Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ эксплуатационных данных о повреждаемости стальных конструкций статоров мощных турбогенераторов .. 10
1.1. Ослабление давления прессования и разрушение зубцов крайних пакетов активной стали 10
1.2. Замыкание листов активной стали 12
1.3. Коррозионное разрушение активной стали 14
1.4. Основные типы систем подвески активной стали к корпусу статора и их повреждения 16
1.5. Электрическая эрозия стальных конструкций 25
1.6. Выводы 27
2. Анализ публикаций об электромагнитных и механических процессах в системе подвески сердечника статора работаю щего турбогенератора и методах выявления ее повреждений . 28
2.1. Электромагнитные процессы 28
2.2. Механические процессы 32
2.3. Существующие методы выявления повреждений системы подвески 37
2.4. Конкретизация задач диссертации 41
3. Исследование электромагнитных сил, действующих на стяжные призмы сердечника статора турбогенератора 42
3.1. Постановка задачи 42
3.2. Оценка магнитных потоков, ЭДС и токов в стяжных призмах сердечника статора 43
3.3. Предварительная оценка ЭМС, действующих на стяжные призмы сердечника статора 48
3.4. Векторная диаграмма турбогенератора в установившемся режиме работы 52
3.5. Методология исследования магнитных полей и ЭМС численными методами 55
3.5.1. Описание математической модели и методологии расчета с ее помощью магнитных полей 55
3.5.2. Методология определения электромагнитных сил и моментов, действующих на активные и конструктивные элементы турбогенератора 60
3.5.3 Влияние конструктивно-технологических особенностей
выполнения закрепления призмы в пазу сердечника на ЭМС 61
3.5.4. Влияние параметров режима работы на величину ЭМС,
действующих на призмы 76
3.6. Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в системе крепления сердечника статора турбогенератора путем физического моделирования на реальной машине 83
3.6.1. Соотношение между параметрами режима номинальной нагрузки и кольцевого намагничивания 83 -
3.6.2. Методика и средства измерений 88
3.6.3. Результаты экспериментального исследования электромагнитных процессов при кольцевом намагничивании 90
3.7. Выводы 91
4. Исследование вибрационных процессов в системе крепления сердечника статора турбогенератора 94
4.1. Постановка задачи 94
4.2. Частотные свойства узла подвески сердечника при различных условиях закрепления стяжной призмы 95
4.3. Вынужденные колебания узла подвески сердечника вблизи резонанса
4.3.1. Расчет амплитуды и начальной фазы колебаний сердечникастатора
4.3.2. Расчет вынужденных колебаний и оценка напряженного состояния ослабленного узла подвески 114
4.4. Выводы 129
5. Разработка методики выявления повреждений системы подвески сердечника статора турбогенератора в условиях электрических станций 132
5.1. Постановка задачи 132
5.2. Контроль состояния подвески на остановленном генераторе 133
5.3. Контроль состояния подвески на работающем генераторе 147
5.3.1. Определение диагностических признаков ослабления стяжных призм на работающем генераторе 147
5.3.2. Определение возможности надежного выявления дефектов подвески на работающем турбогенераторе 154
5.3.3. формирование диагностических параметров и критериев оценки состояния упругой подвески на работающем генераторе 163
5.4. Выводы 171
6. Заключение 174
7. Список литературы
- Основные типы систем подвески активной стали к корпусу статора и их повреждения
- Существующие методы выявления повреждений системы подвески
- Оценка магнитных потоков, ЭДС и токов в стяжных призмах сердечника статора
- Частотные свойства узла подвески сердечника при различных условиях закрепления стяжной призмы
Введение к работе
В настоящий момент в условиях старения генераторного парка тепловых электрических станций (ТЭС) актуальны задачи продления срока эксплуатации и повышения надежности длительно работающих генераторов, совершенствования ремонтного обслуживания и оптимизации затрат на модернизацию и техперевооружение ТЭС.
Один из важных путей решения этих задач - повышение эффективности диагностических обследований турбогенераторов, внедрение и развитие новых, а также совершенствование существующих методов диагностики, обеспечивающих своевременное и полное выявление дефектов (в том числе и на ранней стадии развития), а так же полноту и качество их устранения.
Надежность турбогенератора и его физический ресурс в значительной степени зависит от технического состояния сердечника статора. Одним из наиболее важных конструктивных узлов турбогенератора является система крепления сердечника к корпусу статора. Она обеспечивает сохранение необходимого уровня жесткости сердечника, виброизоляцию корпуса и фундамента от его магнитных вибраций, а так же виброизоляцию сердечника от вибраций, передаваемых от опор ротора через фундамент на корпус статора.
