Основными причинами повышенных вибраций стальных конструкций генераторов являются анормальное распределение формы магнитного поля в зазоре генератора, снижение давлений прессовки и стыковки сердечника статора, ослабление креплений корпуса статора на фундаменте, неуравновешенность и расцентровка роторов генератора и турбины, изменение линии валопровода агрегата [8]. Повышенные вибрации обмоток статора могут возникнуть из-за ослабления их креплений и изменения механических свойств изоляции.
Повышенные вибрации и деформации конструктивных узлов могут вызвать повреждения. Наиболее часто встречающиеся повреждения следующие:
- трещины и обломы листов активной стали в зубцовой зоне сердечника статора;
- истирание лакового покрытия листов активной стали сердечника;
- обломы стяжных шпилек сердечника;
- трещины и обрывы сварных швов узлов креплений сердечника к полкам корпуса и обломы призм сердечника;
- трещины и обломы «ласточкиных хвостов» призм сердечника и прилегающих к ним листов активной стали;
- выпучивание и распушение стыковых пакетов активной стали сердечника;
- освобождение и смещение вентиляционных распорок сердечника;
- смещение обода относительно спиц ротора;
- трещины и сколы заплечиков ступиц спиц ротора;
- обрывы приварок и смещение клиновых полос обода и клиньев полюсов ротора;
- перегрев и износ вкладышей направляющих подшипников валопровода гидрогенератора;
- истирание изоляции обмоток статора;
- смятие изоляции обмоток в местах выхода стержней из пазов сердечника;
- трещины и расслоение изоляции обмоток статора;
- трещины и поломки элементарных проводников обмоток статора;
- ослабление и обрывы бандажных вязок, смещение и выпадание дистанционных прокладок лобовых частей обмоток статора;
- смещение и выпадание пазовых клиньев сердечника статора;
- нарушение паяных соединений штуцеров головок лобовых частей обмоток статора с водяным охлаждением.
Кроме повреждений, вызванных непосредственно вибрациями, следует отметить повреждения, возникающие из-за электрических, тепловых и других процессов, которые могут являться следствием повышенных вибраций. Так, при повышенных вибрациях сердечника статора и истирании межлистовой изоляции возникают повышенные значения вихревых токов и местные перегревы стали. При повышенных вибрациях лобовых частей обмоток статора иногда наблюдается нарушение паек их головок и как следствие — повышение их температуры.
С другой стороны, возникновение вибраций может оказаться следствием анормального развития электрических, тепловых и других физико-химических процессов. Например, при возникновении интенсивной ионизации в области витковой изоляции элементарных проводников обмотки статора последняя разъедается и разрушается. Появляется вибрация элементарных проводников, которая может привести к их усталостным повреждениям — трещинам и обломам. В машинах с водяным охлаждением статора это приводит к увлажнению изоляции и ее пробою.
Некоторые дефекты могут вызвать одновременно повышение вибрации одних конструктивных узлов и перегрев других. Так, при возникновении эксцентриситета между статором и ротором возникает сила одностороннего тяжения, которая может вызвать превышение температур вкладышей направляющих подшипников валопровода. В генераторах, имеющих параллельные ветви обмоток статора, возникают уравнительные токи в обмотках из-за нарушения симметрии магнитного поля немагнитного зазора. Это может вызвать превышение температур обмоток и появление в немагнитном зазоре силовых волн, которые способны вызвать повышенную вибрацию сердечника. Таким образом, при анализе причин повышенных вибраций необходимо рассматривать все процессы, которые могут возникнуть в гидрогенераторе.
Асимметрия магнитного поля немагнитного зазора, которая может вызвать существенное повышение вибрации генератора с оборотными частотами, является следствием искажений форм статора и ротора, изменений их относительного расположения, а также асимметрии МД С полюсов ротора.
Искажения формы статора могут возникнуть из-за недостатков монтажа, прессовки и стыковки статора, ослабления креплений корпуса на фундаменте, повреждений узлов креплений сердечника к полкам и смещения сегментов активной стали в сторону немагнитного зазора. Искажения формы ротора могут возникнуть из-за различной высоты полюсов ротора и потери натяга обода ротора.
Неправильное положение статора относительно ротора может возникнуть из-за смещения оси расточки статора относительно оси вращения ротора — расцентровки (эксцентриситет статора), несовпадения поперечных осей симметрии статора и ротора, наклонов вертикальной оси сердечника статора или оси вращения ротора.
Асимметрия МДС полюсов ротора возникает при КЗ витков обмотки полюсов или при двойном замыкании на корпус в цепях возбуждения ротора. Для выявления и устранения причин асимметрии немагнитного зазора необходимо определить и оценить параметры, характеризующие формы статора и ротора.
