CC BY
159
УДК 621.314:621.391
Ю.А. Шумилов, А.В. Штогрин
УМЕНЬШЕНИЕ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ СТАТОРОВ МОЩНЫХ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ, ВЫЗВАННЫХ ВИБРАЦИЕЙ В ТОРЦЕВОЙ ЗОНЕ (АНАЛИЗ, ГИПОТЕЗЫ, ЭКСПЕРИМЕНТ)
Аналіз відмов турбогенераторів ТВВ-1000-2 засвідчив, що найбільш вразливою ланкою є статор ТГ, особливо такі елементи статора, як стяжні призми, зубці крайніх пакетів осердя статора, вивідні та з’єднувальні шини обмотки статора. Основною причиною руйнування вищеназваних елементів конструкції статора є утомні явища, викликані підвищеною вібрацією під впливом осьових змінних сил електромагнітного походження. Запобігти руйнації згаданих елементів конструкції можливо впровадженням вібромоніторингу і вібродіагностики
Анализ отказов турбогенераторов ТВВ-1000-2 показал, что наиболее уязвимым звеном является статор ТГ, такие его элементыі, как стяжные призмы, зубцыг крайних пакетов сердечника, выводные и соединительные шины обмотки статора. Основной причиной разрушения вышеназванных элементов является усталость металлов, вызванная повышенной вибрацией под влиянием осевой переменной силы электромагнитного происхождения. Предотвратить разрушения элементов конструкции возможно внедрением вибромониторинга и вибродиагностики.
В настоящее время в электроэнергетике Украины большая часть оборудования отработала либо приближаются к отработке рабочего ресурса, что вызывает его повышенную повреждаемость. К такому оборудованию относятся пять турбогенераторов ТВВ-1000-2У3 на 3000 об/мин, установленных на трёх атомных электростанциях - Южноукраинской, Хмельницкой и Ровенской.
Аналитический обзор и системный анализ отказов и дефектов статоров турбогенераторов ТВВ-1000-2У3
производства ОАО "Электросила", выявленных на пяти турбогенераторах за многие годы их эксплуатации, показал [7], что к числу наиболее повреждаемых элементов конструкции статора данных турбогенераторов относятся:
• стяжные призмы статора (рис. 1);
• зубцы крайних пакетов сердечника статора (рис. 2);
• выводные и соединительные шины лобовых частей обмотки статора (рис. 3).
2С2 1С3 2С3 1С1 2С1 1С2
Рис. 1. Усталостный излом хвостовика стяжной призмы по резьбе М64х4 турбогенератора ТВВ 1000-2У3
Рис. 2. Фрагменты разрушенных зубцов сердечника статора турбогенератора ТВВ 1000-2У
1-й ряд
2-й ряд
3-й ряд
4-й ряд
от сердечника статора
Рис. 3. Схема установки виброакселерометров Е0Л-100 и датчиков 1ПА-9. Условные обозначения: ■ - датчики. Буквенные обозначения: С - секция шины; Н - начало шины; К - конец шины; А - датчик
При анализе причин разрушения стяжных призм в основу была положена теория усталостного разрушения материалов, с помощью которой были получены расчетные результаты, позволяющие определить время эксплуатации ТГ (в виде количества циклов знакопеременной силы, изменяющейся с частотой 100 Гц) до разрушения хвостовиков стяжных призм.
В предположении 10-летнего периода эксплуатации ТГ, оценка циклически изменяющейся осевой силы, приложенной к торцевым элементам сердечника и способной вызвать разрушение стяжных призм, была выполнена на основе теории усталостного разрушения и составила 514 кН (52,41 тонны) [4, 6]. При этом 10 годам непрерывной работы ТГ соответствовало 3.1531010 циклов изменения осевой силы с частотой 100 Гц.
Параллельно было проведено математическое моделирование электромагнитных вибровозмущающих
осевых сил в сердечнике статора для разных режимов работы ТГ. Эти силы воздействуют на крайние пакеты, экран, нажимную плиту и нажимные пальцы торцевых зон сердечника статора и передаются стяжным призмам. Моделирование выполнялось с помощью методов теории электромагнитного поля с использованием двухмерной и трехмерной моделей торцевой зоны. При этом амплитуда действующей на сердечник суммарной осевой электромагнитной вибровозмущающей силы, полученная для номинального режима работы ТГ составила 541,6 кН (55,22 тонны) [4, 8].