Как показывает опыт эксплуатации, на крупных турбогенераторах, длительное время находящихся в работе, довольно часто имеют место случаи повреждений узлов подвески сердечника в корпусе статора: механического износа сопрягаемых поверхностей активной стали и несущих элементов подвески (стяжных призм) и как следствие нарушения связи элементов системы крепления с активной сталью; появления трещин в сварных швах; отворачивания гаек и обрыва шеек стяжных призм; засорения внутренней полости генератора продуктами механического износа, что способствует снижению электрической прочности изоляции обмоток статора и ротора и возникновению витковых замыканий в роторе. Как правило, все это происходит при длительном воздействии повышенных вибраций, что обусловлено недостатками конструкции - низкой изгибной жесткостью спинки сердечника, недостаточной прочностью элементов системы подвески активной стали, резонансными колебаниями сердечника и сопрягаемых с ним конструктивных элементов.
В практике эксплуатации (особенно в последние годы) отмечались случаи, когда при плохом вибрационном состоянии статора, вибрации сердечников достигали 200-300 мкм и более, при норме 60 мкм (согласно РД 34.45-51.300-97). При этом происходили обрывы концевых частей (шеек) стяжных призм и существовала явная угроза повреждения корпусной изоляции лобовых дуг, расположенных в верхней части статора, оторванными шейками призм. Из опыта эксплуатации известно, что объем и эффективность выполняемых ремонтных работ зависят от стадии развития дефектов. Несвоевременное обнаружение дефектов и принятие мер по восстановлению виброизолирующих и несущих свойств системы подвески может приводить к серьезным повреждениям и дорогостоящему ремонту, а в отдельных случаях и аварийному останову турбогенератора. В частности, обширные повреждения систем подвески активной стали имели место на турбогенераторах ТГВ-300 Новочеркасской, Реф-
тинской и Ставропольской ГРЭС, ТГВ-200 Череповецкой и Заинской ГРЭС и турбогенераторах типа ТВВ-200-2 Беловской, Томь-Усинской и Щекинской ГРЭС. Значительные ослабления систем подвески, сопровождавшиеся растрескиванием сварных швов, отвинчиванием и подвижностью гаек стяжных призм, засорением полости генератора продуктами механического износа и появлением сильного гула в работе, отмечались и на турбогенераторах типа ТВВ-320-2.
Сегодня основным нормативно-техническим документом, регламентирующим состояние турбогенераторов, является РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования». В соответствии с требованиями указанного РД эксплуатационное состояние активных и конструктивных частей статора турбогенератора должно оцениваться по результатам осмотров при текущих и капитальных ремонтах. Однако простой осмотр подвески на предмет наличия продуктов механического износа, трещин в сварных соединениях элементов конструкции недостаточно эффективен по следующим причинам:
Проведение контроля возможно только в период останова генератора;
Отсутствуют четкие диагностические критерии, поэтому оценки, получаемые таким образом, носят субъективный характер: целиком зависят от опыта исполнителя, его практической осведомленности и наблюдательности.
3. Отсутствует возможность объективного и наглядного представления
данных, а так же отслеживания динамики развития дефекта во времени.
Определенную информацию о состоянии статора могут так же дать результаты исследования его вибрации. В РД 34.45-51.300-97 приведены нормы на вибрацию сердечников и корпусов турбогенераторов с различными конструкциями подвесок - гибкой (не более 60 мкм на сердечнике и 30 мкм на корпусе) и жесткой (не более 60 мкм на сердечнике и на корпусе). Вместе с тем, согласно требованиям того же РД, процедура измерения вибрации сердечников и корпусов не является регулярной. Она проводится при вводе в эксплуатацию головных образцов, а в процессе эксплуатации - только при обнаружении неудовлетворительного состояния стальных конструкций статора (контактная коррозия, повреждения узлов крепления сердечника и т.п), то есть уже по факту наличия дефекта.
Необходимо так же заметить, что для решения задачи выявления дефектов подвески на ранней стадии развития требований к вибрации, указанных в «Объеме и нормах испытаний электрооборудования» явно недостаточно. Существует большое количество примеров из практики виброобследований, когда на генераторах, имеющих дефекты подвески уровень вибраций корпуса на превышал установленных норм. Типичный пример - турбогенератор ТВВ-320-2 ст. №8, установленный на ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго», на котором при осмотре было обнаружено ослабление закрепления трех верхних призм по всей длине, в то время как размах вибрации корпуса не превышал 24 мкм.
В связи с этим необходимо совершенствование методологии контроля состояния системы крепления активной стали. Работа над данной проблемой требует разработки единого подхода к решению задач диагностики, применимого для генераторов различных конструкций и мощностей, который обеспечил бы возможность более полного и достоверного выявления дефектов системы кре-
7 пления уже на ранней стадии развития дефектов, а так же последующего их эффективного устранения.
