Введение.

При вводе в эксплуатацию первых турбогенераторов ТГВ-300 в начале 1960-х годов на них был выявлен высокий уровень вибрации сердечников – до 200 мкм на холостом ходу с возбуждением. Причина – недостаточная изгибная жесткость сердечника и, как следствие, близость его собственной частоты к частоте электромагнитной силы тяжения полюсов ротора 100 Гц [1]. По данным [2] для снижения вибрации были внесены изменения в конструкцию – увеличена высота ярма и давление прессования, усилена связь сердечника со стяжными призмами рамы путем установки радиальных и тангенциальных встречных клиньев (рис. 1). Но, как показывает опыт эксплуатации и диагностических обследований проблема сохраняется до сих пор.

Работа с высоким уровнем вибрации (особенно при пониженной активной нагрузке) сопровождается появлением на поверхности спинки сердечника отложений продуктов фреттинг-износа и со временем может привести к ослаблению и подвижности распорных клиньев, появлению усталостных трещин в сварных швах и кольцевых ребрах жесткости рамы (рис. 2).

а) ослабление распорных клиньев

б) трещина в кольцевом ребре жесткости рамы

Рис. 2. Дефекты крепления сердечника к промежуточной раме.

Для борьбы с повышенной вибрацией, обычно идут по пути увеличения жесткости связи сердечника и рамы. В то же время единого технического решения пока не разработано. Чаще всего устанавливают дополнительные радиальные распорные клинья между рамой и активной сталью, а иногда приваривают стяжные призмы непосредственно к поверхности спинки сердечника. Вместе с тем, как показывает опыт под действием вибраций и механических нагрузок посадка дополнительных радиальных клиньев постепенно ослабевает, а сварные швы между призмами и сталью трескаются (рис. 3).

а) трещина в сварном шве между призмой и активной сталью

б) ослабление посадки дополнительных радиальных распорных клиньев между рамой и активной сталью

Рис. 3. Дефекты дополнительных креплений сердечника к раме

Таким образом, насущным и актуальным вопросом является разработка более совершенной технологии устранения повышенной вибрации статора ТГВ-300.

Для решения поставленного вопроса необходимо установить, каким образом качество и характер сопряжения сердечника с рамой, а так же жесткость крепления корпуса статора к фундаменту влияют на его динамические свойства – собственные частоты и соответствующие пространственные формы свободных колебаний. На основании полученных результатов необходимо сформировать наиболее эффективный подход к организации мероприятий по снижению вибрации.

Математическая модель.

Для аналитического описания свободных изгибных колебаний статора была разработана математическая модель, в которой сердечник, рама и корпус статора представлены в виде трех упруго связанных тонких концентрических колец, которые деформируются только в своей плоскости. Наружное кольцо упруго закреплено на неподвижном основании при помощи вертикальных и горизонтальных сосредоточенных упругих элементов. При разработке модели были учтены отдельные методические аспекты, освещенные в [3, 4].

Определение частот собственных колебаний проводилось энергетическим методом Ритца [5]. Расчеты выполнялись раздельно для симметричных и кососимметричных форм изгибных колебаний для различных значений жесткости радиальных С_v и тангенциальных С_w упругих элементов крепления сердечника к раме и жесткости фундаментного крепления С_ф корпуса при 3-х схемах реализации связи рамы и сердечника:

• посредством только радиальных упругих связей (Р-схема),
• посредством только тангенциальных упругих связей (Т-схема),
• посредством радиальных и тангенциальных упругих связей (РТ-схема).

Результаты теоретических исследований.

По данным проведенных расчетов установлено, что параметры С_v, С_w и С_ф оказывают существенное влияние на динамические свойства элементов статора.

Так, например, усиление связи сердечника и рамы с 10⁵ до 10¹⁰ Н/м не только повышает 1-ю собственную частоту системы, но так же меняет и соответствующую структуру формы колебаний. Если до усиления в основном наблюдались колебания рамы по 4-х узловой форме, то после усиления сердечник и рама колеблются как единое целое (рис. 4 а, в), а при кососимметричных колебаниях в условиях низкой жесткости фундаментных опор (С_ф=10⁹ Н/м) дополнительно возникают колебания корпуса (рис. 4 б, г). Последнее обусловлено тем, что продольная жесткость пружин подвески многократно превышает их жесткость на изгиб и в результате вибрации системы «сердечник-рама» передаются на корпус с меньшим ослаблением.