Сравнение найденного значения электромагнитной силы в 55,22 тонны со значением силы в 52,41 тонны, рассчитанной по условиям усталостного разрушения хвостовиков стяжных призм, демонстрирует
© Ю.А. Шумилов, А.В. Штогрин
достаточно хорошее совпадение двух результатов, что свидетельствует об адекватности разработанной методики расчета вибровозмущающих сил. Некоторое расхождение величины силы, полученной в результате электромагнитных расчетов, от величиины силы, полученной методами сопротивления материалов деформации и разрушению, может быть объяснено влиянием следующих причин:
• в реальной конструкции ТГ действует сложное сочетание различных факторов, влияющих на усталостную прочность призм, которые практически не поддаются строгому анализу;
• характеристики материала стяжных призм получены на опытных образцах в лабораторных условиях, при которых невозможно учесть поведение той или иной конструктивной детали, выполненной из данного материала, в реальном сложном изделии, каким является турбогенератор;
• кроме того, выполненные оценки не учитывают изменения температуры призм и возникающих при этом термомеханических напряжений.
Несмотря на то, что полученные выше результаты носят приближенный характер, они раскрывают тенденции поведения стяжных призм под воздействием осевых знакопеременных сил в процессе длительной эксплуатации ТГ.
Исходя из результатов системного анализа отказов и дефектов статоров турбогенераторов ТВВ-1000-2У3, было также проведено моделирование процесса усталостного разрушения зубцов крайних пакетов сердечника статора [3]. Была предложена расчетная модель, позволяющая объяснить явление разрушения зубцов резонансными процессами, обусловленными вибрациями сердечника статора.
Известно, что с целью уменьшения вихревых токов и потерь в крайних пакетах сердечника статора выполняется их скос. Другими словами, ряд примыкающих к торцу сердечника пакетов выполняется с различной высотой зубцов, причем, чем ближе расположен пакет к торцу, тем меньше высота его зубца. Например, в турбогенераторе ТВВ-1000-2У3 высота зубцов статора изменяется от 222 мм (пакеты в центральной активной зоне) до 50 мм (на торце статора).
При оценке прочности зубца было учтено изменение характеристик его шихтованной (клеевой) структуры при длительном многоцикловом нагружении, так как под влиянием температуры нагрева и вибрации существенно снижаются прочность и диэлектрические свойства клеевых эпоксидных соединений.
Предположив, что вследствие разрушения клеевого слоя расслоение зубца произошло лишь в одном месте пакета, две отдельные части зубца могут резонировать самостоятельно. В экстремальном случае зубец может быть расслоен (распушен) на отдельные листы стали. Для нескольких характерных случаев расслоения зубца расчёты показали, что с уменьшением толщины отслоенной части зубца происходит снижение собственных частот его поперечных колебаний, т.е. отдельные его части могут резонировать самостоятельно. Это может вызывать резкое повышение амплитуды колебания и, как следствие, возрастание деформации и механических напряжений, что ускоряет процесс разрушения зубца.
Таким образом, предложенная гипотеза объясняет причины, приводящие к разрушению зубцов, расслоением склеенных пакетов сердечника вследствие потери склеивающих и изолирующих свойств клея при длительной эксплуатации турбогенератора и повышенной вибрацией отдельных групп листов электротехни-
ческой стали под воздействием вибровозмущающих сил разного происхождения.
Заслуживают внимания результаты экспериментальных исследований вибраций на ТГ третьего блока ЮУ АЭС с целью определения причин повреждаемости междуфазных соединительных шин обмотки статора турбогенератора (рис. 3.)
При измерении вибраций использовалась не принятая на станции характеристика вибрации - виброперемещение (измеряемая в микронах), а виброускорение, непосредственно регистрируемое вибродатчиками.
Запись вибраций происходила на протяжении примерно 14 часов на стадии запуска турбоблока после внеочередного ремонта ТГ.
Экспериментально показано, что ряд соединительных шин совершают вынужденные колебания на частотах 100, 200, 300 и других частотах, кратных 100 Гц (рис. 4, 5).
дБ 110 100 90 80 70 60
0 50 100 150 200 250 300 350 Гц
Рис. 4. Фрагмент спектрограммы вибрации соединительной шины обмотки статора ТГ ТВВ 1000-2У3 в начале набора активной мощности
дБ
0 50 100 150 200 250 300 350 Гц
Рис. 5. Спектры вибраций шин через 10 час. 30 мин от начала набора мощности ТГ (шум, в основном, в области 50 - 400 Гц)
Наиболее интенсивные колебания, кроме частоты 100 Гц, происходят на частоте 200 Гц. Было установлено, что количество шин, имеющих собственные частоты, близкие к частоте 200 Гц, весьма велико, а это означает, что эти шины статора постоянно вибрируют в условиях, близких к резонансу на частоте 200 Гц, что и обуславливает их высокую повреждаемость [2].