При этом необходимо выполнить:
- анализ известных методов выявления дефектов системы крепления сердечников статоров турбогенераторов к корпусу в условиях ТЭС;
-теоретические и экспериментальные исследования факторов, влияющих на вибрационное и напряженное состояние системы подвески сердечника статора (кинематическое и электромагнитное возмущающие воздействия, конструктивные особенности и техническое состояние узла подвески сердечника);
-разработку мероприятий по совершенствованию технологии проведения контроля технического состояния системы крепления.
Исследованию проблем надежности и эффективности работы системы упругой подвески сердечников статоров турбогенераторов, посвящено много работ. Большой вклад в постановку и решение этих задач внесли В.М. Фридман, В.И. Иогансен, Г.А. Загородная, В.Э. Школьник, Р.Л. Геллер, A.M. Бураков, В.А. Шкапцов и другие отечественные ученые. В [1] - [15] отражены вопросы, касающиеся исследований и расчетов вибраций сердечников и корпусов статоров турбогенераторов, статических и знакопеременных механических нагрузок, действующих на элементы системы крепления, оценки ее несущих и виброизолирующих свойств. За рубежом исследованием данных вопросов занимались A.I. Penniman, H.D. Taylor [72], P. Richardson, R. Hawley [73] и другие.
В то же время, во всех указанных работах авторы, исследуя вибрационное состояние статоров, полагают, что источником вибраций является один сердечник. Его колебания имеют электромагнитную природу и вызваны действием вращающегося магнитного поля, а колебания примыкающих к нему конструктивных элементов возбуждаются кинематически. Другие механизмы возбуждения вибраций стальных конструкций не рассматриваются.
Говоря о различных возмущающих факторах, необходимо упомянуть о таком известном явлении, как вихревые токи, протекающие по конструктивным элементам статора (стяжным призмам, нажимным плитам и т.д.). Эти токи индуцируются магнитным полем, вытесняемым из спинки сердечника при насыщении активной стали, и полями рассеяния лобовых частей обмотки статора. При этом система стяжных призм и нажимных плит уподобляется «беличьей клетке» - короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного двигателя.
По данным исследований отечественных и зарубежных ученых [16-19] установлено, что эти токи достигают значительных величин - сотен и даже тысяч ампер. В зонах контакта призм с активной сталью и нажимными плитами при наличии высокого контактного сопротивления эти токи вызывают сильный нагрев, подгары и оплавления. Поэтому до настоящего момента данное явление исследовалось с целью оценки дополнительных потерь, нагревов и повреждений которые они вызывают.
В то же время, исходя из общих положений теории электродинамики, очевидно, что на стяжные призмы, в которых протекают токи, будут действовать электромагнитные силы (ЭМС). Эти силы так же могут являться причиной повышенных вибраций, ослаблений и разрушений элементов системы крепления сердечника к корпусу.
Изучению электромагнитных процессов, в том числе и в конструктивных элементах электрических машин посвящено много работ: [17, 20, 21, 27, 32, 36, 41, 42, 51, 74-76]. Значительный вклад в исследование этих проблем внесли отечественные ученые Л.Р. Нейман, А.В. Иванов-Смоленский, А.И. Вольдек, Я.Б. Данилевич, В. А. Цветков, И.М. Постников, В.В. Коган и другие. За рубежом решением вопросов по данной тематике занимались K.J. Bins, PJ. Law-renson, P. Hammond и другие ученые. При этом, однако, проблема анализа и расчета электромагнитных сил, действующих на конструктивные элементы крупных электрических машин и в частности на узлы подвески сердечника, в настоящее время остается не изученной. В связи с этим, в рамках решаемой задачи целесообразно исследовать их влияние на вибрационное и напряженное состояние стальных конструкций статоров.
Таким образом, главной целью данной работы является исследование электромагнитных и вибрационных процессов, протекающих в системе подвески статора турбогенератора, разработка методики количественного контроля технического состояния системы крепления.
Для достижения этого необходимо было решение нижеследующих задач:
Разработка математических моделей для анализа электромагнитных и вибрационных процессов в системе подвески активной стали, учитывающих режим работы турбогенератора, основные особенности конструкции сердечника, техническое состояние закрепления стяжных призм.
Выявление диагностических параметров, характеризующих эксплуатационное состояние подвески, а также области их применения.
Выработка критериев оценки степени опасности выявляемых дефектов подвески.
Разработка методики для проведения контроля состояния подвески сердечника на работающей машине и в период останова.
Экспериментальная проверка и адаптация разработанных методов контроля системы подвески сердечника к потребностям диагностического и ремонтного обслуживания турбогенераторов в условиях электрических станций.
Одной из наиболее важных частей данной работы является анализ влияния различного рода эксплуатационных и технических факторов (действующих на стяжные призмы электромагнитных сил, вибраций сердечника и качества связи призм со спинкой статора) на вибрационное и напряженное состояние узлов подвески активной стали, а так же выявление условий, при которых обеспечивается их длительная и безопасная по условиям возникновения усталостных повреждений работа системы подвески активной стали.
