турбо- и гидрогенераторов на базе автоматической
системы мониторинга или обычного эксплуатационного контроля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
определены в обобщенной форме в реально существующем диапазоне параметров конструкции методические погрешности и границы правомерного использования известных и предложенных автором приближенных методов теплового расчета стационарных и переходных тепловых режимов крупных электрических машин;
разработаны универсальные модели для расчета стационарных и нестационарных температур обмоток электрических машин с непосредственным охлаждением; предложены методы расчета нестационарных температур в машинах с замкнутыми системами охлаждения и на этой основе - алгоритмы их диагностирования в эксплуатационных и аварийных режимах;
- исследованы зависимости систематических погрешностей
температурных измерений в электрических машинах от параметров
термической связи термоприемнпка с объектом и построены
наглядные и эффективные математические модели для изучения
реакшш термопрнемника на действие удаленного источника тепла в
стационарных и динамических режимах;
- предложены модели и апгоритмы для количественной оценки
параметров термических дефектов в активных частях: локальных -
по результатам опроса точечных средств измерешш температуры и
крупноочаговых - по средней температуре электрической обмотки;
- предложены и обоснованы новые методы н средства косвенных
измерений параметров систем охлаждения электрических машин, в
том числе температурпо-дшшмические методы, обладающие
повышенной информативностью по сравнению со стационарными;
- получены нетривиальные результаты эксперимента в отношении
характеристик газового охлаждения турбогенераторов (устойчивость
системы с самовентиляцией ротора из зазора; распределение
расходов газа в роторе с подпазопым каналом; теплоотдача в
диагональных каналах ротора);
- предложен ряд новых конструкций систем охлаждения крупных
электрических машин, характеристики которых прогнозированы с
учетом анализа результатов упомянутых выше экспериментальных
исследований.
Практическая ценность работы определяется эффективностью инженерных приложений выполненных исследований: методики тепловых расчетоп, предложенные автором, обладают высокой достоверностью благодаря обобщенному анализу методических погрешностей; полученный фактический матерігал нагурных и модельных исследований систем охлаждения и его анатиз дает возможность совершенствования новых конструкций; предложенные алгоритмы диагностирования дефектов в действующих машинах обеспечивают получение объективной информации для принятия решения относительно условий работы машины; вопросы методики измерений и экстраполяции опытных результатов во всех случаях ориентированы на повышение представительности материала при надлежащей компактности опытных процедур.
Внедрение результатов диссертации выражается в применении разработанных методов расчета и исследования при проектировании и создании электроэнергетических машин на заводе "Электросила" и на других предприятиях отрасли. Отдельные методики тепловых расчетов и испытаний, содержащиеся в диссертации, приняты в состав нормативно-технической документации в качестве
отраслевых стандартов или стандартов предприятия. В прямой связи с темой диссертации находятся разработанные автором ГОСТ 25000-81 (Машины электрические вращающиеся. Методы испытаний на нагревание) и ГОСТ 12259-75 (Машины электрические. Методы определения расхода охлаждающего газа). Новые конструкции электрических машин и измерительных устройств, разработанные на уровне изобретений с участием автора, по большей части внедрены в производство на электромашиностроительных заводах. Алгоритмы выявления и анализа термических дефектов использованы при выполнешш тепловых диагностическігх испытаний турбогенераторов на Игналннской, Смоленской, Ровенской, Курской, Калининской АЭС; Лукомльской, Запорожской, Славянской, Киришской ГРЭС; Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС. Автоматизированная система контроля и диагностики турбогенераторов, в которой реализованы указанные алгоритмы, успешно работает на ТЭЦ-22 Ленэнерго в течение четырех лет.
Теоретические разделы работы использованы в практике преподавания курсов "Теплопередача в электрических машинах" и "Контроль и диагностика крупных электрических машин", поставленных для слушателей факультета усовершенствования дипломированных инженеров при ЛПИ им. Калинина, а также при руководстве дипломными работами студентов специальности "Электрические машины" ЛПИ, ЛИАП и ЛЭТИ.
Апробация основных положений диссертации была сделана на заседаниях Научно-технического совета ЛПЭО (АО) "Электросила" (1964-97); тематических конференциях и совещаниях Научно-технических советов Минэлектротехпрома и Минэнерго СССР (1966-88); научно-технической конференции по развитию электромашиностроения и электроаппаратостроения НТО ЭП (1964, Ленинград); совместных Заседаниях Научно-технических советов по сотрудничеству "Электросила" - ЧКД (1967,Прага; 1976, Ленинград) и "Электросила" - ГАНЦ (1968, 1987, Будапешт); Всесоюзных конференциях и совещаниях: "Состояние и перспективы развития средств измерения температуры контактным и бесконтактным методами" (1978, Львов), "Вопросы проектирования, исследования и производства мощных турбо- , гидрогенераторов, и крупных электрических машин" (1988, Ленинград); заседании Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Научные основы электрофизики и энергетики": "Проблемы технической диагностики и надежности электроэнергетического оборудования" (1989, Ленинград); Республиканском семинаре НТО "Техшіческая диагностика и методы расчетов магнитных и тепловых полей
гидрогенераторов" (1985, Ереван); заседаниях кафедры "Электрические машины" ЛПИ им. Калинина (1969, 1978); семинаре-совещании РАО ЕС России "Разработка и внедрение новых нетрадиционных методов контроля состояния турбо- и гидрогенераторов" (1996, Санкт-Петербург).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 монографиях, 40 научных статьях и тезисах докладов и 18 авторских свидетельствах и патентах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 154 наименований; объем диссертации - 264 страницы текста со 103 рисунками и 2 таблицами.
