Вибрация и надежность обмоток статоров турбогенераторов в стационарных режимах
Диссертация
Автор: Жимолохов, Олег Михайлович
Название: Вибрация и надежность обмоток статоров турбогенераторов в стационарных режимах
Справка: Жимолохов, Олег Михайлович. Вибрация и надежность обмоток статоров турбогенераторов в стационарных режимах : диссертация кандидата технических наук : 05.09.01 Харьков, 1984 170 c. : 61 85-5/3882
Объем: 170 стр.
Информация: Харьков, 1984
Содержание:
1 Введение
2 Методы и средства исследования вибраций обмоток статоров турбогенераторов
21 Требования к креплениям обмоток статоров мощных турбогенераторов
22 Электродинамические усилия, действующие на лобовые части обмотки статора турбогенератора, и пути их снижения
23 Расчетный анализ вибрационного состояния лобовых частей обмотки статора
24 Методы и средства измерения вибрации обмоток статоров
25 Пути совершенствования методики исследований вибрации обмоток статоров турбогенераторов
26 Выводы
3 Экспериментальные исследования вибраций обмоток статоров турбогенераторов серии ТГВ
31 Система контроля для исследования вибраций лобовых частей обмотки статора турбогенератора
32 Режимы исследований
33 Использование результатов экспериментальных исследований вибрационного состояния для повышения надежности конструкций крепления обмоток статоров турбогенераторов
34 Статистическая оценка достоверности экспериментальных данных вибрационного состояния лобовых частей обмотки статора ЮЗ
35 ВыводыХ
4 Расчетно-экспериментальный метод анализа вибраций лобовых частей обмотки статора турбогенератора III
41 Постановка задачиIII
42 Выбор независимых переменных
43 Определение независимых переменных
44 Методика расчета и ее реализация на ЕС ЭВМ
45 Расчеты вибраций лобовых частей обмоток статоров турбогенераторов серии ТГВ
46 Выводы
Введение:
Рост единичной мощности энергетических турбоагрегатов,наметившийся за два последние десятилетия - это необходимое условие обеспечения огромных темпов роста выработки электроэнергии [l J• Увеличение ущерба от аварийного останова крупного энергоблока на первый план выдвигает задачи по обеспечению высоких показателей надежности оборудования,в частности,турбогенератора.
Повышение единичной мощности турбогенератора,в основном, происходит за счет более интенсивного использования-активных материалов при форсировании охлаждения обмоток статора и ротора. Большие линейные токовые нагрузки и, как следствие, большие переменные электродинамические усилия, наличие воды как охлаждающего агента делают обмотку статора едва ли не самым уязвимым местом турбогенератора.
К числу самых распространенных повреждений обмотки статора мощного турбогенератора относятся: истирание корпусной изоляции, механические повреждения элементарных проводников и корпусной изоляции, нарушение герметичности соединения стержней по воде. Всё это,в конечном итоге,ведет к электрическому пробою обмотки статора.
Довольно распространенным является также ослабление и разрушение элементов крепления, следствием которого являются повреждения, перечисленные ранее [2,3J .
Практически все эти повреждения обусловлены повышенной вибрацией обмотки статора. На основании экспериментальных исследований мощных турбогенераторов установлено, что при недостаточной проработке конструкции системы крепления обмотки статора её виброперемещения в нормальных эксплуатационных режимах работы способны достигнуть недопустимо больших величин [4,5,6 ] .
В зарубежной и отечественной практике известно много случаев ,когда повышение вибрации обмотки статора являлись причинами возникновения крупных аварий. Так, в Англии, на турбогенераторах 500 МВт в процессе эксплуатации было выявлено неудовлетворительное вибрационное состояние обмотки, что привело к необходимости реконструкции 30 работающих турбогенераторов [7 ]. В этой связи, обеспечение допустимого уровня вибрации обмотки статора является одним из основных факторов, обеспечивающих надежную эксплуатацию турбогенераторов большой мощности.
Серьёзное внимание проблеме снижения вибраций обмоток статоров турбогенераторов уделяется во многих научных организациях страны, и в первую очередь во ВНИИЭлектромаш, НИИ ЛПЭО "Электросила", ВНИИЭ, НИИ завода "Электротяжмаш" и др.