На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований, а так же отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и данных о повреждаемости элементов подвески, были предложены методы контроля состояния данного конструктивного узла в условиях электрических станций и разработаны критерии количественной оценки степени опасности выявляемых дефектов. Исследования проводились на генераторах типа ТВВ-320-2, которые согласно [82] составляют наибольшую по объему группу машин (около 25%) среди турбогенераторов мощностью 200 МВт и выше, на которых дефекты подвески встречаются наиболее часто.
9 В состояние вопроса, которому посвящена данная работа, внесены следующие новые положения:
Разработана двухмерная математическая модель турбогенератора, позволяющая проводить исследование электромагнитных процессов, протекающих в системе подвески в установившихся симметричных режимах работы с учетом влияния конструктивных особенностей и технического состояния узла системы крепления.
Проведено исследование влияния параметров режима работы генератора, характера закрепления стяжной призмы в пазу спинки сердечника, а так же величины технологического зазора в зоне связи ласточкина хвоста призмы со спинкой на величину и направление действия электромагнитных сил.
Выполнено исследование частотных свойств узла подвески сердечника с учетом основных особенностей его конструкции и влияния степени ослабления связи стяжной призмы со спинкой сердечника, по результатам которого выявлены условия возникновения резонанса узла подвески на основной частоте магнитных вибраций сердечника (100 Гц).
Проведен анализ вынужденных колебаний и механических напряжений в узле подвески сердечника статора, с учетом степени развития ослабления сопряжения стяжной призмы со спинкой сердечника и механизма возбуждения колебаний — кинематического (от сердечника) и электромагнитного, вызванного действием ЭМС от протекающих по стяжным призмам токов, по результатам которого:
найдено минимально допустимое значение отстройки узла подвески от резонанса, при которой обеспечивается расчетный запас по усталостной прочности и надежная длительная работа узла подвески;
сформированы диагностические признаки и количественные критерии оценки состояния системы подвески на работающей машине и в ремонтный период.
5. Разработаны и опробованы в условиях электростанций способы контро
ля технического состояния системы подвески активной стали в период остано
ва и на работающей машине.
На защиту выносятся следующие основные результаты проведенных исследований:
Научно-методические вопросы анализа электромагнитных и вибрационных процессов в системе подвески активной стали.
Оценка влияния параметров, объективно характеризующих степень ослабления узлов упругой подвески на ее эксплуатационные показатели: резонансные свойства и вибрационные характеристики статора.
Критерии оценки степени опасности выявляемых повреждений элементов подвески активной стали при решении задач диагностики ее состояния на остановленной и работающей машине и результаты контроля технического состояния подвески при проведении капитальных ремонтов и в период эксплуатации.
Рекомендации по использованию разработанных способов контроля при оценке технического состояния генераторов в ходе проведении ремонтного обслуживания и в период эксплуатации.
Основные типы систем подвески активной стали к корпусу статора и их повреждения
Система подвески сердечника статора является одним из наиболее важных и тяжело нагруженных конструктивных элементов статора. Она воспринимает на себя вес сердечника, закрепленного в корпусе статора, знакопеременные усилия от вибраций сердечника, обусловленных магнитным тяжением полюсов ротора и переменными составляющими электромагнитного момента в анормальных и переходных режимах работы турбогенератора, обеспечивает сохранение необходимого уровня жесткости сердечника, а так же виброизоляцию корпуса и фундамента от магнитных вибраций сердечника.
Вначале кратко рассмотрим основные конструкции систем подвески сердечников к корпусу, используемые в настоящее время.
Наиболее распространена конструкция подвески, применяемая в турбогенераторах серий ТВ2, ТВФ, ТВВ, ТВМ и т.д. В этих машинах связь сердечника с корпусом осуществляется через систему специальных продольных брусьев (стяжных призм), которые с внешней стороны крепятся к внутренним кольцевым ребрам жесткости (перегородкам) корпуса с помощью уголков. Связь стяжных призм с активной сталью осуществляется путем соединения типа «ласточкин хвост». Такая система отличается простотой и удобством сборки.
У данной конструкции есть ряд модификаций. Так, в турбогенераторах мощностью менее 165 МВт стяжные призмы сплошные и имеют постоянное сечение по всей длине (т.н. «жесткая» подвеска), а в более крупных машинах (165 МВт и более) в призмах фрезеруются специальные аксиальные прорези для обеспечения упругой развязки корпуса с сердечником с целью уменьшения магнитных вибраций, передаваемых от сердечника на обшивку корпуса и фундамент. Такая подвеска носит название «эластичной» (рис. 7).
