Стартовая >> Архив >> Аварии и неисправности в судовых электроустановках

Повреждения генераторов ГЭУ - Аварии и неисправности в судовых электроустановках

Оглавление
Аварии и неисправности в судовых электроустановках
Недостатки схем главного тока ГЭУ
Аварийные случаи в ГЭУ из-за недостатков их систем возбуждения и резких колебаний нагрузки
Аварийные случаи в ГЭУ при качке судна
Неблагоприятные режимы работы в ГЭУ переменного тока
Аварии ГЭУ при ходе судна на свободной воде
Авария в системе главной электроустановки землесоса Черное море
Настройка систем регулирования и аварийность ГЭУ
Аварийные ситуации из-за неудовлетворительной настройки систем возбуждения
Несовершенство систем защиты и сигнализации и аварийные происшествия
Несовершенство схем, применяемых для испытаний электроустановок
Качество изоляции электрических машин
Качество изоляции и затраты на обеспечение безаварийности ГЭУ
Повреждения генераторов ГЭУ
Повреждения гребных электродвигателей
Повреждения в конструкциях токосъемных узлов электрических машин
Аварийные ситуации в ГЭУ из-за неудовлетворительной коммутации электрических машин
Вентиляция судовых электрических машин
Повреждения судового электрооборудования при попадании морской воды
Возгорания судового электрооборудования
Зависимость рабочих характеристик первичных двигателей от условий эксплуатации
Изодромный астатический регулятор дизеля
Аварийность из-за неудовлетворительной настройки первичных двигателей
Влияние настройки иглы изодрома и сервомотора на работу ГЭУ
Аварии рулевых электроприводов
Аварии якорно-швартовных электроприводов
Аварийные повреждения в судовых электростанциях
Заключение

§ 7. Повреждения элементов конструкции судовых электрических машин
Повреждения генераторов ГЭУ. За непродолжительное время эксплуатации ледокола «Киев» некоторые детали дизелей (производства фирмы «Вяртсиля-Зульцер») ГЭУ оказались поврежденными фреттинг-коррозией*.
* Фреттинг-коррозией называют специфические повреждения соприкасающихся поверхностей при их относительных колебательных движениях малой амплитуды. Для стали характерным признаком фреттинг-коррозии являются порошкообразные образования красного цвета.

Особенно сильно разрушились стенки вкладышей рамовых подшипников и их постели. Кроме того, заклинивало демпферы крутильных колебаний, установленные на передних концах коленчатых валов. В наибольшей степени фреттинг-коррозии подвергся узел 11-го рамового опорно-упорного подшипника, находящегося в районе сочленения дизеля с главным генератором.
Для защиты от фреттинг-коррозии на спинки вкладышей рамовых подшипников наносились различные защитные покрытия, увеличивался затяг домкратов, крепящих вкладыши и т. д., но это не дало никаких результатов.
Подобных разрушений в двигателях, установленных на ранее построенных судах этого же типа — ледоколах «Москва» и «Ленинград», имеющих такие же главные дизели, не наблюдалось. Сравнительный анализ материалов исследований, проведенных на этих судах, показал, что основной причиной повреждений дизель-генераторов ГЭУ ледокола «Киев» являются продольные колебания коленчатых валов дизелей, в 8—9 раз превышающие аналогичные колебания на ледоколах «Москва» и «Ленинград» (0,32 и 0,04 мм соответственно).
В течение первых трех лет эксплуатации ледокола не было обнаружено влияния состояния дизелей на состояние соединенных с ними генераторов.
Конструкция якоря генератора ГЭУ ледокола «Киев» выполнена следующим образом. Листы активной стали якоря стянуты в общий пакет изолированными болтами, проходящими через нажимные кольца. Общий пакет стали якоря закреплен на ребрах (якорной звезде) шестью парами клиновых шпонок, обваренных в торцах пазов. Размеры пазов в нажимных кольцах и стали якоря больше размеров шпонок, поэтому сталь непосредственно шпонками не удерживается. Нажимные кольца и головки шпонок приварены к ребрам остова (лучам).
При чистке генератора Г1 судовым электротехническим персоналом был замечен налет окислившейся металлической пыли бурого цвета на обмотках полюсов и якоре. После вскрытия кожухов генератора со стороны дизеля и его осмотра обнаружились следующие повреждения. Все сварные швы, крепящие нажимные кольца к ребрам остова (рис. 58), имели трещины, В двух местах этих швов вырваны кусочки вместе с телом остова на глубину около 4 мм. На двух клиновых шпонках стали якоря также были трещины сварных швов. Таким образом, весь якорный пакет удерживался на остове только клиновыми шпонками. Из-за недостаточно точной пригонки шпоночных пазов в стали якоря и шпонок появилась возможность смещения стали якоря по окружности относительно остова. В результате этих смещений и натиралась металлическая пыль, которая выдувалась через вентиляционные каналы в станину машины. При прогрессировании этого явления величина относительного смещения стали якоря могла увеличиться и в дальнейшем мог произойти обрыв петушков в лобовых частях обмотки якоря со стороны коллектора.
Вскрытие и осмотр всех генераторов ГЭУ показали следующее: на главном генераторе Г2 сварные швы не повреждены и следы металлической пыли отсутствуют. На ребрах остова генератора Г3 в местах крепления нажимных колец в сварных швах обнаружены трещины и налет металлической пыли. На генераторе Г4 швы имеют трещины на четырех ребрах остова, обнаружена металлическая пыль. На генераторе Г5 сварные швы имеют трещины на всех ребрах остова в местах крепления нажимных колец, часть сварного шва вырвана, имеется налет металлической пыли. Сварные швы на генераторах Г6, Г7 и Г8 также имеют трещины.