Исправление формы расточки сердечника статора представляет собой достаточно сложную задачу. Технология устранения неправильной формы статора недостаточно хорошо разработана. Устранение расцентровки, т. е. смещения вертикальной оси расточки статора относительно оси вращения ротора, может быть осуществлено перемещением ротора или статора. Перемещение ротора возможно только при достаточно больших зазорах в рабочем колесе гидротурбины. Передвижка статора требует ослабления затяжки фундаментных болтов фланца обода корпуса статора, удаления фланцевых штифтов, выдалбливания соответствующего слоя бетона. Передвижение статора требует внимания и осторожности во избежание повреждений изоляции обмоток статора и искажения формы расточки сердечника. При передвижении, которое осуществляется обычно с помощью мостового крана и домкратов, расположенных между корпусом статора и бетонной стенкой камеры холодного воздуха, должен быть тщательный контроль перемещений верхней и нижней частей каждого сектора статора с помощью механических индикаторов. Перемещение каждой точки статора измеряется вдоль оси передвижения и в перпендикулярном к ней направлении.
Во избежание перекосов статора и передвижения его на строго заданное расстояние к фундаментным плитам привариваются упоры-ограничители в направлении передвижения, а в перпендикулярном направлении — скользящие упоры. После окончания передвижения фланец статора заливается бетоном и перештифтовывается.
Аналогично осуществляется исправление формы статора из-зи сдвига его отдельных секторов. Когда форма статора нарушается из-за деформации отдельных секторов, например при разрушении многих узлов крепления сердечника, может оказаться необходимой перешихтовка активной стали секторов.
Исправление формы ротора обычно достигается изменением положения обода относительно спиц ротора путем горячей переклиновки обода с сохранением расчетного натяга. При нарушении зазоров между отдельными полюсами ротора и расточкой статора производится также переклиновка полюсов ротора. Значения, на которые нужно изменить радиусы обода у каждой спицы ротора или соответствующих полюсов ротора, определяются из результатов измерений немагнитного зазора, при этом для обода учитывается первоначальный натяг.
Коррекция немагнитного зазора производится путем изменения толщин прокладок и клиньев полюсов ротора. Причинами повышенных вибраций статора могут быть витковые замыкания обмоток полюсов ротора. Для выявления полюсов, имеющих витковое замыкание, измеряют полное сопротивление обмотки каждого полюса ротора на переменном токе методом вольтметра и амперметра. После его устранения производится повторное измерение вибраций.
В последние годы применяется контроль замыканий обмотки ротора и немагнитного зазора генератора измерением ЭДС витков, расположенных в его магнитном поле.
Ослабление прессовки сердечника статора
Ослабление прессовки сердечника статора гидрогенераторов, находящихся длительное время в эксплуатации, возникает сравнительно редко и наблюдается или при грубых ошибках при сборке и прессовке активной стали или в результате общего старения статоров генераторов, находящихся в эксплуатации 20—30 лет и более.
Значительно чаще возникает местное ослабление прессовки активной стали, особенно в зубцовой зоне сердечника, что сопровождается местными повышенными вибрациями крайних и стыковых пакетов зубцовой зоны активной стали из-за их распушения.
Причинами местного ослабления прессовки сердечника статора может быть потеря продольной устойчивости пакетов активной стали (волна) в результате чрезмерных сил температурных деформаций сердечника.
Ослабление прессовки крайних пакетов может возникнуть из-за нарушения стопорных устройств и отвинчивания гаек стяжных болтов нажимных плит сердечника, ослабления давлений на активную сталь со стороны нажимных гребенок и нажимных пальцев. Местные ослабления прессовки возникают также из-за нарушения приварок распорок в вентиляционных каналах сердечника, истирания изоляционного лака между листами и выгорания лака листов стали при перегревах из-за превышенных вихревых токов вследствие нарушения межлистовой изоляции. В какой-то мере местные вибрации могут быть обнаружены косвенно, путем осмотров сердечника со стороны спинки и расточки во время ревизий и ремонтов. Косвенными признаками местных вибраций при этом являются наличие контактной коррозии, распушение пакетов активной стали, трещины и обломы отдельных листов ее (чаще всего в области крайних и стыковых пакетов зубцовой зоны сердечника).
Косвенными признаками местных вибраций также могут являться местные перегревы активной стали, обнаруживаемые при испытаниях стали сердечника статора генератора. При этом эффективно применение тепловизоров, обладающих высокой чувствительностью измерения температур и дающих возможность выявить не только поверхностные, но и внутренние очаги перегревов активной стали зубцовой зоны расточки статора генератора.
