книги / Надежность электрических машин

261

вышенные удельные нагрузки возникают из-за температурных деформаций. Особенно опасным является пуск агрегата после кратковременной остановки, когда подпятник, сохраняя ещё относительно высокую температуру и неравномерность распределения нагрузки от тепловой деформации, работает в начальный период пуска в условиях полусухого трения. Опыт показывает, что износ баббитовой поверхности увеличивается с ростом числа пусков агрегата и ускоряется при наличии более грубой обработки поверхности скольжениядисков пяты.

Повышенная вибрация. Надёжность работы, срок службы

имежремонтный период эксплуатации машины в значительной степени зависят от её вибрационных показателей. Повышенная вибрация свидетельствует о недостатках конструкции, дефектах изготовления и сборки машины, а также о возникновении повреждений. С другой стороны, сама вибрация является источником серьёзных повреждений и аварий.

Врезультате повышенной вибрации происходит общее расстройство режима работы машины: ослабление прессовки активной стали; разрушение сварных швов; нарушение плотности соединений; расшатывание и ослабление креплений; разрушение деталей из-за усталости материала и контактной коррозии; снижение газоплотности; ускоренный износ изоляции; появление протечек в системах водо- и маслоснабжения; повышение потерь и нагрев пошипников; расстройство работы и износ контактных колец и щёточного аппарата и т. д. Работа с повышенной вибрацией опасна не только для самой машины и её фундамента, но и для окружающих

иобслуживающих её машин, контрольно-измерительных приборов, вспомогательного оборудования и обслуживающего персонала.

Допустимые значения амплитуды вибрации по стандартам составляют: для ТГ не более 40 мкм, для СК не более 80 мкм, для ГГ не более 100–180 мкм в зависимости от скорости вращения. Регламентируется при этом только вибрация подшипников. Внезапное увеличение вибрации машины при установившемся режиме её работы почти всегда свидетельствует о повреждении,

262

поэтому принимаются срочные меры: ввод резерва, разгрузка агрегата, выяснение и, при возможности, устранение причин изменения вибрации. Это событие рассматривается как внезапный отказ, хотя повышенная вибрация в данном случае является не причиной, а следствием повреждения.

Медленное и постепенное увеличение вибрации свидетельствует об износе или прогрессирующей неисправности в машине, а при превышении допустимых значений вибрации требуется выяснение причин этого и их устранение либо вывод машины в ремонт. Такое явление квалифицируется как постепенный (параметрический) отказ, а недопустимая амплитуда вибрации служит причиной отказа.

Вибрация СМ может быть следствием явлений механического или электромагнитного характера. К механическим причинам вибраций относится плохая центровка агрегата. Первоначально правильная центровка может быть с течением времени нарушена из-за температурных перемещений или неравномерной осадки фундамента. В ТГ различие жёсткости ротора по продольной и поперечной осям может вызывать вибрации. Причиной сильной вибрации контактных колец ТГ может быть передача колебаний от вала турбины. Случается и наоборот: вибрация контактных колец возрастает при уравновешивании ротора турбины.

В ГГ возникают как поперечные, так и продольные вибрации, причём продольные вызываются чисто механическими причинами. Продольная вибрация ГГ может иметь несколько частот. Например, колебания низкой частоты (доли герца) обусловлены пульсациями водяного потока. Частота порядка нескольких герц соответствует свободным колебаниям грузонесущей крестовины, а порядка десятков герц – вибрации на сегментах подпятника. Вертикальные вибрации вызывают в элементах ротора ГГ переменные напряжения, которые накладываются на напряжения от центробежных сил и вращающего момента.

К дефектам конструкции следует отнести, например, вибрацию торцевых щитов, газоохладителей, деталей корпуса, лобовых частей обмотки статора и других деталей и узлов машины

263

в результате резонансных явлений при совпадении их собственных частот или при приближении этих частот к основным частотам возмущающих сил – 50 и 100 Гц. Кривые возмущающих сил часто имеют сложную форму, поэтому резонанс возможен не

спервой, а с одной из высших гармоник.