Поэтому существенным резервом снижения повреждаемости соединительных шин являются:
• дополнительная подпрессовка сердечника статора, а также изменение конструкции и способа крепления лобовых частей и соединительных шин обмотки статора;
• установка вибродатчиков на опорных колоннах, на нажимных фланцах и пальцах сердечника статора для фиксации нежелательной виброактивности сердечника статора;
50
• существующие технические условия на отстройку от резонансов только лишь для 100 Гц не являются достаточными. Необходимо считаться с наличием существенных уровней вибраций как на высших гармониках, так и субгармониках;
• наиболее радикальным средством явилась замена обмотки статора производства ОАО "Электросила" на обмотку статора компании "Альстом".
В условиях исчерпания эксплуатационного ресурса необходим переход от планово-
предупредительных ремонтов к ремонтам по фактической необходимости. Реализация такого перехода предъявляет качественно новое требование к системе мониторинга и диагностики: Необходимо работать на упреждение отказов, на ранней стадии выявляя источники потенциально опасных явлений;
• необходимо увеличивать количество и чувствительность датчиков; методы и разрешающая способность анализа должны становиться более адекватными.
При исчерпании эксплуатационного ресурса всё большую роль играют "внезапные" отказы, на которые традиционные системы не реагируют или реагируют слишком поздно. В действительности отказы не случайны. Их причиной могли быть ошибки проектирования, технология изготовления и монтажа, а также несоблюдение правил эксплуатации. Длительный период развития частых отказов, скрытых для грубых методов наблюдения, приводит к тому, что лавинообразное развитие дефектов на конечной стадии приводит в лучшем случае к отказу системы, а в худшем - к аварии. Поэтому внедрение автоматизированной системы вибромониторинга и вибродиагностики, предназначенных для поддержания технического состояния турбогенератора как элемента турбоагрегата атомных электростанций, является необходимой [1, 5, 7].
ВЫВОДЫ
1. Приводятся результаты системного анализа причин отказов турбогенератора ТВВ-1000-2У3 вследствие повышенной вибрации статора, вызванной осевыми электромагнитными силами.
2. Наиболее уязвимыми элементами конструкции являются стяжные призмы (хвостовики стяжных призм) и зубцы крайних пакетов сердечника статора.
3. При оценке виброактивности выводных и соединительных шин обмотки статора необходимо считаться с тем, что вынужденные колебания наблюдаются на частоте 100 Гц и частотах, кратных 100 Гц. Наиболее заметны колебания на частоте 200 Гц. Принятая в настоящее время отстройка собственных частот выводных шин от 100 Гц не является достаточной.
4. Наиболее радикальным средством снижения последствий интенсивных вибраций элементов обмотки статора явился переход на обмотку статора компании "Альстом".
5. Рекомендуется внедрить вибромониторинг и вибродиагностику в качестве эффективных средств предотвращения отказов и аварийных остановок турбоблоков АЭС Украины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шумилов Ю.А., Демидюк Б.М., Штогрин А.В. Вибродиагностика как составляющая часть мониторинга технического состояния силовых агрегатов электростанций // Праці ІЕД НАН України. - 2008. - № 1. - С. 76-80.
2. Шумилов Ю.А., Демидюк Б.М., Штогрин А.В. Результаты экспериментальных исследований вибраций турбогенератора ТВВ-1000-2У3 энергоблока № 3 ЮУ аЭс // Електротехніка і електромеханіка. - 2008. - № 5. - С. 32-36.
3. Васьковский Ю.Н., Шумилов Ю.А., Штогрин А.В. Мо-
делирование процесса усталостного разрушения зубцов крайних пакетов сердечника статора мощных турбогенераторов // Вісник НТУ "ХПІ". - 2009. - № 41. - С. 22-27.
4. Васьковский Ю.Н., Шумилов Ю.А., Штогрин А.В. Анализ вибровозмущающих осевых сил в сердечнике статора мощного турбогенератора // Електротехніка і електромеханіка. - 2009. - №2. - С. 21-26.