Увеличение жесткости фундаментных опор с 10⁹ до 10¹¹ Н/м приводит к росту частоты низшего резонанса корпуса (2-й собственная частота системы) приблизительно в 1,8 раза для симметричных и более, чем в 1,6 раза для кососимметричных форм колебаний, а так же искажению его основной эллипсообразной формы изгиба (рис. 4 д, е). При жесткой связи сердечника и рамы повышение жесткости фундаментных опор с 10⁹ до 10¹¹ Н/м в случае кососимметричных колебаний на 1-й собственной частоте существенно уменьшает амплитуду основной гармоники 2-х периодной деформации корпуса – приблизительно в 5÷7 раз в зависимости от схемы закрепления активной стали.

(а):Сv=Сw=105 Н/м, Сф=109 Н/м, f1c=26 Гц, f2c=80 Гц

(б):Сv=Сw=105 Н/м, Сф=109 Н/м, f1s=70 Гц, f2s=81 Гц

(в):Сv=Сw=1010 Н/м, Сф=109 Н/м f1c=133 Гц, f2c=134 Гц

(г):Сv=Сw=1010 Н/м, Сф=109 Н/м, f1s=133 Гц, f2s=178 Гц

(д):Сv=Сw=1010 Н/м, Сф=1011 Н/м, f1c=133 Гц, f2c=239 Гц

(е):Сv=Сw=1010 Н/м, Сф=1011 Н/м, f1s=135 Гц, f2s=309 Гц

Рис. 4. Симметричные (а, в, д) и кососимметричные (б, г, е) формы собственных колебаний упруго закрепленного статора на 1-й (────) и 2-й (────) собственной частоте.

Особого внимания заслуживает поведение 1-й и 2-й собственных частот – диапазоны их варьирования охватывают значение «полюсной» частоты вибраций сердечника 100 Гц, что указывает на теоретическую возможность появления резонанса (рис. 5).

(а) – симметричные колебания (Cф=109 Н/м)

(б) – кососимметричные колебания (Cф=109 Н/м)

(в) – симметричные колебания (Cф=1011 Н/м)

(г) – кососимметричные колебания (Cф=1011 Н/м)

Рис. 5. Влияние жесткости связи сердечника с рамой и жесткости фундаментного закрепления статора на его 1-ю и 2-ю собственную частоту.

Расчеты показывают, что значительное влияние на ход зависимостей 1-й и 2-й частоты от жесткости упругих связей С_v и С_w, оказывает способ закрепления сердечника. В случае варианта «Т» рост 1-й и 2-й собственных частот происходит медленнее, чем для вариантов «Р» и «РТ». Это наблюдается при симметричных и кососимметричных колебаниях для всех рассматриваемых значений жесткости фундаментных опор. Можно сказать, что радиально-тангенциальная схема обладает большей устойчивостью к возникновению резонанса на частоте 100 Гц по сравнению двумя другими.

Необходимо отметить, что при чисто радиальной и чисто тангенциальной схеме закрепления сердечника в области высоких значений С_v и С_w(порядка 10⁹Н/м и выше) , 1-я собственная частота стабилизируется на одном уровне и уже практически не реагирует на дальнейшее повышение жесткостиупругих связей, в то время как при радиально-тангенциальной схеме наблюдается явно выраженное ее нарастание. Кроме того, при жестком закреплении сердечника внутри рамы по схеме «Т» или «Р», наблюдается некоторое уменьшение низшей собственной частоты объединенной системы «сердечник-рама» по сравнению с собственной частотой свободно колеблющегося сердечника, которая по расчетам составляет приблизительно 116 Гц (особенно заметно в случае Р-схемы). То есть, если сердечник работает вблизи резонанса с частотой чуть выше 100 Гц, то стремясь повысить собственную частоту, ужесточая его связь с рамой только, например, в радиальном направлении, мы можем вызвать обратный эффект, снизив собственную частоту системы «сердечник – рама». Действительно, в этом случае рама, имея некоторую свободу тангенциальных перемещений относительно сердечника, не ужесточает его, а наоборот утяжеляет, что и приводит к данному негативному эффекту.