Для улучшения виброизоляции корпуса и фундамента от магнитных вибраций сердечника в некоторых мощных турбогенераторах (например, ТЗВ-800) часть стяжных призм в верхней и нижней частях статора отсоединяют от корпуса. Крепление активной стали к корпусу эластичное и осуществляется через стяжные призмы, расположенные в боковых секторах статора. Это конструктивное решение позволило исключить высвобождение верхних призм и чрезмерное нагружение нижних, что обусловлено вертикальным смещением сердечника статора под действием собственного веса.
Менее распространена конструкция подвески, используемая в турбогенераторах серии ТГВ. В машинах данного типа мощностью 200 и 300 МВт крепление сердечника к корпусу статора производится при помощи системы пластинчатых тангенциальных пружин, что так же создает эффект эластичной подвески. С одной стороны эти пружины присоединяются к внутренней поверхности корпуса, а с другой к стальной раме, внутри которой находится сердечник. Связь сердечника с рамой является жесткой и осуществляется через систему приваренных к раме стяжных призм (рис. 8).
В турбогенераторах серии ТГВ мощностью 300 МВт стяжные призмы расклиниваются в ступенчатых пазах на поверхности спинки сердечника при помощи системы радиальных и тангенциальных распорных клиньев (рис. 9). Заклиновка осуществляется таким образом, что призмы с радиальной и тангенциальной фиксацией чередуются по окружности статора.
В ТГВ-500 закрепление сердечника в корпусе статора жесткое, а сам корпус упруго крепится на фундаменте с помощью четырех групп тангенциальных пружин, установленных вертикально (две группы пружин по бокам статора со стороны контактных колец и две группы со стороны турбины).
Повреждения узлов подвески активной стали возникают при длительном воздействии повышенных вибрационных нагрузок. Как правило, основной причиной этого являются недостатки конструкции - низкая изгибная жесткость спинки сердечника, недостаточная прочность элементов системы подвески активной стали, резонансные колебания сердечника и сопрягаемых с ним конструктивных элементов, недостаточная плотность сопряжения посадочных поверхностей стяжных призм и активной стали статора.
Серьезные повреждения элементов крепления активной стали статора вследствие повышенной вибрации сердечника происходили на ряде турбогенераторов серии ТГВ мощностью 200-300 МВт Рефтинской, Ставропольской, Череповецкой, Заинской ГРЭС [71]. Усталостные разрушения сварных соединений и упругих элементов стяжных призм были зафиксированы на первых выпусках турбогенераторов типа ТВВ-200-2 [49], изготовленных в период с 1960 по 1965 гг. и установленных на Беловской, Томь-Усинской и Щекинской ГРЭС. Выявленные повреждения имели усталостный характер и, следовательно, не были связаны со статическими нагрузками от веса сердечника и электромагнитного момента. Как показали исследования, это явилось следствием того, что собственные частоты упругих элементов, измеренные на остановленной машине, оказались близки к частоте магнитных вибраций сердечника и составили 1074-112 Гц, а так же недостаточной прочности упругих элементов. Здесь необходимо отметить, что до конца 60-х годов система упругой подвески турбогенераторов как правило выполнялась из Ст.З [78], а в последствии для изготовления стяжных призм стала использоваться сталь типа 17СНМД с улучшенными прочностными характеристиками [79].
Начальной стадией развития этого дефекта является ослабление прилегания стяжных призм, на которые набирается сердечник, к поверхности его спинки. Как правило, это происходит за счет осадки сердечника под действием собственного веса после его установки в горизонтальное положение, механического износа сопрягаемых поверхностей стяжных призм и поверхности спинки сердечника
Существующие методы выявления повреждений системы подвески
За последние десять-пятнадцать лет в связи с задачей перехода к ремонтам основного генерирующего оборудования по техническому состоянию, необходимостью в повышении надежности и продлении срока службы турбогенераторов, длительное время находящихся в эксплуатации, резко возросла потребность в повышении эффективности диагностического обслуживании их основных узлов и, в том числе, системы подвески активной стали. Труды различных исследователей по данному вопросу неоднократно освещались в научной литературе (главным образом, в периодической).
В работе [52] А.В. Григорьев, В.Н. Осотов и Д.А. Ямпольский рассматривают два подхода к оценке состояния статоров турбогенераторов типа ТГВ-300, один из которых производится на остановленной, а второй - на работающей машине.
Во время останова оценка монолитности сопряжения стяжных призм со спинкой статора выполняется на основе исследования резонансных частот каждой призмы в отдельности, которое проводится путем импульсного возбуждения одного конца призмы и съема вибрационного отклика с другого конца (рис. 22).
Схема измерения собственных колебаний стяжной призмы.
Путем совместной обработки входного сигнала и сигнала отклика получается передаточная функция, по которой определяются усредненные резонансные частоты каждой призмы. О качестве закрепления стяжных призм предлагается судить по величине пиков передаточной функции и значениям резонансных частот. Так, по результатам проведенных исследований авторы показывают, что при достаточной плотности сопряжения призмы и сердечника заметные резонансные пики передаточных функций присутствуют только в диапазоне частот выше 2000 Гц. Соответственно, ослабленные призмы характеризуются наличием резонансных пиков на частотах ниже 2000 Гц.