5. Шумилов Ю.А., Васьковский Ю.Н., Чумак В.В., Штогрин А.В. Вибродиагностика и мониторинг турбогенераторов атомных электростанций // Гидроэнергетика Украины. - 2009. - №1. С. - 28-31.
6. Шумилов Ю.А., Васьковский Ю.Н., Штогрин А.В. Вибровозмущающие осевые силы и механика разрушения элементов конструкции статора мощного турбогенератора // Материалы международной научно-технической конференции. Севастополь, 2009. - С. 77-78.
7. Шумилов Ю.А., Васьковский Ю.Н., Штогрин А.В. Системный мониторинг и диагностика турбоагрегатов на АЭС // Материалы международной научно-технической конференции. Севастополь, 2010. - С. 5-7.
8. Гайденко Ю.А., Вишневский Т.С., Штогрин О.В. 3D-моделирование для определения осевых сил, действующих на элементы торцевой зоны мощного турбогенератора // Електротехніка і електромеханіка. - 2013. - № 6. - С. 73-78.
Bibliography (transliterated): l. Shumilov Yu.A., Demidjuk B.M., Shtogrin A.V. Vibrodiagnostika kak sostavljajushhaja chast' monitoringa tehnicheskogo sostojanija silovyh agregatov jelektrostancij. Pratsi IED NAS Ukraine, 2008, no.1, pp. 76-80. 2. Results of experimental research on THUkr nuclear power station power plant № 3 turbogenerator TVV-1000-2U3 vibrations Electrical engineering & electromechanics, 2008, no.5, pp. 32-36. 3. Vas’kovsky Y.N., Shumilov Yu.A., Shtogrin A.V. Simulation of the tooths fatigue destruction process in the end packets of powerful turbogenerator stator core. Bulletin of NTU "KhPr', 2009, no.41, pp. 22-27. 4. Vas’kovsky Y.N., Shumilov Yu.A., Shtogrin A.V. Analysis of vibration-exciting axial forces in a powerful turbogenerator stator core. Electrical engineering & electromechanics, 2009, no.2, pp. 21-26. 5. Shumilov Yu.A., Vas’kovsky Y.N., Chumak V.V., Shtogrin A.V. Vibrodi-agnostika i monitoring turbogeneratorov atomnyh jelektrostancij. Gidro-jenergetika Ukrainy, 2009, no.1, pp. 28-31. б. Shumilov Yu.A., Vas’kovsky Y.N., Shtogrin A.V. Vibrovozmushhajushhie osevye sily i mehanika razrushenija jelementov konstrukcii statora moshhnogo tur-bogeneratora. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferen-cii. Sevastopol', 2009, pp. 77-78. 7. Shumilov Yu.A., Vas’kovsky Y.N., Shtogrin A.V. Sistemnyj monitoring i diagnostika turboagregatov na AES. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. Sevastopol', 2010, pp. 5-7. 8. Gaydenko Y.A., Vishnevskiy T.S., Shtogrin A.V. 3D-modeling for determination of axial forces acting in elements of the end zone of power turbogenerators. Electrical engineering & electromechanics, 2013, no.6, pp. 73-78.
Поступила (received) 10.10.2013
Шумилов Юрий Андреевич1, д.т.н., проф.,
Штогрин Александр Валерьевич2, инженер,
1 ЗАО "Укратомэнергострой",
03035, Киев, ул. Урицкого, 45, оф. 606,
тел/phone: +38 044 2460989, e-mail: yuri2007@voliacable.com
2 ОП "Хмельницкая АЭС",
30100, Хмельницкая обл., Нетешин, тел/phone: +38 098 2253293
Yu.A. Shumilov1, A.V. Shtogrin1
1 ZAT Ukratomenergobud,
45, Urytskogo Str., office 606, Kyiv, 03035, Ukraine
2 Khmelnytskyi Nuclear Power Plant Netishyn, Khmelnytskyi region, 30100, Ukraine
Decrease in the damage of powerful turbogenerator stator caused by vibration in the end zones (analysis, hypotheses, experiment).
The analysis of the turbogenerators’ І'ВВ-1000-2У3 failure has shown that the most vulnerable link in the stator is such of their elements as tightening prisms, the teeth of the end packet core, lead-out and connecting buses of the stator winding. The basic reason for the destruction of the elements mentioned is metal fatigue caused by excessive vibration under the influence of variable axial forces of electromagnetic origin. Preventing the destruction of the structural elements may be achieved by vibration monitoring and diagnostics. Key words - turbogenerator, tightening prisms, the teeth, axial forces, monitoring and diagnostics.
