CC BY
62
УДК 621.313.322
В.В. Кузьмин, В. С. Шпатенко
К РАСЧЕТУ ОСЕВЫХ СИЛ В СЕРДЕЧНИКЕ СТАТОРА МОЩНОГО ДВУХПОЛЮСНОГО ТУРБОГЕНЕРАТОРА
(комментарии к статье Ю.Н. Васьковского, Ю.А. Шумилова и А.В. Штогрина "Анализ вибровозмущающих осевых сил в сердечнике статора мощного турбогенератора" (Електротехніка і електромеханіка. - 2009. - № 2))
У статті доведено, що розрахунки осьових сил в осерді статора турбогенератора за методою магнітних натягів дають результати,що суперечать даним експерименту як якісно, так і кількісно.
В статье показано, что расчеты осевых сил в сердечнике статора турбогенератора по методу магнитных натяжений дают результаты, которые противоречат данным эксперимента как качественно, так и количественно.
ВВЕДЕНИЕ
В попытке "обойти" теоретические подходы к расчету осевых сил в мощных турбогенераторах, которые изложены в [1] и не только качественно, но и количественно апробированы данными экспериментов и опытом эксплуатации, авторы допускают ряд принципиальных ошибок, сводящих на нет практическую ценность "второй гипотезы".
НЕДОСТАТКИ "АЛЬТЕРНАТИВНОГО" ПОДХОДА
1. Первые симптомы схоластики проявляются уже на стадии постановки задачи исследований - у турбогенераторов ТВВ-1000-2 шпильки никогда не обрывались (материал - Ст. 45), такие явления наблюдались на некоторых генераторах серии ТГВ мощностью 200 и 300 МВт. На большинстве генераторов всех заводов отмечался срыв контровки (и последующее отвинчивание) стяжных гаек, но всегда только в верхнем секторе. Здесь ни "старая", ни "новая" теория усталостной прочности ни при чем.
Накопленный в последние десятилетия опыт свидетельствует о том, что сердечник статора мощного двухполюсного турбогенератора - отнюдь не статический " узел, служащий для крепления обмотки и проведения магнитного потока" (Ч. Конкордия), а сложная многоэлементная конструкция активного типа, подверженная действию комплекса сил различной природы, влияние которых на работоспособность машины может быть учтено на базе накопленного арсенала классических подходов [1, 6].
2. Заключение о том, что для разрушения шпилек " суммарная амплитуда действующих на статор ТВВ-1000-2 осевых вибровозмущающих сил ... может быть оценена в 51,4 тс; оценка среднего давления (на две стороны) на поверхности крайних пакетов дает значение 51,8 кПа" ничем не обосновано.
Во-первых, на каждую "сторону" статора действует пара коллинеарных сил, т.е. четыре силы с амплитудой 2 А, равной 12,85 тс - по "новой" теории усталостной прочности, 10,68 тс - по расчету авторов якобы достаточных для инициирования ненаблюдаемого явления - обрыва хвостовиков шпилек в ТВВ-1000-2.
При этом следует отметить, что авторам известны результаты наших расчетов (по "первой гипоте-
зе"), которые дают намного большую величину этой амплитуды - около 100 тс (см. приложение). Причем последнее значение найдено на базе экспериментальных данных, о чем речь пойдет ниже.
Во-вторых, для того, чтобы получить среднее значение магнитного тяжения на поверхности концевого пакета 57,8 кПа необходимо, чтобы "среднее" же значение осевой составляющей индукции находилось на уровне 0,38 Тл (согласно (5) в приложении). Это может быть только в случае, если через оба торца (перпендикулярно поверхности крайних пакетов) в статор входит около 15 % рабочего магнитного потока (3,8 Вб), что -явный абсурд.
3. В чем же причина фиаско, которое потерпела предложенная авторами альтернативная гипотеза? Их несколько.
Во-первых, при выполнении полевых расчетов концевой зоны ТВВ-1000-2 принята неадекватная область - как по самой геометрии скоса концевых пакетов, так и в части полного отсутствия экранов. Несмотря на конструктивное разнообразие экранов (медный под или над фланцем, магнитный шунт) все они эффективно подавляют потоки рассеяния [3-5].