Рис. 58. Повреждения узлов крепления активной стали якоря генератора на ледоколе «Киев». 1 — ступица якоря; 2 — места выхода металлической пыли; 3 — отверстие для стяжного болта; 4 — пакет активной стали; 5 — сварной шов; 6 — нажимное кольцо; 7 — клиновидная шпонка; 8 — трещины в сварных швах; 9 — ребро ступицы.

Согласно судовой документации, предыдущая чистка генераторов со вскрытием кожухов со стороны дизелей производилась шесть месяцев назад, и каких-либо признаков начала разрушения конструкций генераторов не было обнаружено.

Ввиду появления разрушений генераторов ГЭУ эксплуатация ледокола в арктической навигации была прервана, и ледокол вернулся в порт приписки. Движение осуществлялось на главных дизель-генераторах ДГ2, ДГ6, ДГ7, ДГ8, техническое состояние которых вызывало меньшие опасения. После 41 ч работы генераторы были остановлены. При осмотре обнаружились новые трещины сварных швов в местах крепления нажимных колец пакета стали якоря к ребрам остова.
С целью выявления причин дефекта главный дизель-генератор ДГ6 был оставлен в работе на холостом ходу, а движение продолжали на дизель-генераторах ДГ2, ДГ7, ДГ8. После 23 ч работы ДГ6 был остановлен, и осмотр генератора выявил появление новых трещин в сварных швах.
После чистки активного железа и остова якоря дизель-генератор ДГ1 был запущен и проработал на холостом ходу 12 ч, однако при последующем осмотре вновь обнаружен налет пыли в местах сопряжения активной стали с ребрами звезды якоря. Таким образом, выявилось, что микросдвиги пакета якоря относительно звезды имеют место как при работе дизель-генератора под нагрузкой, так и на холостом ходу.