Квибрациям электромагнитного происхождения относятся,

например, колебания статоров ТГ, вызываемые периодической деформацией сердечника статора под действием магнитного притяжения ротора. Частота этих вибраций в отечественных ТГ состав-

ляет 100 Гц, амплитуда же в крупных машинах достигает 40– 60 мкм. При жёсткой подвеске амплитуда вибрации корпуса статора по величине близка к амплитуде колебаний сердечника. С целью уменьшения вибрации корпуса и фундамента в конструкции корпуса статора турбогенератора с большими габаритами предусматривается упругая подвеска активной стали. Её выполняют так, чтобы частоты свободных колебаний отдельных частей системы были достаточно удалены от 100 Гц, а их амплитуды находились в допустимых пределах. Вибрации данного типа возникают при витковых замыканиях обмотки ротора, а также двойных замыканиях её на землю. В последнем случае вибрация вследствие одностороннего тяжения ротора может быть особенно сильной. При витковых замыканиях вибрация возникает не только вследствие появляющейся при этом асимметрии поля ротора, но и в результате неравномерного его нагрева. В ТГ неравномерный нагрев ротора сопровождается некоторым его искривлением, что ведёт к появлению вибрации. Аналогичное явление наблюдается, например, при перекрытии части вентиляционных отверстий обмотки ротора сместившейся изоляционной прокладкой в ТГ с водородным охлаждением ротора. Возникающие вибрации вследствие эксцентриситета ротора могут иметь, в зависимости от характера эксцентриситета, различные частоты, что увеличивает возможность резонанса.

В многополюсных СМ с дробным числом пазов на полюс и фазу вибрация возникает вследствие неравномерного распределения индукции под полюсами. Причиной этого являются гармоники

264

низших порядков в кривой магнитодвижущей силы статора. Успокоительные обмотки лишь частично демпфируют эти гармоники. Частота вибрации равна двойной частоте сети, а амплитуда растёт с увеличением тока статора. Она растёт также с увеличением знаменателя дробности обмотки и с уменьшением числа пазов на полюс и фазу. Амплитуды радиальных и тангенциальных колебаний статора в гидрогенераторах достигают сотен микрон. Таков же порядок амплитуд вибрации головок лобовых частей обмотки статора. С повышением температуры вибрация статора обычно уменьшается. При этом выбираются зазоры между стыками, увеличивается плотность прессовки. В результате эквивалентный модуль упругости растёт, увеличивается жёсткость и частота собственных колебаний, амплитуда же ихстановится меньше.

12.2. Расчёт надёжности узлов синхронных машин

Расчёт надёжности стержневой обмотки. В основу ме-

тодики расчёта надёжности изоляции стержневой обмотки, предложенной ВНИИЭлектромаш [31], положен закон Вант Гоффа – Аррениуса:

среднегодовая температура изоляции, К; В – температура для микалентной изоляции, К, B = 0,99 104 К; G – коэффициент,

G =14,33 .

Коэффициент запаса электрической прочности изоляции

где U0 – пробивное напряжение изоляции стержня в исходном состоянии, В; Uном – номинальное напряжение, В.

265

Коэффициент k0′ определяет свойства изоляции стержней

непосредственно после их изготовления и может быть найден в процессе испытаний. В процессе транспортировки и укладки стержней в пазы прочность изоляции несколько снижается (рис. 27). Фактический коэффициент запаса электрической прочности

P,%

80

60

2

40

1

20

0 10 20 30 40 50 60 U,кВ

Рис. 27. Интегральные функции распределения пробивного напряжения стержней на 6 кВ: 1 – до укладки в пазы; 2 – послеукладкивпазы

Согласно работе [31] изменение электрической прочности во времени может быть выражено уравнением

где kt – значение коэффициента запаса прочности изоляции как функция времени t.

где Z1 – число пазов статора.