Ослабление стыковки сердечника статора
Ослабление стыковки сердечника статора в процессе эксплуатации является основной и наиболее частой причиной повышенных вибраций статора с полюсной частотой. Причиной ослабления стыков является недостаточная или, наоборот, чрезмерная их затяжка. При недостаточной затяжке сердечник остается немонолитным, если же стыки перетянуты, то после включения генератора в работу под воздействием сил магнитного притяжения и температурных расширений сердечника давление на торцевых частях стыков пакетов активной стали может превысить критическое значение и пакеты теряют устойчивость. При этом выпучиваются крайние стыковые пакеты, ослабляется стыковка и сердечник теряет монолитность. В обоих случаях возникают вибрации, вызывающие истирание стыковых прокладок, что приводит к еще большему ослаблению стыковки.
В стыках сердечника возникают механические напряжения в процессе затяжки гаек болтов стыковых плит при сборке или ремонте сердечника, в процессе возбуждения и после включения генератора в работу из-за сил магнитного тяжения и неодинаковых температурных деформаций сердечника и корпуса статора при их нагреве.
Распространенный способ дополнительной подтяжки гаек болтов стыковых плит без замены стыковой прокладки сердечника и без контроля степени затяжки стыков обычно малоэффективен. Наоборот, часто из-за неравномерного износа прокладки при подтяжке стыков возникают перекосы, недопустимые натяги на прокладку и нарушение устойчивости стыковых пакетов, что приводит к увеличению вибраций полюсной частоты сердечника статора.
Для более качественной стыковки статора стыки распускаются, из них удаляются старые прокладки и производится перестыковка по технологии, приведенной в гл. 5. Обычно заводы-поставщики не указывают значения усилий затяжки. Критерием допустимости сил затяжки является отсутствие деформаций стыковых пакетов («домики») по данным визуального наблюдения.
Если в процессе стыковки возникает необходимость распайки головок лобовых дуг обмоток статора в монтажных пазах (вблизи стыков), изоляция обмоток после окончания стыковок испытывается высоким напряжением по нормам, предусмотренным для профилактических испытаний данного генератора. Для оценки эффективности перестыковки проводятся измерения вибраций сердечника статора до и после ремонта. Подтяжка стыковых соединений без замены прокладок, отсутствие надлежащего способа контроля затяжки стыков приводят к необходимости повторной перестыковки иногда уже через 3—4 года после ремонта.
На основании накопленного опыта эксплуатации можно рекомендовать мероприятия, позволяющие в известной степени повысить надежность и стабильность стыковых соединений статора гидрогенераторов, находящихся в эксплуатации.
К числу таких мероприятий относятся:
установка вентиляционных распорок во всех вентиляционных каналах секторов сердечника непосредственно у каждого стыка по обеим его сторонам с дополнительной подпрессовкой стыковых пакетов сердечника;
проверка эффективности и надежности затяжки стыков сердечника статора в режиме его номинальной нагрузки при горячем сердечнике путем контроля вибраций сердечника с полюсной частотой и визуального наблюдения за состоянием стыковых пакетов сердечника со стороны его спинки в процессе длительной эксплуатации.
НЕУРАВНОВЕШЕННОСТЬ, РАСЦЕНТРОВКА И ДРУГИЕ ДЕФЕКТЫ РОТОРОВ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ
Одним из основных и часто встречающихся дефектов является неуравновешенность вращающихся частей гидроагрегата: ротора турбины, ротора генератора и ротора возбудителя. Причинами неуравновешенности ротора генератора могут быть смещение отдельных полюсов ротора и обода, несоосность ротора генератора с ротором гидротурбины, отклонение оси вала ротора генератора от вертикали, неудовлетворительная балансировка ротора после монтажа или ремонта.
После определения вида, характера и места дефекта ротора генератора и его устранения проверяют вибрацию агрегата и, если она все еще выше допустимых значений, производят балансировку ротора. Из-за размеров и массы роторов мощных гидрогенераторов ее осуществляют в своих подшипниках.
В эксплуатации встречаются дефекты, вызывающие искривление линии валопровода и расцентровку роторов: неперпендикулярности между осями валов и плоскостями их фланцев, опорной плоскости ступицы пяты и оси вала, плоскостей кольцевой шпонки пяты, несоосность валов турбины и генератора, несоосное с валом расположение вкладышей направляющих подшипников, наклон линии валопровода, неровности поверхности вращающегося диска подпятника, эллипсности шеек валов и др. Часть этих дефектов иногда вызвана неудовлетворительным качеством изготовления, монтажа или ремонта. Некоторые из дефектов возникают в процессе эксплуатации, например наклон линии валопровода агрегата при неравномерной осадке фундамента агрегата, неровности рабочей поверхности диска подпятника в результате температурных деформаций диска при перегреве подпятника.
Часто наблюдается ослабление посадки обода ротора, вызывающее асимметрию немагнитного зазора генератора, коррозию клиньев обода, трещины и обломы заплечиков спиц ротора. На нарушения посадки обода также указывает величина его смещения при подъеме ротора на тормозах. Устранение этого дефекта производится с помощью горячей расклиновки обода.