Осмотр генераторов по приходе в порт показал, что на всех восьми генераторах ослаблены крепления пакетов сердечников якорей на остовах, о чем свидетельствовало нарушение сварных швов (на генераторах Г1, Г2, Г3 и Г5 повреждены все швы между обмоткодержателями и остовом, на других генераторах только отдельные швы). На нескольких генераторах в местах посадки ступицы якоря на вал, между клиньями в упорной части ступицы, замечена металлическая пыль. Это свидетельствовало об ослаблении крепления ступиц якорей на валах.
Финской фирмой — строителем ледокола «Киев» было выполнено усиление крепления железа якоря на звезде остова. Для этого у каждого ребра звезды якоря (рис. 58) со стороны дизеля нажимное кольцо пакета стали было закреплено планкой, привариваемой к самому кольцу и входящей плотно в паз на ребре остова. Другая планка, предназначенная для фиксации стали якоря от аксиальных смещений, приваривалась к ребрам остова. Все клиновые шпонки на генераторах, крепящие узел остов — вал, были подтянуты прессом с усилием 12-104 Н. Проводилась затяжка всех болтов, стягивающих пакеты стали якоря.
По окончании ремонта ледокол вновь продолжил работу в Арктике. Однако, несмотря на произведенное во время ремонта дополнительное крепление конструкций якорей генераторов, они продолжали разрушаться: коррозионная металлическая пыль выбивалась как из старых трещин, так и из мест сопряжения аксиальных и тангенциальных стопоров, между которыми появились зазоры на генераторах Г1, Г3, Г5.
С целью выяснения причин аварии главных генераторов был проведен комплекс вибрационных исследований. Поясним, что первоначальными причинами продольных колебаний линии коленчатого вала дизеля являются давление газов в цилиндрах и инерция, вызывающие колебания изгиба, из-за чего возникают продольные колебания коленчатого вала и сочлененной с ним линии вала якоря генератора. Под действием давления газов и инерции колено вала дизеля изгибается, и щеки его несколько раздвигаются, создавая осевое колебательное усилие (колебания раскепа). Основная частота переменных усилий у двухтактного дизеля равна частоте вспышек. Поэтому у девятицилиндрового дизеля типа 9МН51 главным порядком возмущающих сил является 9-й порядок.

Рис. 59. Суммарное осевое колебательное ускорение валов ДГ ледокола «Киев» (со стороны пультов управления).
1 — для ДГ2; 2 — для ДГ5.

Рис. 60. Суммарное осевое колебательное ускорение валов ДГ ледокола «Киев» (со стороны генератора).
1 — для ДГ2; 2 — для ДГ5.
При совпадении частоты возмущающих усилий с частотой собственных колебаний возникают мощные резонансные продольные колебания, воздействующие на весь шатунно-кривошипный механизм. В результате этого возникают переменные усилия, могущие вызвать поломки отдельных деталей или относительные их сдвиги и способствующие появлению фреттинг-коррозии. Чем больше амплитуда этих сдвигов и контактное давление на поверхности нормально неподвижных сопряженных деталей, тем интенсивнее разрушения.
Результаты проведенных исследований показали, что дизель- генераторы ГЭУ ледокола при номинальной частоте вращения 330 об/мин работают в резонансном режиме осевых колебаний коленчатых валов. Резонанс проявляется в пределах частоты вращения дизель-генераторов 330—340 об/мин. На рис. 59, 60 видно, что, например, у ДГ2 резонанс двухузловой формы осевых колебаний наступает при частоте вращения 335 об/мин, а у ДГ5 — при 330 об/мин. Осевые колебания развивались в результате взаимодействия изгибных и продольных колебаний и совпадения 9-го порядка вынужденных колебаний с двухузловой формой собственных продольных колебаний вала. Спектральный анализ (рис. 61) продольных колебаний показал, что преобладающим является 9-й порядок и, кроме того, в спектре выделяются 4, 5 и 6-й порядки. Амплитуда осевых колебаний как на генераторном, так и на противоположном ему конце вала зависит от нагрузки. При повышении мощности Ne от нуля до 2385 кВт (полная мощность) амплитуда колебаний значительно увеличивается.

Амплитуды осевых колебаний линии вала во время испытаний при полной нагрузке дизель-генераторов достигали со стороны пульта управления дизелем ±0,35 мм, со стороны генератора ±0,2 мм. Суммарные ускорения соответственно достигали со стороны генератора 2,4q, со стороны пульта управления дизелем 6,5q, что значительно превышает допустимые нормы. В отдельные моменты, особенно в переходных режимах работы установки, например при работе ледокола во льдах, эти значения могут быть значительно больше.

Рис. 61. Влияние нагрузки на осевые колебания ДГ5 ледокола «Киев».
1 — при Ne=2385 кВт; 2 — при Ne=0.
Система продольных колебаний является нелинейной, поскольку отсутствует постоянный упор и изменяется податливость упорного 11-го подшипника дизеля (отсчет номеров подшипников ведется со стороны пульта управления). В результате колебания становятся нестационарными, создаются нагрузки ударного характера (примерно один раз за оборот), что еще больше усугубляет положение.
Выполненные исследования показали, что во время работы дизеля шейки коленчатых валов работали с перекосом. Это обстоятельство приводило к тому, что осевые колебания, воздействуя на вкладыши рамовых подшипников, вызывали их относительное смещение в постелях. Существовавший затяг подшипников с помощью домкратов не мог компенсировать относительный сдвиг, поэтому наступала фреттинг-коррозия пары вкладыш — постель.