Наряду с очевидным достоинством, которое заключается в наглядности получаемых результатов, предлагаемый в [52] метод обладает и отдельными недостатками:
1. Исследуются частотные характеристики нетипичных для работающего турбогенератора продольных вибраций стяжных призм, в то время как при работе под нагрузкой возбуждаются главным образом радиальные вибрации и практический интерес представляет реакция узлов подвески именно на такой вид воздействий.
2. Метод не позволяет оценить распределение плотности прилегания стяжных призм к спинке сердечника по длине статора для разработки конкретных ремонтных мероприятий.
При работе генератора под нагрузкой задачу оценки состояния его стальных конструкций авторы работы [52] предлагают решать путем измерения и анализа параметров вибраций корпуса статора. В качестве основных диагностических параметров рассматриваются СКЗ 100-герцовой составляющей виброускорения корпуса статора (А и СКЗ высших гармоник виброускорения корпуса, кратных основной гармонике возмущающей силы магнитного тяжения (100 Гц), для диапазона частот 200 - 1000 Гц (А2-ю)- Оба указанных параметра усредняются по количеству точек съема вибросигнала.
По мнению авторов, изменение технического состояния статора непосредственно связано с изменением уровня высших гармоник виброускорения корпуса статора, кратных 100 Гц. Опираясь на накопленный опыт проводимых виброобследований, авторы выдвигают следующее предположение: вероятность того, что в системе крепления статора возникли и развиваются дефекты тем больше, чем выше значение параметра А2.ю- В статье приведены ориентировочные значения пороговых уровней для проведения дифференцированной оценки состояния стальных конструкций.
Так же в данной работе представлены результаты исследования влияния активной и реактивной нагрузки на величину диагностических параметров А і и Аг-ю- Установлено, что даже для турбогенераторов одного типа влияние параметров режима неоднозначно и строго индивидуально. В своих исследованиях авторы отмечают наличие тенденции к снижению Аі при повышении нагрузки (как активной, так и реактивной) и указывают на отсутствие явно выраженной зависимости от режима работы параметра А2.ю. На основе полученных данных авторы делают вывод: для того, чтобы учесть нестабильность контролируемых диагностических параметров при изменении режима работы генератора и эффективного решения задач вибродиагностики необходимо установить привязку результатов контроля вибрации к определенным, принятым за базовые, режимным параметрам (например, номинальные).
В работе [56] авторы предлагают компенсировать влияние режима работы на изменение 100-герцовой составляющей вибрации статора (параметр Ai) с помощью регрессионной модели, в которой учтены время эксплуатации и ток статора. В этом случае контролируемый вибрационный параметр (ВП) описывается выражением: ВП = Kpa6 + к2 -I2 + к3+е, где к] -гкз - коэффициенты регрессии, определяемые по методу наименьших квадратов, tpa6 - время эксплуатации с начала обследования, / -ток статора, е — случайная составляющая.
Как отмечают авторы, выполняемый на работающем генераторе, по мнению авторов, предназначен для предоставления предварительной информации о состоянии статора, которая имеет ориентировочный характер и нуждается в обязательном подтверждении с помощью дублирующих и уточняющих методов контроля.
В качестве основного недостатка предложенного метода эксплуатационной диагностики следует отметить следующий: значение диагностического параметра Ао-ю не имеет четкой привязки к режиму работы генератора (как в случае с другим параметром А)), поэтому его повышенное значение не обязательно должно свидетельствовать о наличии дефектов подвески.
В работе [53] А.Л. Назолин и В.И Поляков качестве диагностического параметра, характеризующего состояние подвески предлагают использовать значение спектральной плотности мощности сигнала виброускорения корпуса статора в диапазоне частот 100-1000 Гц. Данная методика базируется на результатах исследования вибрационных процессов в стальных конструкциях статора на математической модели, разработанной А.Л. Назолиным и описанной в работе [87]. Сопоставляя расчетные данные, с результатами натурных наблюдений А.В. Григорьева, В.Н. Осотова и Д.А. Ямпольского, авторы также отмечают, что ослабление узлов крепления сердечника в корпусе приводит к появлению в спектре колебаний корпуса статора ниспадающего ряда высших гармоник, кратных 100 Гц. Поэтому, как утверждается в [53] и [87], в диапазоне частот свыше 1000 Гц указанный дефект никак себя не проявляет. Состояние узла подвески расценивается как дефектное в том случае, если значение контролируемого диагностического параметра превышает предельно допустимый уровень, который, в свою очередь определяется по результатам математического моделирования.