Наибольшая степень монолитности системы «сердечник-рама» обеспечивается, только при радиально-тангенциальной схеме их сопряжения. Результирующий момент инерции (и изгибная жесткость) такой объединенной конструкции, по мере увеличения жесткости упругих связей получается наибольшим, что и проявляется в росте 1-й собственной частоты.

Следует подчеркнуть, что используемая в настоящий момент технология усиления связи сердечника с рамой предполагает установку между поверхностью сердечника и рамой именно радиальных клиньев, что, как следует из проведенных исследований, не является наилучшим вариантом решения проблемы. Кроме того установка большого количества дополнительных радиальных клиньев между поверхностью активной стали и рамой с чрезмерным натягом может привести:

• к ослаблению штатных радиальных клиновых распорных узлов стяжных призм из-за перераспределения монтажных усилий между сердечником и рамой;
• к увеличению постоянных растягивающих механических напряжений в сечениях колец рамы и, как следствие, снижение предела их усталостной прочности.

Таким образом, для более эффективного снижения вибрации статора ужесточение связи сердечника и рамы необходимо производить, как в радиальном, так и в тангенциальном направлении.

Результаты практических исследований.

Объект исследования – турбогенератор типа ТГВ-300, введен в эксплуатацию в 1976 г. Конструктивная особенность – крепление сердечника к раме изначально усилено дополнительными радиальными распорными клиньями между рамой и поверхностью активной стали. С начала эксплуатации на генераторе отмечались признаки повышенной вибрации статора – продукты фреттинг-износа, трещины в сварных швах основных и дополнительных распорных клиньев. В 2007 г. сердечник статора был оснащен стационарной 4-х канальной системой контроля вибрации. Было установлено, что наибольший уровень вибрации с частотой 100 Гц имеет место на сердечнике со стороны «КК». На протяжении последующих 7 лет ее уровень оставался стабильно высоким и варьировался в диапазоне 73-98 мкм (в режимах с нагрузкой 280-300 МВт). По прошествии 7 лет с момента начала наблюдений, был зафиксирован систематический рост вибрации сердечника со стороны «КК», которая через пятьдесят шесть суток выросла с 92 мкм до 108 мкм, а по истечении еще двадцати трех – до 138 мкм (данные по вибрации сердечника предоставлены специалистами группы вибродиагностики цеха наладки и испытаний ГРЭС, эксплуатирующей генератор).

С целью выяснения причин роста вибрации генератор был выведен в ремонт, в ходе которого нашими специалистами было проведено комплексное обследование статора с измерением собственных частот пружин упругой подвески. По результатам обследования опасных повреждений внутренней рамы и пружин подвескивыявлено не было. Собственные частоты пружин хорошо отстроены от частот основных возмущающих сил 50 и 100 Гц и находятся в диапазоне 210-232 Гц.

Для снижения уровня вибрации статора специалистами ООО «Электросервис–НТЦГ» было предложено выполнить усиление связи сердечника и рамы в радиальном и тангенциальном направлении с помощью специально изготовленных дополнительных распорных клиньев (рис. 6), что и было реализовано в ходе ремонта.

Рис. 6. Усиление связи сердечника и рамы дополнительными распорными клиньями.