Продольные колебания коленчатого вала вследствие колебаний мотылевой шейки создавали периодические изгибающие моменты на шатунах, действующие в продольной плоскости двигателя, что способствовало фреттинг-коррозии пальцев головных подшипников в местах их закрепления в бобышках поршней. Эти же колебания вызывали фреттинг-коррозию компрессионных прокладок под пятками шатунов и могли быть причиной усиленного износа головных подшипников, а при недостаточно большом зазоре вызвать трещины в верхних головках шатунов. Перекос рамовых шеек и удары их о крышки рамовых подшипников могут вызвать поломку последних, а изгибные колебания в сочетании с продольными вызвать фреттинг-коррозию в местах разъема и касания корпуса рамовых подшипников к станине. Наибольшим разрушениям от фреттинг-коррозии подвергся 11-й рамовый подшипник. Вследствие ударных нагрузок оказались разрушены вкладыши этого подшипника. На носовой части линии вала, как уже отмечалось, ускорения в осевом направлении достигали 6,5 q и более, что послужило причиной повреждений демпферов.

Рис. 62. Влияние массы маховика на характеристики осевых колебаний вала ДГ ледокола «Киев».
1 — маховик 6,7-103 кг, 2 — маховик 3,95· 103 кг (со стороны пульта); 3— маховик 6,7· 103 кг; 4— маховик 3,95-103 кг (со стороны генератора)
Разрушения якорей генераторов были вызваны продольными колебаниями валов 9-го порядка, а также ударными нагрузками, возникающими вследствие нелинейности колебательной системы.
Причиной разрушений генераторов также может быть двухузловая форма крутильных колебаний, частоты 10, 11 и 13-го порядков которой находятся в зоне примерно 270—320 об/мин.
Аналогичные вибрационные исследования, проведенные на однотипном ледоколе «Ленинград», показали, что амплитуды осевых колебаний валов дизель-генераторов, имеющих облегченные маховики, в 5—6 раз меньше, чем на ледоколе «Киев». Это дало основание полагать, что основной причиной наступления резонанса на ледоколе «Киев» является понижение частоты двухузловой формы продольных колебаний валов из-за установки тяжелого, массой 6800 кг, маховика на стыке между дизелем и генератором. Утяжеление маховика было предпринято с целью улучшения динамики дизель-генератора в переходных режимах установки.
В дальнейшем, когда массы маховиков путем их проточки на станке были снижены до 3,95 т, вновь были проведены вибрационные исследования. Как видно из рис. 62, при этом произошло значительное увеличение резонансной частоты и вращения дизель-генератора. При этом снизились амплитудные значения осевых колебаний.
Таким образом, увеличение массы маховиков при постройке ледокола «Киев» привело к перемещению собственной частоты продольных колебаний двухузловой формы в зону рабочих частот вращения дизель-генератора.
Исследования, проведенные на однотипном ледоколе «Владивосток», показали, что на продольные колебания системы большое влияние оказывает величина зазора в упорном подшипнике дизеля (в данном случае в установочном рамовом подшипнике дизеля), который влияет на податливость упорного подшипника.
Для проверки влияния осевых зазоров были изготовлены три упорных подшипника на различные зазоры. На рис. 63 представлены кривые, характеризующие влияние величины осевого зазора упорного подшипника ДГ2 ледокола «Владивосток» на амплитуду осевых колебаний линии вала. При осевом зазоре 0,11 мм резонанс находился в зоне частоты вращения 352 об/мин и не представлял особой опасности для работы машины при частоте вращения, равной 330 об/мин. С увеличением осевого зазора до 0,43 мм режим резонанса сместился до частоты вращения 336 об/мин, т. е. практически в зону рабочих частот вращения, поскольку в переходных режимах частота вращения дизель- генератора меняется.

То же самое в процессе эксплуатации наблюдалось на ледоколе «Киев». По мере износа рабочих поверхностей в упорном подшипнике увеличивается зазор. Ввиду этого резонансная частота понижается и, если она расположена близко к зоне рабочих частот вращения, не исключено их совпадение, а следовательно, и разрушение машины. Это и явилось одной из причин аварии генераторов на ледоколе «Киев».
Для ликвидации результатов аварии потребовалось проведение капитального ремонта всех генераторов ГЭУ с выводом ледокола из эксплуатации на длительное время.
Чтобы исключить возможность подобных аварий в будущем, фирмой «Вяртсиля» было рекомендовано снизить номинальную частоту вращения дизель-генераторов ГЭУ ледокола «Киев» с 330 до 320 об/мин.
Авария генераторов ГЭУ ледокола «Киев» свидетельствует о том, что при выборе маховых масс дизель-генераторов необходимо учитывать крутильные и аксиальные колебания линии вала дизель-генератора.
До начала эксплуатации дизель-генераторов необходимо провести их вибрационные испытания, поскольку параметры колебаний при выбранных маховых массах зависят и от других факторов: нагрузки, зазоров упорных подшипников и т. д.

Рис. 63. Влияние величины осевого зазора, упорного подшипника ДГ ледокола «Владивосток» на амплитуду осевых колебаний линии вала: а — со стороны пульта; б — со стороны генератора.
1 — осевой зазор 0,11 мм; 2 — осевой зазор 0,3 мм; 3 — осевой зазор 0,43 мм; 4 — осевой зазор 0,11 мм; 5—осевой зазор 0,3мм; 6 — осевой зазор 0.43 мм.

Испытания должны проводиться при наиболее тяжелых условиях, которые могут возникнуть в ходе эксплуатации ГЭУ. Очевидно, что расходы, связанные с проведением испытаний, значительно меньше возможных убытков от аварий. Оптимальные масса и форма устанавливаемых на дизель-генераторы маховиков должны выбираться с учетом колебаний валов ДГ.
Повреждения элементов конструкции, аналогичные происходившим на генераторах ледокола «Киев», имели место и на отечественных генераторах типа ГП-1375-810, установленных на судах типа «Днепрогэс». Замеры показали, что генераторы работали в условиях повышенной вибрации. В эксплуатации были зафиксированы, например, вибрации в поперечном по отношению к валу направлении с амплитудой до 0,7 мм (при нормах 0,15—0,2 мм). Проверкой центровки и поджатием амортизаторов, выполненными судовым персоналом, не удалось довести вибрацию до нормы.
Стоимость ремонта каждого из поврежденных генераторов составляла около 9000 руб.
Повышенная вибрация дизель-генераторных агрегатов в эксплуатации является одной из главных причин появления неисправностей в них. При проектировании, строительстве и испытаниях агрегатов необходимо это учитывать.

 Конструктивные особенности генераторов ГЭУ и работоспособность

Теперь рассмотрим, как конструктивные особенности отдельных типов генераторов ГЭУ влияют на их работоспособность. В генераторах ГЭУ ледокола типа «Москва» применяют составные петушки для соединения обмотки якоря с коллекторными пластинами. Две соседние пластины коллектора (рис. 64) пропаяны с отдельными стальными лепестками каждого петушка. Толщина лепестка 1,5 мм. Стальные лепестки медными хомутами соединяются и пропаиваются с верхней частью петушка, выполненной двухслойной (толщина стали — 0,8 мм, меди — 0,3 мм) и соединяющей коллекторные пластины с обмоткой якоря. Таким образом, один петушок гальванически соединен с двумя соседними, параллельно включенными коллекторными пластинами.
Сложная конструкция петушков применена фирмой для обеспечения необходимой прочности и жесткости конструкции, уменьшения переходных электрических сопротивлений и экономии меди. При этом предполагалось обеспечение длительной надежной работы всего узла. Однако через 16—20 ч работы на нескольких генераторах были обнаружены повреждения петушков: трещины и обрывы стальных лепестков (рис. 64). Количество поврежденных петушков составляло 10—20% общего их числа на коллекторе.

 

Повреждение составных петушков на генераторах ледокола
Рис. 64. Повреждение составных петушков на генераторах ледокола «Москва».

По мнению специалистов, причинами повреждения было применение в конструкции петушков материалов с различными температурными коэффициентами расширения и жесткость конструкции.
При проведении ремонта генераторов силами специализированной организации петушки были выполнены из меди, с демпфером для компенсации тепловых деформаций. Очевидно, что расходы на ремонт существенно превысили экономию, полученную при создании машин.



 
Автоматическая установка для варки битумной мастики »
электрические сети