Оценка магнитных потоков, ЭДС и токов в стяжных призмах сердечника статора
Мы не будем здесь останавливаться на вопросе определения сопротивлений элементов торцевых зон, как не имеющем прямого отношения к теме диссертации. Укажем лишь, что они могут быть оценены по конструктивным данным машины. Вопрос же определения сопротивления Znp, учитывая некоторые конструктивные особенности стяжных призм и их связи с сердечником статора, заслуживает определенного внимания.
Призмы представляют собой массивные ферромагнитные тела. Активные и реактивные сопротивления таких тел согласно [16 и 20] примерно одинаковы. Основной конструктивной особенностью стяжных призм, рассматриваемых в данной работе является наличие в них продольных прорезей. Это, в принципе, может существенно влиять на значение Z„p. Однако в работах по оценке нагрева призм индуктированными в них токами, в частности в [16], это обстоятельство не учитывалось. В настоящей работе Znp определяется с учетом существования продольных прорезей и наличия в связи с этим различных поперечных сечений на участках по длине призмы.
Другой заслуживающей внимания особенностью, способной повлиять на сопротивление призмы, является то, что их нижняя часть соприкасается с активной сталью сердечника и даже частично утоплена в нее, в то время как основная часть находится в среде с низкой магнитной проницаемостью - /и=/Ло. Это влияет на картину и количественные характеристики распределения магнитного поля в поперечном сечении призмы, а соответственно и протекающих по ней токов.
В соответствии с [20] в массивном ферромагнитном теле поперечное сечение, через которое протекает переменный ток, определяется произведением полной длины периметра поверхности тела, по которому протекает ток, на глубину проникновения магнитного поля А в данное тело, которая зависит от циклической частоты поля со, удельной электрической проводимостью материала а, магнитной проницаемость материала /л\
Из формулы (2) следует, что по высоте стяжная призма намагничивается неравномерно: в зоне ласточкина хвоста напряженность магнитного поля больше, чем на поверхности, обращенной к обшивке корпуса. Согласно [20] в очень слабых полях магнитная проницаемость растет с увеличением напряженности поля. Следовательно, наименьшее значение глубины проникновения имеет место в области ласточкина хвоста призмы, на поверхности, соприкасающейся с активной сталью, что в результате приводит к увеличению сопротивления Znp.
Вместе с тем, несмотря на интенсивное уменьшение напряженности при удалении от спинки сердечника, расчеты показали, что при реальных относительно небольших размерах призм в радиальном направлении разница между значениями напряженности на примыкающей к спинке сердечника и обращенной к обшивке корпуса поверхностях стяжной призмы относительно невелика. В частности, для турбогенератора ТВВ-320-2, работающего в номинальном режиме она составляет приблизительно 16%, а соответствующие значения глубины проникновения различаются на 7%. Учитывая это, в целях упрощения будем полагать, что глубина проникновения электромагнитного поля одинакова вблизи всех поверхностей, ограничивающих призму и определяется по формуле (6), где магнитная проницаемость материала призмы ц. определяется по эффективному значению напряженности поля на поверхности спинки статора при г = Rc. Тогда сопротивления частей призмы, имеющей прорези Z np и не имеющей таковых Z"np с учетом высказанных выше допущений будут выражены следующими формулами: Ч.-0.Л ,& (8) пр у "- пр где щ - число прорезей по длине призмы, 10 — длина прорези, П пр и П"р - периметры поперечных сечений в прорезанной и сплошной части призмы, junpn тпр- магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость материала призмы.
Добавляя к этому сопротивлению эквивалентные сопротивления параллельных ветвей элементов торцевых зон, согласно (5), найдем полное сопротивление ZK контура, отнесенное к одной призме. Разделив ЭДС, индуктируемую в призме на это сопротивление, найдем ток.
Как известно, для аналитического описания электромагнитных процессов в электрических машинах целесообразно использовать ее пространственно-временную диаграмму, в которой параметры режима (магнитные потоки, МДС, ЭДС и токи) представляются комплексными векторами, построенными в сие теме взаимно-перпендикулярных осей — вещественной (+1) и мнимой (+j). Комплексные вектора, соответствующие току или иному параметру режима имеют вид: Л = AmeJ(a+l ), где Ат — амплитудное значение параметра, со - угловая
частота его гармонического изменения, t — время, а - угол между вектором и вещественной осью в момент начала отсчета (t=0). Мгновенное значение некоторого параметра режима в замкнутом контуре цепей машины определяется проекциями соответствующих комплексных векторов на ось контура, положительное направление которой связано с положительным направлением обхода контура правилом правовинтовой системы. При этих условиях для определения мгновенного значения того или иного параметра режима в некотором замкнутом контуре необходимо найти проекции на его ось соответствующих комплексных векторов. Соответственно проекции этих векторов на произвольно выбранную вещественную ось координатной системы будут определять мгновенные значения параметров режима в контуре, плоскость которого перпендикулярна выбранной вещественной оси координат.