Изложенная методика учитывает только износовые отказы. Она имеет ориентировочный характер, но может быть использована для сравнительных расчётов. При необходимости учесть старение изоляционных материалов под действием вибрации это может быть сделано путём введения в уравнение (190) коэффициента

kt =1−c1c2t ,

где c1 – коэффициент, зависящий от амплитуды колебаний; c2 – среднее число циклов колебаний в единицу времени. Однако введение коэффициента kt затрудняет аналитическое решение задачи.

Пример 12.1. Определить надёжность обмотки с микалентной изоляцией статора турбогенератора Т2-12-2 по следующим

333 К; число пазов статора Z1 = 48 ; расчётное время эксплуата-

ции 20 лет.

Решение.

По уравнению (187) имеем

= 0,99 104 − =

lnT0 14,33 15,37 ; 333

T0 = 4 786 000 ч или 546 лет.

По уравнению (197)

и по уравнению (196)

268

20

∫ λ(t)dt = 2(1,0965 −0,0922 −1) = 0,0086 .

0

Полагая P(K ) =1, получим по уравнению (195)

Pст = e−0,0086 = 0,9914 .

Надёжность обмотки по уравнению (198)

Pобм = 0,991496 = 0,4266 .

Вероятность отказа обмотки

Qобм =1− Pобм =1−0, 4266 = 0,5734 .

Расчёт надёжности статически нагруженных деталей.

Значения механических напряжений, возникающих в материале от внешних нагрузок, и допустимые для этого материала напряжения являются случайными величинами. Они имеют те или иные отклонения от средних значений и следуют нормальному распределению.

Если s1 – механическое напряжение от внешней нагрузки, s2 – допустимое напряжение, то отказ детали наступает, когда

иначе говоря, средний коэффициент запаса прочности детали

Так как величины s1 и s2 независимы, то величина s, представляющая разность (s2 − s1 ) , также имеет нормальное распределение:

269

где σs = σ22 +σ12 ; σ1 и σ2 – средние квадратичные отклонения величин механических напряжений в детали s1 и s2 соответст-

венно.

Вероятность безотказной работы статически нагруженной детали машины

где Φ sср – нормированная функция Лапласа, определяемая

1 σs

по табл. П.6 прил.1.

В реальных условиях величины s2 и σ2 являются функциями времени, причём s2 обычно имеет тенденцию к уменьшению вследствие структурных изменений в материале, усталости, коррозии и других явлений, в то время как σ2 имеет тенденцию

к увеличению. Нагрузки часто также не остаются постоянными. Следовательно, вероятность безотказной работы становится в этих условиях функцией времени.

Пример 12.2. Определить вероятность безотказной работы бандажного кольца турбогенератора по следующим данным: напряжение на внутренней поверхности бандажа от центробежных сил и посадок при номинальной скорости равно 420 Н/мм2, при испытательной скорости – 510 Н/мм2 со средним квадратичным отклонением σ1 = 30 Н/мм2; допустимое напряжение для банда-

жа в исходном состоянии s2 =835 Н/мм2 при σ2 = 50 Н/мм2.

270

Решение.

Средний коэффициент запаса по уравнениям (199) и (200) k = 835510 =1,63 ,

Значение величины 0,5 +Φ1(5,56) отличается от единицы

только в 9-м знаке. Поэтому можно считать, что в исходном состоянии бандаж обладает абсолютной надёжностью.

Предположим теперь, что в процессе эксплуатации вследствие нагрева бандажа циркуляционными токами, коррозионного растрескивания и других причин его прочность снизилась до s2 = 650 Н/мм2, а среднее квадратичное отклонение этой величи-

ны увеличилось до σ2 =80 Н/мм2. При этих условиях средний коэффициент запаса прочности всё ещё остается больше единицы: k = 510650 =1,17 ,

однако разрушение бандажа при испытательной скорости уже становится возможным:

что согласно уравнению (203) и табл. П.6 прил.1 (при Φ1(1,64) ) соответствует вероятности безотказной работы его

P = 0,5 +0,45 = 0,95 .

При номинальной скорости вращения надёжность бандажа остаётся ещё довольно высокой:

sср = 650 −420 = 2,69 ; σs 802 +302