В приложении приведены опытные данные по распределению осевых составляющих индукции в районе крайнего листа концевого пакета турбогенератора ТГВ-200-2М, а на их базе - расчет амплитуды осевой силы по методу магнитных натяжений. Результат - 0,4 тс для ТГВ-200-2М, 0,6 тс для ТГВ-320-2П. По последней машине были проведены уникальные эксперименты по измерению 100-герцовых напряжений в шпильках. На их основе была найдена оценка той же силы 70 тс (т.е. в 100 раз больше).
Во-вторых, в дискуссиях с авторами мы неоднократно указывали на то, что метод магнитных натяжений (ММН) [2] имеет ограниченную область применения - он пригоден только для расчета сил, действующих на ферромагнетик во внешнем магнитном поле, т.е. для пассивного тела, каким сердечник статора является лишь в режиме холостого хода; во всех остальных режимах (короткое замыкание, нагрузка) он активен.
Но эксперименты четко показывают, что в режи-
ме холостого хода полей рассеяния в торцевой зоне практически нет, а осевые силы есть и вызывают такую же вибрацию, как и при коротком замыкании.
Более того:
- при испытаниях статоров турбо- и гидрогенераторов в режиме "кольцевого намагничивания" никаких полей рассеяния нет, а осевая вибрация возбуждается [6];
- в трансформаторе при любом режиме работы поток замкнут внутри магнитопровода, а осевая вибрация возникает.
Другими словами, во всех рассмотренных случаях основное действие оказывают внутренние, а не внешние силы. В попытке доказать обратное авторы идут на ряд искажений картины физических процессов. Более подробно эффективность рассматриваемых методов расчета осевых сил оценена в приложении.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Результаты экспериментального определения осевых составляющих индукции на поверхности крайнего пакета статора турбогенератора ТГВ-200-2М в нагрузочных режимах приведены в табл. 1.
Таблица 1
Осевые компоненты индукции (Вт) на поверхности первого листа концевого пакета (лист С1 по [4])
Расположение датчика Параметры поля В зоне зубца
кн а орк у посереди- не о н у
Радиус центра датчика, м 0,67 0,738 0,806
Индукция Бт, Тл - в зоне 1 0,58 0,26 0,12
- в зоне 2 0,37 0,18 0,11
- в зоне 3 0,22 0,14 0,10
В ярме сердечника
0,82
0,86
0,10
0,07
0,96
0,03
Примечание. Двумя прорезями зубец разделен на три зоны: 1 - набегающий край, 2 - середина, 3 - сбегающий край.
Закономерности изменения амплитуды индукции по радиусу хорошо описываются следующими аналитическими соотношениями
Вгт1 — 0,0189 • Я
-8,56
Вгт2 — 0,0265Я Вгтз — 0,0396Я
-6,59
-4,29
для зоны 1; для зоны 2; для зоны 3;
В2та — 0,0218Я
-7,71
ми составляющими поля)
Р2 — - • ї Д 0 • • ёБ — —— Г В? • ёБ. (5)
2 2 8 0 2 2д0 8 "
Расчет компонентов этой силы в рассматриваемом случае необходимо вести раздельно по зубцовой зоне и ярму сердечника:
- в первом случае:
Рг1 —Т-— Х5Іп2 (6° + п ■12°) 1) • Ь ■ ёЯ , (6)
2 Д0 и—0 я
- во втором:
1 П — — І єт2 2д 0 0
Вта •Я • ёЯ . (7)
В обоих случаях учитывается синусоидальная форма волны индукции в воздушном зазоре. Данные расчета осевых сил по (6) и (7) приведены в табл. 2.
Таблица 2
Компоненты осевых сил
Участок Зубцы Ярмо Всего на одну сторону
Зона 1 Зона 2 Зона 3
Сила Е2, Н 2140 1252 391 317 2x4100
Доля потоков рассеяния, которая проникает через торцы сердечника статора, определяется как:
ФС — 2 • (21 + Ф22 + Ф23 + Ф2а К —
14 / \ Яп
— 2Xєіп(6° + п • 12° ) І ()т1 • Ь1 + В2т2 X и—0 я
п Яа
X Ь2 + В2т3 • Ь3) • ёЯ + 2 • | єіп фёф | В2та • Я • ёЯ .
(8)
Вычисления по последней формуле дают значения Фс на уровне 0,075-55, что составляет около 1,5 % от рабочего потока в этом генераторе (5,07-В5,), т.е. традиционную для современных турбогенераторов величину.