Значительный вклад в постановку и решение задач исследования электродинамических и механических процессов в торцевой зоне турбогенераторов внесли советские ученые И.А.Глебов, Я.Б.Данилевич, Е.Я.Казовский, Л.Г.Мамиконянц, И.М.Постников, Г.Г.Счастливый,И.Д.Урусов, В.М.Фридман, Г.М.Хуторецкий, В.А.Цветков и др.
Создание надежной в механическом отношении в течение всего периода эксплуатации обмотки статора мощного турбогенератора требует большого объёма теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских проработок.
В числе основных исследований [1,2,3,8,9,10,11,12] следующие:
• теоретический анализ вибрационного и напряженного состояния' лобовых частей обмотки статора,
•' накопление и анализ результатов вибрационных исследований в процессе длительной эксплуатации мощных турбогенераторов, в том числе и на модельных установках,
• конструктивная проработка узла крепления обмотки статора с использованием новых эффективных материалов,
• разработка новых схем обмоток с целью снижения электродинамических усилий,
• оценка вибрационного состояния лобовых частей обмотки статора на основе совместного анализа расчётных и экспериментальных данных.
Важное место среди исследований по созданию надежных обмоток статоров занимают методы теоретического анализа вибрационного и напряженного состояния лобовых частей. Этой проблеме посвящены работы,выполненные отечественными учёными В.И.Иогансеном, А.А.Каримовым, Л.В.Куриловичем, А.Л.Лившицем, Э.С.Остерником, В.А.Пикуль-ским, Т.В.Харитоновой, В.А.Цветковым и др.
Рассматривая вопрос о теоретическом анализе вибрационного и напряженного состояния обмотки можно выделить два основных момента. Во-первых,теоретический анализ электродинамических воздействий, во-вторых, поведение механически сложной конструкции,какой является лобовая часть обмотки статора.
При расчёте электродинамических усилий общий подход заключается в рассмотрении полей рассеяния в торцевой зоне статора генератора.
Важные результаты по расчёту полей в зоне лобовых частей получены А.И.Вольдеком и Я.Б.Данилевичем [13,14],К.С.Демирчяном [15], И.М.Постниковым и Г.Г.Счастливым [1б],Тегопоулосом [17,18] и др.
Другой подход имеет целью лишь получение самих электродинамических усилий. Здесь лобовые части представляются системой прямолинейных отрезков,причём магнитная ицдукция для каадого из отрезков рассчитывается от токов остальных. Алгоритмы такого типа описаны в работах В.А.Цветкова [19],Харрингтона [ 20],Лоуренсона[г1], А.А.Чистякова [22] и др.,причём в работах [18,19] учитываются ферромагнитные границы в зоне лобовых частей, воздействие поля ротора, торцевое выпучивание основного магнитного потока, а также режим работы генератора.
Развитие теории расчета вибрационного и напяженного состояния лобовых частей обмотки статора имеет более чем полувековую историю. Щё в 1920 году Берманс [ 23 ] рассмотрел колебания лобовых частей обмотки,представляя лобовую часть стержня прямой многопролетной балкой с шарнирными опорами,имитирующими дистанционные распорки. Такая схема позволила,хотя и примитивно,рассмотреть деформации обмотки в зависимости от действующих на неё усилий, а также оценить влияние расстояния между распорками на собственные частоты лобовых частей.
Однако дальнейший анализ механизма колебаний лобовых частей стержней обмотки статора показал,что элементы крепления их достаточно упруги,а помимо изгиба значительную роль в деформировании стержней играет скручивание ["24 J .
Изучая вибрации "корзины" лобовых частей В.А.Цветков [25 J рассмотрел каждую лобовую дугу,как одномассовую систему с некоторой эквивалентной массой и жёсткостью,связанную в циклически замкнутую систему.
Для мощных турбогенераторов с жестким креплением лобовой части В.И.Иогансеном [2б] предложено представлять систему крепления,состоящей из трёх упругосвязанных колец.
В последнее время А.А.Карымовым и Т.В.Харитоновой[27,28,29], В.А.Цветковым и В.А.Пикульским[30,31] разработаны пространственные стержневые расчетные схемы лобовых частей на упругих опорах,учитывающие реальную геометрию лобовой дуги и опирающиеся на теорию колебаний тонких стержней. Расчётная схема такого типа имеет следующую структуру. Лобовые части обмотки статора крупных турбогенераторов представляют систему стержней,связанных между собой и с внешней опорной конструкцией. Каждая лобовая дуга состоит из двух соединенных в головке стержней,начинающихся на выходе из паза статора. Лобовая часть стержня обмотки разделяется на прямой участокпродолжение пазовой части,эвольвентный участок-эвольвенту на конической поверхности и головку.
При рассмотрении колебаний подобных систем эффективно используются матричные методы,предложенные В.А.Троицким [ 32 J и Б.А.Смольниковым [ 33 ] .
Предложенные расчетные схемы решаются двояко. В основе первого варианта лежит допущение о циклической симметрии "корзины", что позволяет свести задачу к рассмотрению отдельной лобовой части с учетом её связей. Однако,экспериментальные исследования показывают,что допущение о циклической симметрии и об идентичности условий крепления в корзине является слишком грубым.
Во втором варианте рассматривается отдельная лобовая дуга.
В методах решения задачи в пределах данной расчётной схемы имеются существенные различия.
В [27,28] использованы теория криволинейных стержней и численные методы интегрирования. В [30,31] использована модель кусочно-линейного стержня,вписанного в лобовую дугу,а так как в этом случае погрешность в описании лобовой дуги зависит от числа прямолинейных участков,разработано аналитическое описание геометрии стержня.
В такой постановке уравнения,описывающие колебания стержня, имеют аналитическое решение.
Задаче совершенствования теоретического исследования вибрационного состояния лобовых частей/ учет составной структуры стержней обмотки и непрерывно-дискретного характера её закрепления, диссипация энергии при колебаниях,влияние вибрации статора/ посвящены работы [27,34,35,36 ] . Показано,что учет диссипации энергии позволяет исследовать распределение вибросмещений вдоль лобовой дуги,а также оценить влияние близости к резонансу на вибрацию и надежность узла лобовых частей.
Предложенная В. А.Пикульским [ 37] методика расчёта позволяет моделировать кусочно-непрерывное закрепление лобовых частей,учесть инерционное воздействие вибраций сердечника статора на колебания лобовых дуг.
Однако,результаты расчетов пока не обеспечивают необходимой для инженерной практики точности. Одна из основных причин создавшегося положения заключается в недостатках надёжной информации о механических параметрах обмотки и в значительной мере в неопределённости упругих свойств конструкции крепления. Соответствующие величины являются исходными для расчётов,что в конечном итоге определяет недостаточную точность результатов.
Сложившаяся ситуация дефицита информации об исходных данных для расчёта колебаний обмотки приводит к тому,что в исследованиях вибрации преобладают экспериментальные работы.
Отработка различных вариантов крепления обмотки статора в лобовой и пазовой частях производится на натурных машинах или на модельных установках. При моделировании исследуемая часть обмотки и все элементы крепления выполняются в натуральную величину. Характерным примером могут служить работы по совершенствованию системы крепления лобовых частей крупных турбогенераторов,выполненные фирмой "Дженерал электрик" / США /. Были изготовлены и испытаны три модели статора с натурными лобовыми частями обмотки [ 12 J . Длина сердечника модели 50,8 см,остальные размеры в натуральную величину. Модель имела жидкостное охлаждение обмотки. Для испытаний модели фирме пришлось установить дополнительный источник питания и батарею конденсаторов I4I000 кВАр. Испытания проводились как при установившейся нагрузке,так и при многократных внезапных коротких замыканиях.
Для исследования конструкций крепления стержней в пазу в
ШИ ЛПЭО "Электросила" для турбогенератора типа TBB-I000-4 и в НИИ завода "Электротяжмаш" для турбогенератора типа ТГВ-300 [ 38 ] проводились испытания на специальных моделях в длительных режимах.
Высокая стоимость модельных экспериментов заставляет проводить исследования на натурных турбогенераторах,а отработку конструкций крепления проводить по результатам этих исследований.
Такие исследования проводились на турбогенераторах серии ТВВ [4,39,40,41] , ТГВ [5,6,42,43,44] и ТВМ [45 ].
В настоящее время все крупные турбогенераторы проходят вибрационный контроль на стендах предприятий-изготовителей и периодический контроль в первые годы эксплуатации. Многолетний опыт исследований позволил выделить общие для различных типов турбогенераторов особенности вибраций лобовых частей обмотки статора. Величины вибросмещений зависят от электродинамических усилий,определяемых не только током в стержне,но и другими параметрами обмотки,от инерционного возбуждения со стороны сердечника статора,колеблющегося с той же частотой,что и обмотка. Использование недостаточно жестких систем крепления на генераторах большой мощности приводит к возникновению недопустимого уровня вибраций [4,5, 39].
Проблема надежного закрепления статорной обмотки представляет одну из основных трудностей конструирования мощных турбогенераторов.
До середины 60-х годов,когда,в основном,выпускались турбогенераторы средней мощности / 200-300 МВт /,основное внимание при проектировании обращалось на прочность крепления лобовых частей обмотки статора при внезапных коротких замыканиях. При этом основным элементом крепления двухслойных статорных обмоток с компаундированной изоляцией и с конической формой лобовых частей были вязки. Повышение единичной мощности турбогенераторов и переход на термореактивную изоляцию привели к авариям и отказам в работе даже в номинальных режимах работы и привлекли внимание конструкторов и исследователей к проблеме недопустимо высоких вибраций статорных обмоток.
Обширный аналитический обзор [46] ,посвященный конструкциям крепления обмоток статоров турбогенераторов,свидетельствует о наличии в практике зарубежного электромашиностроения большого числа систем крепления. Таким образом,оптимальный подход к конструктивному решению этой проблемы ещё не найден.
Вместе с тем имеют место некоторые общие принципы в закреплении обмоток,основанные на создании новых материалов и проведенных исследованиях механизма колебаний обмоток на моделях и натурных образцах [ 47 ] .
Так, в работе Г.П.Вороновского,И.А.Глебова,Я.Б.Данилевича, А.Ш.Колтового [ 8 J показана необходимость использования во всех конструкциях крепления обмотки статора мощных турбогенераторов полупроводящего эластичного бокового уплотнителя в пазу,формообразующих материалов и самоусаживающихся бандажных шнуров в лобовых частях, рас клиновки стержней на выходе из паза.
Введение новых материалов,создание жёстких систем крепления, как показали экспериментальные исследования,позволили снизить уровень вибраций обмоток статоров мощных турбогенераторов.
Так, [39] на турбогенераторе 800 МВт при ICT = JHвибрация лобовых частей превысила 250 мкм.Снижение вибрации велось в два этапа. Вначале была повышена монолитность стержневой части путём заполнения зазоров формующимися материалами. В результате тангенциальные вибрации снизились в 4-5 раз. Уровень радиальных вибраций практически не изменился,так как с повышением статической жёсткости, собственная частота радиальных колебаний вплотную приблизилась к рабочему диапазону / 96-У8 Гц /.
На втором этапе к лобовым частям была достаточно надёжно присоединена внешняя система крепления. Эта система обладала высокой жёсткостью и была сопоставима по массе с лобовыми частями. В результате при неизменной собственной частоте радиальных колебаний / 97-98 Гц / вибрация снизилась до 45 мкм на головках. Данный путь носит эмпирический характер и основан на высоком затухании механических колебаний в материалах лобовых частей и их креплении.
Как показали исследования [б,42],применения модернизированных систем крепления на турбогенераторах типа ТГВ-200-2М и ТГВ-500 позволило снизить вибрацию лобовых частей в 5-7 раз. Уровень вибрации обмотки этих генераторов существенно зависит от геометрии стержня и монолитности лобовой части. Комплексным показателем,характеризующим закрепление обмотки,является собственная частота лобовых частей,а усиление опорных конструкций приводит к существенному росту их низшей частоты.
Большой объём расчётных и экспериментальных исследований, выполненных в последние 15 лет,всё же не позволил полностью решить задачу прогнозирования уровня вибрации лобовых частей обмотки ста-тора-одну из важнейших задач на уровне проектирования мощного турбогенератора. Это,в сущности,легко объяснить,если рассмотреть множество идеализаций в самых подробны^расчётных методиках. Необходимость идеализации расчётной схемы связана как со сложностями геометрии лобовых частей,характерами связей их между собой и опорными конструкциями,так и с особенностями технологии,используемыми материалами,недостоверностью многих исходных данных. Даже многовариантный подход [5,37] к теоретической оценке вибрационного состояния с помощью алгоритмов массовых расчётов колебаний лобовых частей даёт слишком широкий диапазон прогнозируемых величин,требуя при этом значительного обьема подготовительной и вычислительной работы.
С целью повышения надежности конструкции крепления и разработки метода,позволяющего уверенно прогнозировать вибрационное состояние лобовых частей обмотки статора мощного турбогенератора уже на стадии проектирования были поставлены следующие основные задачи исследования.
1. Создать измерительный комплекс,позволяющий получать достоверную, пространственную картину распределения вибраций,для анализа вибрационного состояния обмоток статоров различных турбогенераторов в условиях стендовых испытаний и в условиях длительной эксплуатации.
2. Провести исследования вибрационного состояния лобовых частей обмоток статоров действующих турбогенераторов в косвенных режимах и режимах нагрузки с целью определения эффективных путей проектирования и изготовления надежных конструкций крепления.
3. На основании проводимых исследований накопить банк данных по вибрации лобовых частей обмотки статора турбогенераторов серии ТГВ с различными исполнениями конструкций крепления.
4. Разработать алгоритм многомерной аппроксимации вибраций лобовых частей обмотки статора турбогенератора,определив параметры,наиболее существенно влияющие на её вибрационное состояние.
5. Провести расчетные исследования вибрационного состояния лобовых частей обмотки статора турбогенераторов серии ТГВ с определением достоверности полученных с помощью аппроксимации многомерных поверхностей вибросмещений для использования при проектировании новых электрических машин.
Настоящая работа проводилась в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой ГКНТ СССР и АН СССР 0Ц.002 "Создание новых видов оборудования для производства новых видов электрической и тепловой энергии" по заданию 09 подпрограммы 0.01. 01.Ц "провести научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по совершенствованию энергетического оборудования крупных блоков с целью улучшения их технико-экономических показателей" и в соответствии с тематическими планами НИИ завода "Электротяжмаш" по темам T0I.904I "НИР по обоснованию конструктивного исполнения перспективных турбогенераторов" и T0I.9060 "НИР иОКР по повышению надежности турбогенераторов,находящихся в эксплуатации."
Хотя основная работа проведена на турбогенераторах серии ТГВ, полученные данные имеют достаточно общий характер и могут быть распространены на другие типы машин.
Диссертация состоит из 3-х основных глав. В первой главе рассмотрены существующие методы и средства исследований вибраций обмоток статоров турбогенераторов,методы расчета электродинамических усилий,действующих на обмотку статора,предложен расчетный метод оценки вибрационного состояния лобовой дуги обмотки статора турбогенератора. Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований вибраций обмоток статоров турбогенераторов серии ТГВ. Показаны пути повышения надежности крепления обмоток в пазовой и лобовых частях турбогенераторов типа ТГВ-200-2М, ТГВ-300, ТГВ-500-2. В третьей главе изложен расчётно-экспериментальный метод прогнозирования вибраций лобовых частей обмотки статора турбогенератора на основе представления массива дискретных экспериментальных данных обобщенной функцией " П " переменных.Выполнены интерполяционные и экстраполяционные расчеты вибраций обмоток ста: тора турбогенераторов серии ТГВ. Проведено сравнение расчётных и и экспериментальных данных.
Основные положения работы отражены в статьях [б,6,36,42,43, 47,48,49,50,60,66,67,68,72,73,74,81,82]и технических отчетах[58, 61,63,65,69] .
Результаты работы используются при. модернизации существующих и проектировании новых турбогенераторов в НИИ завода "Электро-тяжмаш".
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИЙ ОБМОТОК СТАТОРОВ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ
|