Непосредственно после пуска генератора нашими специалистами и специалистами ГРЭС было проведено совместное исследование вибрационного состояния статора, которое показало заметное улучшение вибрационного состояния сердечника и корпуса. Из основных результатов, достигнутых по итогам выполненных мероприятий, нужно отметить:

• отстройку собственной частоты системы «сердечник-рама» от резонанса на 100 Гц в сторону повышения вследствие увеличения жесткости (до ремонта максимум вибрации сердечника на холостом ходу с возбуждением наблюдался при n=3040 об/мин, а после ремонта он сместился в зону n≥3104 об/мин);
• заметное снижение максимальных уровней вибрации статора при работе под нагрузкой: на сердечнике – с 111-203 мкм до 87-154 мкм (в среднем, в 1,3 раза), а на корпусе – с 74-161 мкм до 40-112 мкм (в среднем, в 1,65 раза). Наименьшие значения вибрации получены при нагрузке 300 МВт, наибольшие – при 75 МВт.

Более подробно результаты проведенных измерений отражены в [6].

Несмотря на то, что проведенные мероприятия пока не позволили привести вибрационное состояние всего статора в полное соответствие с действующими нормами [7], полученные результаты в целом хорошо согласуются с выводами теоретических исследований и подтверждают правильность предложенного подхода к снижению вибрации сердечника. По результатам обследования генератора, выполненного через год эксплуатации, было установлено, что за указанный период повреждений сварных швов и конструктивных элементов рамы и не возникло. Дополнительные распорные клинья смещений и ослаблений не имеют. Резонансные свойства пружин подвески остались практически без изменений.

Выводы.

1. Влияние жесткости радиальных и тангенциальных связей сердечника и рамы С_v и С_w, а так же жесткости фундаментного крепления С_ф на динамические свойства статора весьма существенно. В процессе эксплуатации генератора при постепенном развитии ослабления посадки активной стали на стяжные призмы рамы возможно возникновение резонанса при совпадении 1-й и 2-й собственной частоты статора с частотой «магнитных» вибраций сердечника 100 Гц.
2. Снижение вибрации статора путем ужесточения крепления активной стали внутри рамы только по радиальной или только тангенциальной схеме, малоэффективно, т.к. собственная частота постепенно стабилизируется и становится невосприимчивой к дальнейшему повышению жесткости. Одновременно с этим происходит уменьшение собственной частоты системы «сердечник-рама» по сравнению с собственной частотой самого сердечника, что уменьшает общую отстройку от резонанса на удвоенной частоте сети 100 Гц.
3. Радиально-тангенциальная схема закрепления сердечника обладает большей устойчивостью к возникновению резонанса на частоте 100 Гц по сравнению с радиальной и тангенциальной схемами, а так же обеспечивает наиболее эффективное отстройку собственной частоты системы «сердечник-рама» от резонанса. В связи с этим усиление связи сердечника и рамы следует проводить, как в радиальном, так и в тангенциальном направлении. Эффективность такого подхода подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Литература

1. Лембриков В.М., Гаврилов Л.Г., Рабинович В.М.. Исследование и устранение повышенной вибрации мощных турбогенераторов. Сборник Теоретические и экспериментальные исследования турбо- и гидрогенераторов большой мощности. // Л.: Наука, 1968. С.196 – 202.

2. Станиславский Л.Я., Езовит Г.П., Карташевкий П.Я., Спивак Б.В., Черемисов И.Я., Чигиринский А.А. Эксплуатация и ремонт турбогенератора ТГВ-300. // К.: Технiка, 1973 г. 196 с.

3. Детинко Ф.М., Загородная Г.А., Фастовский В.М.. Прочность и колебания электрических машин. // Л.: Энергия, 1969 г. 440 с.

4. Станиславский Л.Я., Гаврилов Л.Г., Остерник Э.С. Вибрационная надежность мощных турбогенераторов. // М.: Энергия, 1975. 240 с.

5. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. // М.: Наука, 1967 г. 444 с.

6. Матюшин А.В., Сыромятников А.И., Дебринов Г.А., Перпета Т.В. Об организации вибрационного контроля сердечников и корпусов статоров турбогенераторов. Опыт снижения вибрации с частотой 100 Гц на сердечнике и корпусе статора турбогенератора ТГВ-300. // Электрические станции №9, 2016 г. с. 39-44.

 7. РД 34.45-51.300-97 Объем и нормы испытаний электрооборудования. 6-е издание. // М.: ЭНАС, 2003 г. 256 с.