"Среднее" давление на торец при этом составляет X р х 2 _ 4100 - 2
(1) (2) (3)
для ярма . (4)
Параметры геометрии торца сердечника статора: число пазов = 30, радиус расточки Я-у = 0,6375 м, радиус по дну паза Яп = 0,82 м, наружный радиус ярма Яа = 1,215 м, ширина зубца: в зонах 1 и 3 - Ь = Ь3 = 0,063Я - 0,0195; в зоне 2 - Ь2 = 0,084Я - 0,026.
Согласно формуле (9.7), приведенной в [3], верхняя граница нормальной составляющей силы осевого тяжения составляет (при пренебрежении касательны-
°ср
3,07
— 2,67 кПа .
Величина его в значительной степени определяется уровнем индукции в зазоре В5
оСр _ к - Б82. (9)
При рабочей величине В5 = 0,809 Тл значение к для ТГВ-200-2М составляет 4,08 кПа / Тл2. На этой основе можно дать следующий прогноз по величине усилий магнитного тяжения в турбогенераторах ТГВ-320-2П и ТВВ-1000-2 (табл. 3).
я
а
я
и
0
я
и
Таблица 3
Сравнение величины возмущающих осевых сил в турбогенераторах различных типов
Параметр ТГВ- 200-2М ТГВ- 320-2П ТВВ- 1000-2
Индукция в зазоре (В5), Тл 0,809 0,94 1,08
Площадь торца, (^т), м2 3,07 3,07 4,90
Среднее напряжение по ММН сср, кПа 2,67 3,60 4,76
Осевое усилие на половину торца по ММН, кН 4,1 5,5 11,7
То же по данным тензометрии [5], кН - 700 -
То же согласно расчету по [1], кН - 670 1000
Примечания:
1. Компоненты Е2 в зубцовой зоне и в ярме: - коллинеарные по ММН; - ортогональны по методу [1].
2. Генераторы ТГВ-200-2М и ТГВ-320-2П имеют одинаковую геометрию поперечного сечения активной зоны.
ВЫВОДЫ
Использование метода магнитных натяжений для расчета осевых вибровозмущающих сил в сердечниках статоров крупных турбогенераторов дает результаты, которые и количественно и качественно противоречат экспериментальным данным. Коренная причина здесь заключается в том, что эти осевые усилия возникают в результате воздействия основного, рабочего магнитного потока, а отнюдь не потока рассеяния в торцевых зонах сердечника.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Демидюк Б.М., Кузьмин В.В., Шпатенко В.С. О разработке физически содержательного подхода к анализу силовых и энергетических процессов в элементах магнитопроводов электрических машин // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського. - Випуск 3/2007 (44) Част. 1. - С. 51-55.
2. Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: "Наука", 1976.
3. Вольдек А.И., Данилевич Я.Б. и др. Электромагнитные процессы в торцевых частях электрических машин. - М., 1983.
4. Экспериментальные исследования магнитного поля, вихревых токов и нагрева в крайних пакетах статора АСТГ-200 (Бурштынская ГРЭС), ТГВ-200-2М (Приморская ГРЭС и Хабаровская ТЭЦ): Отчет о НИР (этап 0508) / Институт электродинамики АН УССР. -Киев, 1986. - 82 с.
5. Методика и результаты исследования механических напряжений в сердечниках статоров турбогенераторов ТГВ-320-2, ТГВ-325-2, ТХ129-2372, отчет ГП завод "Электротяжмаш", Харьков, 2004.
6. Кузьмин В.В., Шофул А.К., Шпатенко В.С. Вибромеханика статоров мощных синхронных генераторов при кольцевом намагничивании // Електротехніка і електромеханіка. - 2008. - № 3.
Поступила 30.01.2010
Кузьмин Виктор Владимирович, д.т.н., проф.
Украинская инженерно-педагогическая академия,
кафедра электроэнергетики
Украина, 61140, Харьков, пр. Гагарина, 92, кв. 43
тел. (057) 7379337, e-mail: [email protected]
Шпатенко Виктор Сергеевич
Национальный технический университет
"Харьковский политехнический институт"
Украина, 61140, Харьков, пр. Гагарина, 92, кв. 143 тел. (057) 7379403, e-mail: [email protected]
V.V. Kuzmin, V.S. Shpatenko
On axial forces calculation in a large two-pole turbogenerator stator core.
The article proves that calculations of axial forces in a turbogenerator stator core via a magnetic tension method give results that conflict with experimental data both qualitatively and quantitatively.
Key words - turbogenerator, stator, axial forces, calculation methods.