Соответствующая пространственно-временная диаграмма рассматриваемой нами машины представлена на рис. 23. Проекции на вещественную ось векторов параметров режима Ф„р, ЕпР и I„p будут определять их мгновенные значения в контуре, плоскость которого перпендикулярна выбранной нами вещественной оси (+1) или «оси времени». Таким контуром на рис. 23 является контур, образованный призмами №№1 и 13. Все стяжные призмы находятся в равных условиях, поэтому для определения интересующего нас максимального значения тока достаточно рассмотреть любой из контуров, образованных диаметрально-противоположными призмами. При выбранном направлении оси времени это удобно сделать для контура с призмами №1 и №13.
Частотные свойства узла подвески сердечника при различных условиях закрепления стяжной призмы
Как было показано выше, в качестве основных причин нарушения исправной работы системы крепления активной стали статора является ослабление плотности прилегания стяжных призм к спинке сердечника.
Наиболее «слабым» участком узла системы подвески сердечника является область сопряжения призмы с активной сталью, а именно: зона контакта ласточкина хвоста призмы с поверхностью трапецеидального паза, т.к. с течением времени соприкасающиеся поверхности подвергаются механическому износу. Как следствие происходит уменьшение посадочного натяга призмы в пазу и ее последующее высвобождение.
Согласно результатам исследований изложенных во 2-й главе данной диссертационной работы, при работе турбогенератора система крепления сердечника испытывает воздействие не только механических, но и электромагнитных усилий, величина которых превышает 100 Н/м.
В данной главе исследуются частотные свойства узла упругой подвески сердечника, а так же вибрационные процессы, протекающие в системе крепления при совместном воздействии колебаний сердечника и электромагнитных сил, действующих на стяжные призмы. Основными задачами являются оценка влияния электромагнитных сил на вибрационное и напряженное состояние узла подвески сердечника, и выявление условий его безопасной эксплуатации.
Для решения поставленной задачи необходимо: 1) провести исследование резонансных свойств узла подвески активной стали статора и их зависимость от качества сопряжения призм со спинкой сердечника; 2) выполнить анализ вынужденных колебаний стяжных призм, возникающих под действием электромагнитных сил и вибраций сердечника статора; 3) провести оценку знакопеременных напряжений в наиболее опасных участках узла подвески и определить предельно допустимую степень ослабления закрепления стяжной призмы.
Непосредственное исследование вибрационного состояния элементов системы подвески на работающей машине представляет собой трудоемкую задачу - необходимо вырезать в корпусе статора отверстие для вывода измерительных трасс, а для обеспечения герметичности требуется изготовление и специального газо-плотного фланца. Кроме того, как уже было замечено выше, выявить из полученного опытным путем вибросигнала составляющую, обусловленную действием электромагнитных сил невозможно. В связи с этим анализ вибрационного и напряженного состояние узла упругой подвески целесообразно провести расчетным путем на математической модели. Исследования проводятся применительно к наиболее распространенным турбогенераторам, имеющих эластичную подвеску сердечника статора с аксиальным расположением упругих элементов (серия ТВВ).
Основные допущения: рассматриваются только радиальные составляющие колебаний и электромагнитных сил; при анализе частотных свойств узла подвески сердечника учитываются только колебания по первой форме; исследование колебаний сердечника и узла его подвески проводятся без учета потерь энергии на трение (пренебрегаем демпфированием); исследуются вибрационные процессы, протекающие без соударения элементов колебательной системы; учитываем только основные (100-герцовые) составляющие перемещений, сил и напряжений; исследование собственных и вынужденных колебаний будем проводить без учета статических деформаций элементов подвески сердечника статора, вызванных усилиями прессования активной стали, тепловыми расширениями статора и т.д.
Стяжная призма представляет собой многопролетную балку переменного сечения, которая с одной стороны приваривается к кольцевым ребрам жесткости корпуса, а с другой связана со спинкой сердечника. Для обеспечения упругой развязки сердечника и корпуса статора в теле призмы выполняются сквозные прорези. Ее строение повторяется в каждом отсеке статора между несущими кольцевыми ребрами жесткости корпуса (рис. 56).
Согласно [66] такая конструкция является регулярной механической системой, для описания колебаний которой целесообразно рассмотреть лишь один пролет между соседними несущими ребрами корпуса. Поскольку исследуются свободные колебания с низшей собственной частотой, которые характеризуются симметрией прогиба упругой линии относительно середины пролета (рис. 57), то достаточно рассмотреть только половину пролета призмы, задав для обеспечения адекватности расчетной модели необходимые граничные условия в сечении на границе двух половин.
Расчетная схема узла упругой подвески представляется в виде системы стержней прямоугольного сечения с распределенной массой.
Если пренебречь продольными силами инерции, то в общем случае свободные изгибные колебания стержня с распределенными параметрами описываются дифференциальным уравнением вида:
