В 1-й главе проводится анализ отечественных и зарубежных эксплуатационных данных о повреждаемости стальных конструкций статоров турбогенераторов.

Наиболее распространенными дефектами статора являются:

- ослабление давления прессования и разрушение зубцов крайних пакетов;

- замыкание листов сердечника и возникновение очагов локального перегрева;

- коррозионное разрушение активной стали;

- повреждения системы подвески сердечника статора в корпусе;

- электрическая эрозия стальных конструкций статора.

Перечисленные дефекты и, в частности, повреждения системы подвески сердечника могут приводить к аварийным отключениям, серьезным повреждениям и необратимому ухудшению технического состояния, требующему ремонта в заводских условиях или замене всего статора.

Рассмотрены особенности конструктивных исполнений систем подвесок сердечников статоров турбогенераторов различных типов и единичных мощностей (в том числе и анализируемый в диссертации тип упругой подвески с продольным расположением упругих элементов, наиболее широко применяемый в турбогенераторах серии ТВВ мощностью от 165 МВт и выше).

Начальной стадией развития серьезных дефектов системы подвески активной стали является ослабление прилегания стяжных призм, к поверхности спинки сердечника. 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. Развитию данного дефекта может способствовать неблагоприятное сочетание таких факторов, как повышенная вибрация сердечника, недостаточная отстройка собственных частот сердечника и элементов системы его крепления от частот возмущающих воздействий 50 и 100 Гц, а также работа генератора с ослабленным сопряжением сердечника и элементов его крепления в режимах с пониженной активной нагрузкой. Это приводит к ухудшению вибрационного состояния статора, нарушению целостности сварных соединений элементов системы крепления активной стали в корпусе статора, а в отдельных случаях к отворачиванию гаек и обрыву шеек стяжных призм, что представляет опасность и для обмотки статора.

Своевременное выявление и качественное устранение этих и других дефектов, а также оптимизация режимов работы турбогенератора с учетом технического состояния подвески сердечника статора, как правило, позволяет продлевать срок эксплуатации статора.

Во 2-й главе дан обзор литературных источников, посвященных исследованию электромагнитных и механических процессов, возникающих в системе упругой подвеске работающего турбогенератора, а так же методам ее диагностики.

Анализ литературных источников позволил сделать следующие выводы:

1. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в элементах крепления сердечников статоров турбогенераторов протекают значительные токи, способные вызвать существенные общие и локальные перегревы. Другому возможному воздействию – механическому, вызванному электромагнитными силами, которые обусловлены протеканием по системе стяжных призм этих токов до сих пор не уделялось достаточного внимания.

2. Во всех работах, посвященных исследованию механических процессов в системе упругой подвески, рассматриваются воздействия трех видов: статические нагрузки (от веса активной стали и крутящего момента); знакопеременные, вызванные вибрацией сердечника статора от переменных усилий тяжения полюсов ротора, а также знакопеременных составляющих электромагнитного момента при анормальных режимах работы и при переходных процессах; термомеханические, обусловленные различием температур, скоростей нагрева и коэффициентов теплового расширения активных и конструктивных частей статора (при переменных графиках нагрузки). Вместе с тем, остаются недостаточно изученными такие вопросы как:

влияние степени развития ослабления узлов упругой подвески на их резонансные свойства и величину механических нагрузок в узлах подвески при безударных колебаниях высвобожденных стяжных призм в пазах активной стали; исследование возможности надежной работы системы подвески при наличии ослабления связи стяжных призм со спинкой сердечника.

3. В настоящее время в отечественной практике не существует отработанной методики с четкими критериями оценки технического состояния системы подвески активной стали. Существующие способы контроля состояния подвески, основанные на использовании методов и средств вибродиагностики не вполне проработаны с точки зрения методологии проведения контроля, выбора диагностических параметров и критериев.

3-я глава диссертации посвящена разработке методов расчета, теоретическому и натурному исследованию электромагнитных процессов и сил, действующих в системе подвески сердечника статора, их зависимости от особенностей конструкции, характера сопряжения стяжных призм с поверхностью сердечника статора, режима работы турбогенератора.

Для предварительной оценки величины ЭМС, действующих на стяжные призмы, был предложен приближенный аналитический метод расчета.

Мгновенное значение ЭМС, действующей на единицу длины стяжной призмы, приближенно, можно оценить с помощью выражения:

Первое слагаемое представляет собой переменную составляющую ЭМС изменяющуюся с удвоенной частотой сети, второе – постоянную. Bc(t) и inp(t) - мгновенные значения индукции в поверхностном слое спинки статора и тока, текущего по призме, определяемые выражениями:

Вс.т и Ic.m – амплитудные значения индукции на поверхности спинки сердечника и вихревого тока призмы, - циклическая частота сетевого тока, 0 – начальная фаза временной функции магнитного поля, Zк – полное комплексное сопротивление контура растекания токов стяжных призм для работающего генератора, определяемое сопротивлениями стяжной призмы Znp, нажимной плиты Zпл, медного экрана Zэ и крайнего пакета Zп:

=arctg(Xк/Rк) фазовый сдвиг тока стяжной призмы относительно ЭДС, Епр.т амплитуда ЭДС, наводимой в стяжной призме:

электрическая угловая частота вращения поля, l – расчетная длина сердечника, фпр.т амплитуда удельного потока (на единицу длины машины в осевом направлении), вытесняемого из сердечника и приходящегося на одну сторону спинки сердечника:

Здесь: Rс – наружный радиус спинки сердечника, Rк.вну – внутренний радиус корпуса, 2р – число полюсов, Нс.m - амплитуда напряженности на поверхности спинки статора при r = Rс, = Rc /p - полюсное деление на поверхности того же радиуса.

Расчеты, выполненные для турбогенераторов типа ТВВ-165-2, ТВВ-320-2 и ТВВ-800-2, показали, что в номинальном режиме амплитуда переменной составляющей ЭМС увеличивается приблизительно пропорционально единичной мощности генератора и составляет 75, 145 и 350 Н/м соответственно. Полученные значения сил соизмеримы с величиной механического усилия, возникающего в узле упругой подвески от вибраций сердечника с удвоенной частотой сети.

Приведенные аналитические выражения не позволяют проводить подробный анализ влияния особенностей конструкции и технического состояния упругой подвески на величину ЭМС. Поэтому дальнейшие исследования проводилось путем численного моделирования с использованием пакета Maxwell 2D Field Simulator Version 7.0.09. Электромагнитное поле принималось стационарным, плоскопараллельным и описывалось уравнениями Лапласа и Пуассона для z-й (осевой) составляющей векторного магнитного потенциала А = Az:

J=Jz – осевая составляющая вектора плотности тока.

В математической модели свойства ферромагнитных сред характеризуются соответствующими кривыми намагничивания. Массивные ферромагнитные тела (призмы и корпус) рассматриваются как полые с толщиной стенок, равной эффективной глубине проникновения электромагнитного поля. Режим работы генератора определяется мгновенными значениями токов параллельных ветвей фаз обмотки статора iв.1A,B,C, током ротора If и углом поворота оси большого зубца ротора относительно МДС статора. Значения If и определялись при помощи векторной диаграммы неявнополюсной синхронной машины с учетом изменения потока рассеяния обмотки ротора при нагрузке.

Расчет полей проводился для турбогенератора типа ТВВ-320-2 методом конечных разностей в двух поперечных сечениях машины - в области, где стяжные призмы имеют прорезь, и в области, где такие прорези отсутствуют. Рассматривалось четыре варианта сопряжения хвостовой части стяжной призмы с активной сталью при различных значениях технологического зазора в зоне посадочного места ласточкина хвоста призмы:

Рис. 1. Варианты сопряжения стяжной призмы с активной сталью.

Для расчета ЭМС вначале при отсутствии токов в стяжных призмах находилось распределение магнитного поля и рассчитывались мгновенные значения ЭДС призм. Затем в соответствии с (3) рассчитывались мгновенные значения токов стяжных призм, которые вводились в математическую модель, и выполнялся повторный расчет, по окончании которого рассчитывались ЭМС, действующие на призмы.

Плотность сетки при расчете полей и сил выбиралась по условиям оптимального соотношения точности получаемых результатов и времени проведения расчета.

Число итераций ограничивалось программно, по достижении относительной точности вычислений 0,1%. Обработка полученных результатов проводилась при помощи Mathcad 2000 Professional и Microsoft Exсel.

Анализ влияния особенностей конструкции узла подвески и характера сопряжения призмы со спинкой сердечника на величину ЭМС показал нижеследующее:

1) Соотношение удельных сил, действующих в сечениях без прорези fnp и с прорезью fnp практически обратно пропорционально соотношению периметров соответствующих поперечных сечений: fnp/fnpПnp/Пnp1,4. В результате наличие прорезей в стяжной призме приводит к уменьшению действующей на нее результирующей ЭМС на 20-25%.

2) Спектральный анализ ЭМС показал, что наиболее сильно выражены гармоники кратные 100 Гц (рис. 2). Их наличие вызвано несинусоидальностью магнитного поля генератора из-за насыщения активной стали. Наибольших значений достигают постоянные составляющие и 1-е гармоники частоты 100 Гц. В зависимости от характера сопряжения амплитудные значения основных 100-герцовых гармоник ЭМС составляют от нескольких десятков до 200 Н/м, что хорошо согласуется с результатами аналитической оценки. На частотах более 200 Гц высшие гармоники выражены слабо.

Значение силы, Н/м 3) В большинстве рассмотренных вариантов закрепления стяжной призмы при увеличении технологического зазора в области ласточкина хвоста отмечается увеличение ЭМС. На рис. 3 представлены графики зависимости значений амплитуд основных гармоник радиальных (3а) и тангенциальных (3б) ЭМС от величины технологического зазора. Значения зазоров и сил, откладываемые по горизонтальной и вертикальной осям представлены в относительных единицах. В качестве базисного значения силы fnp.б принято значение амплитуды 1-й гармоники ЭМС для варианта IV (контакт по нижней грани), которая при базисном значении зазора т=0,5 мм составляет 190 Н/м. Расчеты показали, что наихудшим является вариант IV т.к. в этом случае величина ЭМС максимальна (рис. 3).

Для выбранного наихудшего варианта закрепления призмы было проведено исследование зависимости ЭМС от режима работы. При этом рассматривались только симметричные и установившиеся режимы, регламентированные инструкцией по эксплуатации и определяемые по диаграмме допустимых нагрузок. В качестве влияющих параметров рассматриваются активная мощность Р, реактивная мощность Q и напряжение статора Uс. Параметры режимов варьировались в следующих пределах: активная мощность от 0 до 300 МВт, реактивная мощность от -80 до 186 МВАр, напряжение от 19 до 20 кВ. При изменении какого-либо параметра режима, два других остаются неизменными и равны номинальным значениям.

Проведенные расчеты показали, что изменение активной мощности турбогенератора от 0 до 300 МВт слабо влияет на величину электромагнитных сил, действующих на стяжные призмы (изменение ЭМС составляет не более 5%). При изменении реактивной мощности от предельного выдаваемого значения (+186 МВАр) до предельного потребляемого значения (-80 МВАр) ЭМС меняется 13%.

Установлено, что значение ЭМС наиболее чувствительно к изменению напряжения статора: данная зависимость носит характер близкий к квадратичному - при изменении напряжения статора на 1% амплитуда ЭМС изменяется на 2%.

При экспериментальном исследовании электромагнитных процессов в системе крепления сердечника в качестве контрольного параметра рассматривается величина тока стяжной призмы. Однако в связи с трудностями непосредственного измерения этого тока на работающем генераторе был использован косвенный способ, при котором электромагнитные процессы, имеющие место в работе, примерно воссоздаются при испытаниях активной стали на потери и нагрев с индукцией, близкой к рабочей. Чтобы по величине токов призм, измеренных при кольцевом намагничивании, можно было судить об их величине в работе, были рассчитаны масштабы подобия между параметрами электромагнитных процессов в режимах кольцевого намагничивания и номинальной нагрузки. Для измерения токов стяжных призм, использовались специально изготовленные бесконтактные датчики – магнитные пояса, которые представляют собой многовитковую катушку из тонкого провода, намотанную на гибкий немагнитный сердечник.

Натурные исследования, проведенные при испытании сердечника генератора ТВВ-320-2 на потери и нагрев с индукцией 1,4 Тл, показали, что значения токов стяжных призм составляют 6070А, что весьма близко к ожидаемому значению ( А). Полученные данные подтверждают результаты теоретических исследований и свидетельствуют о корректности и практической пригодности разработанных методов анализа и расчета электромагнитных процессов и сил.

В 4-й главе проводится исследование резонансных свойств узлов подвески генераторов серии ТВВ с продольным расположением упругих элементов, их зависимости от конструкции и технического состояния, анализируются вынужденные колебания этих узлов под действием вибраций сердечника и ЭМС, приложенных к стяжным призмам.

Т.к. стяжная призма представляет собой многопролетную балку переменного сечения с продольными сквозными прорезями и ее строение повторяется в каждом отсеке статора между несущими перегородками корпуса, то рассматривается только один ее пролет между соседними перегородками. При исследовании частотных свойств узлов подвески учитываются только колебания с низшей собственной частотой, при которых кривая прогиба симметрична относительно середины пролета, поэтому достаточно рассмотреть только половину пролета призмы.

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:

Здесь: у – зависимость прогиба стержня от продольной координаты z, EJ - изгибная жесткость сечения, µ - погонная масса стержня, р - собственная частота.

В общем случае решение уравнения (10) имеет вид:

где К1-К4 – постоянные коэффициенты, S, T, U, V – функции Крылова:

При анализе свободных колебаний вначале было рассмотрено два крайних случая, когда стяжная призма полностью закреплена и когда она высвобождена по всей длине.

Расчетные схемы приведены на рис. 4. Для полностью зажатой призмы расчетная схема представляется в виде двух стержней с погонными массами µ1 и µ2, края которых при z=0 и z=l1+l2 жестко защемлены (рис. 4а). Для полностью освобожденной призмы расчетная схема имеет вид системы из трех стержней с погонными массами µ1, µ2, µ3 и сосредоточенной массы m (рис. 4б). При этом касательные к линиям прогибов 2-го стержня в точке с координатой z=l1+l2 и 3-го стержня при z=0 и z=l1+l2 должны быть параллельны горизонтальной оси. Данные условия позволяют рассматривать не весь пролет призмы, а только его половину.

В зависимости от вида расчетной схемы и задаваемых граничных условий формируется система алгебраических уравнений (в первом случае – 6, во втором – 8), на основе которой составляется частотное уравнение в форме определителя (р)=0. Корнями уравнения являются искомые значения собственных частот узла упругой подвески.

Расчет резонансных свойств подвесок турбогенераторов мощностью 165, и 320 МВт показал, что значение нижней собственной частоты узла подвески с полностью высвобожденной призмой на порядок ниже, чем в случае с закрепленной. Из трех рассмотренных типов машин подвеска генератора типа ТВВ-320-2 отличается наибольшей податливостью. Эта конструктивная особенность проявляется в том, что у машин этого типа значения нижних собственных частот стяжных призм как в зажатом, так и в ослабленном состоянии значительно ниже, чем у ТВВ-165-2 и ТВВСобственная частота уменьшается приблизительно обратно пропорционально квадрату длины прорези (см. табл. 1).

Натурные исследования, проведенные на турбогенераторах ТВВ-320-2 подтверждают результаты расчетов. На рис. 5 показаны спектры виброускорений свободных колебаний закрепленной и ослабленной призм, полученные экспериментально при ударном возбуждении. То, что в турбогенераторе ТВВ-320-2 величина 1й собственной частоты полностью освобожденной призмы лежит существенно ниже основной частоты магнитных вибраций сердечника (100 Гц) свидетельствует о возможности возникновения резонансных колебаний при некоторой промежуточной стадии ослабления стяжных призм.

Рис. 5. Спектры собственных частот плотно зажатой (а) и практически полностью ослабленной Для выявления условий появления резонанса было проведено исследование влияния длины освобожденной части призмы на ее нижнюю собственную частоту.

Расчетная схема представлена на рисунке 6. Колебания частично ослабленной призмы описываются системой из 10 уравнений.

Левые концы 1-го и 3-го стержня жестко защемлены, а правые концы 2-го и 3го стержней изгибаются таким образом, что касательные к линям их прогибов при z=l0+l1+l2 идут параллельно горизонтальной оси. Расчет нижней собственной частоты проводился при изменении длины высвобождения в пределах от 7 до 37% от общей длины призмы lnp.

На рис. 7 представлен график зависимости нижней собственной частоты освобожденного участка призмы от соотношения длины этого участка и общей длины призмы. На графике так же нанесены точки, соответствующие двум ранее рассмотренным крайним случаям закрепления – полностью зажатой и полностью освобожденной стяжной призмы. Установлено, что критическое значение длины освобожденного участка призмы, при котором наступает резонанс узла подвески на 100 Гц, составляет lсв.кр=1,53 м (26% от всей длины призмы).

Рис. 7. Зависимость нижней собственной частоты генератора ТВВ-320- Работа подвески сердечника вблизи резонанса опасна. Поэтому для оценки усталостной прочности узла подвески был проведен расчет вынужденных колебаний в околорезонансной зоне. Исследовались только безударные колебания стяжной призмы, без учета демпфирования. При этом вблизи резонанса расчетные значения вибросмещений и напряжений получаются заведомо завышенными, что идет в запас при определении запаса усталостной прочности. Установлено, что для обеспечения расчетного запаса усталостной прочности необходимо, чтобы амплитуды напряжений в теле призмы и сварном шве ее крепления к перегородке корпуса не превышали 58 и 19 МПа соответственно.

При расчете вынужденных колебаний за основу взята расчетная модель частично освобожденной призмы, приведенная на рис. 6, к которой в точке закрепления 3-го стержня (z=0) приложено кинематическое возмущающее воздействие и защемленная часть призмы повторяет колебания сердечника ус(t), а на освобожденную часть действует электромагнитная сила Fэ(t). В расчетах учитываются только основные 100-герцовые составляющие сил, перемещений и механических напряжений.

Для описания вынужденных колебания модели ослабленного узла используется система уравнений:

Здесь: C – квадратная матрица порядка 1010, определитель которой аналогичен определителю матрицы, характеризующей свободные колебания частично освобожденной призмы при р=2, B – вектор-столбец правых частей системы алгебраических уравнений, который характеризует совокупное возмущающее воздействие колебаний сердечника и электромагнитных сил; Х - вектор-столбец неизвестных коэффициентов К1-К4 в уравнениях прогибов 1,2,3 стержней.

Для оценки влияния кинематического и электромагнитного возмущающих воздействий на вибрационное и напряженное состояние ослабленного узла упругой подвески режимы кинематического и смешанного возбуждения рассматривались отдельно.

Вначале исследовался кинематический режим колебаний, создаваемых только вибрацией сердечника. Расчеты показали, что при развитии зоны высвобождения наиболее интенсивный рост напряжений отмечается в хвостовой части стяжной призмы (3-й стержень), в сечении, разделяющем закрепленную и освобожденную области (z=0). В диапазоне собственных частот от 98,5 до 101,5 Гц амплитуда механических напряжений в этом сечении превышает допустимый уровень 58 МПа, т.е.

вблизи резонанса предельно допустимый расчетный запас по усталостной прочности обеспечивается при 1,5% отстройке от 100 Гц. Расчетная амплитуда колебаний освобожденного участка призмы в зоне перемычки между прорезями в данном случае достигает 0,7 мм.

Для найденных предельных условий закрепления был проведен анализ вынужденных колебаний при смешанном механизме возмущения.

При работе генератора зазоры между гранями ласточкина хвоста ослабленной призмы и стенками паза не постоянны во времени. Исследования показывают, что при нарушении контакта призмы с активной сталью и увеличении зазора значение ЭМС убывает по закону, близкому к экспоненциальному:

где fэ.0 – величина электромагнитной силы при отсутствии зазора (=0), е – зазор, при котором электромагнитная сила уменьшается в е раз.

Поэтому, чтобы учесть изменение зазора во времени на величину ЭМС вначале определяются пространственно-временные функции прогиба освобожденного участка и зазоры в области паза под ласточкин хвост при чисто кинематическом режиме возбуждения, а затем, с учетом найденной в 3-й главе функции ЭМС при неизменном зазоре fэ.0(t), используя (17), находится временная функция ЭМС, скорректированная с учетом непостоянства зазора. Из полученной кривой выделяется основная гармоника, амплитуда которой подставляется в систему уравнений, описывающих вынужденные колебания и выполняется повторный расчет вибросмещений и напряжений.

Как показали расчеты при наличии больших зазоров (1 мм) в области ласточкина хвоста при безударных колебаниях ослабленного участка стяжной призмы влияние ЭМС на амплитуду вибрации незначительно. Это вызвано тем, что величина ЭМС с ростом зазора резко уменьшается и при зазоре более 100 мкм стремится к нулю.

То есть, наиболее значимое отрицательное воздействие электромагнитных сил проявляется на ранней стадии развития ослабления узла упругой подвески в случаях, когда при вибрациях имеет место постоянное или периодическое соприкосновение поверхностей ласточкина хвоста и стенок паза. Оно приводит к существенному увеличению знакопеременных нагрузок и интенсивности механического износа в зоне связи стяжных призм с активной сталью.

5-я глава диссертации посвящена разработке методов контроля состояния подвески активной стали в период ремонта и на работающем генераторе. Для этого необходимо установить взаимосвязь между параметрами, определяющими качество закрепления призм и показателями, характеризующими эксплуатационные характеристики или «поведение» подвески в период останова (при тестовых воздействиях) и на работающей машине.

1. Вначале был определен показатель плотности закрепления призмы. На практике неоднократно отмечалось, что исправные и ослабленные узлы подвески поразному «откликаются» на возмущающее воздействие: колебания ослабленной призмы, затухают значительно медленнее, чем закрепленной. Уменьшение амплитуды во времени принято оценивать коэффициентом затухания. Он определяется действием сил трения и его можно использовать в качестве показателя плотности закрепления стяжной призмы. На остановленной машине эксплуатационные свойства узлов подвески оцениваются по значениям их резонансных частот.

По результатам экспериментального исследования параметров свободных затухающих колебаний выполненных на генераторах типа ТВВ-320-2 было установлено, что между собственной частотой и коэффициентом затухания существует явно выраженная взаимосвязь, т.е. с увеличением плотности закрепления собственная частота узлов подвески растет (рис. 8).

Рис. 8. Схема проведения измерений (а) и зависимость нижней собственной частоты Данная зависимость отражает связь между показателем плотности сопряжения стяжных призм с активной сталью и эксплуатационной характеристикой - резонансной частотой и может быть аппроксимирована экспоненциальной кривой:

где fc.0 – теоретическое значение 1-й собственной частоты призмы при отсутствии затухания, - коэффициент при показателе степени, имеющий размерность времени. Для ТВВ-320-2 значения данных величин составляют: fc.0=56 Гц, =0,025 с.

На основе результатов теоретических и натурных исследований, а так же анализа опыта эксплуатации были сформированы количественные и визуальные критерии для оценки состояния подвески сердечника. На практике использование расчетной отстройки от резонанса в 1,5% неприемлемо, т.к. надо учитывать возможность развития дефекта во времени, а так же изменение плотности закрепления призм в работе под действием тепловых расширений и электромагнитного момента. Поэтому в качестве предельно допустимого было выбрано состояние, при котором собственная частота равна 115 Гц.

На практике возможны случаи, когда результаты оценки по частоте и по затуханию могут не совпадать. Поэтому при решении задачи диагностики целесообразно использовать оба параметра – и частоту и коэффициент затухания. Это обеспечивает их взаимное дублирование и снижает вероятность ошибки. Оценка состояния системы подвески проводится на основе сопоставления измеренных значений диагностических параметров с пороговыми уровнями, приведенными в таблице. В этом случае предпочтение отдается наихудшему варианту. Дефектным является состояние, если хотя бы один из параметров ниже предельно допустимого. Выявляемые дефекты устраняются по методике завода изготовителя.

Незначительное количество продуктов контактного износа и Удовлетворительно (неслабый дребезг при ударе значительное ослабление) Значительное количество продуктов контактного износа, про- Неудовлетворительно 4 отн. ед.), но и на динамику его изменения в процессе эксплуатации генератора. Так, если существует устойчивая тенденция к его увеличению с течением времени, то это так же свидетельствует о вероятности наличия дефектов подвески и их развитии.

В том случае, если даже общий уровень вибрации корпуса удовлетворяет требованиям РД 34.45-51.300-97, но по результатам описанного метода эксплуатационной диагностики состояние подвески классифицируется как неудовлетворительное, то рекомендуется в ближайший плановый останов блока выполнить ревизию системы подвески с проведением инструментального контроля состояния закрепления и резонансных свойств стяжных призм согласно вышеизложенной методике. Если же по результатам обследования выявляются участки стяжных призм с неудовлетворительным состоянием закрепления, то необходимо рассмотреть вопрос о ликвидации ослабления в соответствии с рекомендациями завода изготовителя.

Диссертация содержит решение поставленных задач по исследованию электромагнитных и вибрационных процессов в системе подвески сердечника турбогенератора и разработке методов контроля технического состояния и выявлению дефектов системы подвески активной стали в условиях электрических станций. Для решения поставленных задач выполнено следующее:

- выполнен анализ эксплуатационных данных о повреждаемости системы подвески сердечников статоров турбогенераторов и рассмотрены существующие на данный момент методы диагностирования состояния данного конструктивного узла;

- проведен цикл расчетно-экспериментальных исследований по изучению электромагнитных и вибрационных процессов, протекающих в узлах упругой подвески активной стали статора с учетом конструктивных особенностей, технического состояния и режимов работы турбогенератора;

- экспериментально-теоретическим путем определены диагностические параметры, характеризующие техническое состояние системы подвески сердечника статора в режиме работы под нагрузкой и в процессе выполнения ремонтного обслуживания;

- разработаны критерии оценки технического состояния упругой подвески сердечника статора, позволяющие своевременно выявлять дефекты и планировать мероприятия по их устранению.

На основании проведенных исследований и разработок были сделаны нижеследующие основные выводы и предложения:

1) При работе турбогенератора на элементы упругой подвески сердечника статора действуют значительные (более 100 Н/м) электромагнитные силы (ЭМС), вызванные протеканием по стяжным призмам вихревых токов. Установлено, что величина ЭМС приблизительно пропорциональна единичной мощности турбогенератора и достигает 350 Н/м в номинальном режиме работы турбогенератора мощностью 800 МВт. В целом воздействие ЭМС на стяжные призмы соизмеримо с механическим воздействием, обусловленным вибрациями сердечника статора, но в турбогенераторах с высокой единичной мощностью ЭМС могут оказывать преобладающее воздействие.

В пределах диаграммы допустимых нагрузок величина ЭМС меняется незначительно. Наиболее существенное влияние на изменение величины ЭМС оказывает изменение напряжения статора. Данная зависимость имеет характер, близкий к квадратичному.

2) Теоретический анализ свободных колебаний элементов упругой подвески различных турбогенераторов серии ТВВ, показал, что при отсутствии ослаблений стяжных призм 1-я собственная частота узла подвески лежит существенно выше основных 100-герцовых составляющих спектра возмущающих сил, а возникающие в ней под действием вибраций сердечника и ЭМС механические напряжения и нагрузки на элементы ее крепления к корпусу много ниже допустимых значений.

При ослаблении стяжной призмы 1-я собственная частота резко снижается и при длине высвобождения около 1,5 м в турбогенераторах мощностью 320 МВт и выше возникает опасность развития резонансных колебаний на частоте магнитных вибраций сердечника. При резонансных колебаниях механические напряжения в теле освобожденного участка призмы близки к предельно допустимым значениям и зависят главным образом от кинематической составляющей возбуждения. Это обусловлено тем, что при зазорах между призмой и активной сталью свыше 100 мкм влияние ЭМС на вибрационное и напряженное состояние ослабленных узлов упругой подвески существенно ослабевает. Это означает, что электромагнитные силы не могут стать непосредственной причиной разрушения призмы и в основном способствуют ускорению износа соприкасающихся поверхностей призмы и активной стали.

3) Для оценки состояния системы подвески активной стали разработано два метода диагностики: основной - в период останова и дополнительный - на работающем генераторе; определены соответствующие диагностические параметры и критерии оценки опасности выявляемых дефектов.

В период останова техническое состояние системы подвески активной стали характеризуется параметрами свободных затухающих колебаний при импульсном возбуждении: коэффициентом затухания амплитуды сигнала виброускорения и нижней собственной частотой fc, измеряемых на стяжных призмах в пределах каждого пролета между несущими перегородками корпуса статора. При работе генератора техническое состояние подвески оценивается по соотношению величин СКЗ сигнала виброускорения корпуса статора в полосе частот 100-1000 Гц и эффективного значения основной гармонической составляющей двойной оборотной частоты.

Разработанные методы диагностики системы подвески активной стали прошли экспериментальную проверку и адаптацию к потребностям диагностического и ремонтного обслуживания турбогенераторов в условиях электрических станций и могут быть использованы при решении следующих практических задач:

- количественной оценки технического состояния системы подвески сердечника, выдачи рекомендаций по оптимизации ремонтного обслуживания и дальнейшей эксплуатации;

- выявления дефектов подвески сердечника и отслеживания динамики их развития в процессе эксплуатации турбогенератора;

- разработки рекомендаций по срокам проведения и объему ремонтных мероприятий, а при необходимости - по режимам работы и условиям эксплуатации генератора;

- оценки эффективности проводимых ремонтных мероприятий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Д.В. Кузнецов. Вибрационный контроль технического состояния сердечников статоров турбогенераторов. Москва, Издательство НЦ ЭНАС, 2003 г.

2. Д.В. Кузнецов, В.В. Маслов, В.А. Пикульский, В.И. Поляков, Ф.А. Поляков, А.Н.

Худяков, М.И. Шандыбин. Дефекты турбогенераторов и методы их диагностики на начальной стадии появления. Электрические станции, №8, 2004 г.

3. Д.В. Кузнецов. Исследование электромагнитных сил, действующих на стяжные призмы сердечника статора турбогенератора. Электричество, №10, 2006 г.

4. Д.В. Кузнецов, М.И. Шандыбин. Применение методов виброконтроля для оценки состояния упругой подвески сердечника статора в период ремонта и эксплуатации.

Электрические станции, №10, 2007 г.

Филиал ОАО «НТЦ электроэнергетики» - «ВНИИЭ»

Рег. №8 09.02.2009 г. Тираж 80 экз.