На большой серии судов типа «Днепрогэс», «Актюбинск» и др. установлены двухъякорные ГЭД типа 2МП-7000-115, мощностью 2x2580 кВт при напряжении и токе одного якоря соответственно 1000 В и 2750 А.
Через несколько месяцев эксплуатации на ряде судов («Цимлянскгэс», «Ангаргэс» и др.) произошли аварийные повреждения ГЭД (рис. 65, 66). Причиной повреждений, заключавшихся в выгорании стержней якорных обмоток и стали якорей, во всех случаях было выпадение распорок из вентиляционных каналов.
На каждом якоре ГЭД в вентиляционных каналах между пакетами активной стали установлено 4650 распорок двутаврового профиля, прикрепленных к наружным листам пакетов точечной сваркой. Выпадение распорок в воздушное пространство между якорем и полюсами при вращении якоря приводило к повреждению изоляции стержней якорной и компенсационной обмоток, что вызывало замыкания между секциями и, как следствие этого, выход из строя электродвигателя.
При осмотре аварийных двигателей после разборки на некоторых якорях было обнаружено около 100 подвижных распорок (рис. 67). Конструктивный недостаток, заключающийся в ненадежном креплении вентиляционных распорок, проявился в эксплуатации при вибрации корпуса судна и ГЭД.
При ремонте были выполнены следующие основные виды работ:
- разборка двигателей с поднятием верхних полустанин;
- снятие бандажей и поврежденных полукатушек обмотки (на дизель-электроходе «Цимлянскгэс», например, были сняты 42 секции);
- удаление наплавлений активной стали, разделение листов в пакетах и покрытие их изоляционными лаками;
- восстановление формы зубцов стали якоря;
- закрепление вентиляционных распорок;
- замена ослабленных пазовых клиньев;
- укладка и пропайка новых обмоток, наложение бандажей;
- пропитка якорей и покрытие их изоляционной эмалью;
- испытание двигателей.
На ГЭД судов этой серии с целью предупреждения аналогичных аварий предстояло выполнить работы по п. 1, 5, 6, 9.
Рис. 65. Повреждение якорной обмотки ГЭД дизель-электрохода «Цимлянск- гэс».
1 — расплавленная медь обмотки якоря; 2 — выгоревшая активная сталь; 3 — пазовые клинья; 4 — распорки вентиляционных каналов.
После проведения перечисленных ремонтных и профилактических работ на судах этого типа аварий ГЭД по указанным причинам не происходило.
Опыт работ по пропитке и сушке двигателей и генераторов в судовых условиях показал необходимость в источниках и схемах питания для нагрева пропитываемых якорей электрических машин большой мощности, технология изготовления которых допускает повторные пропитки. Схемы должны быть укомплектованы соответствующей коммутационной, измерительной и защитной аппаратурой. Это позволит существенно сократить трудозатраты и повысить безопасность проведения работ по пропитке.
Рис. 66. Повреждения якорей обмотки ГЭД дизель-электрохода «Ангаргэс» (общий вид).
Потребность в штатных источниках и схемах питания для пропитки электрических машин особенно остро ощущается на судах с турбоэлектрическими ГЭУ. Здесь в условиях стоянки в период ремонта работа главных турбогенераторов в большинстве случаев невозможна. Поэтому требуется специальный источник достаточной мощности для питания якорей ГЭД. Такими источниками в некоторых случаях могут быть штатные судовые энергоагрегаты иного основного назначения. При проектировании следует предусматривать возможность их использования для нагрева якорей электрических машин гребных установок. На ледоколе «Ленин», например, с этой целью были использованы электромашинные преобразователи переменно-постоянного тока, предназначенные для питания якорно-швартовных и грузо-подъемных электроприводов [6].
При пропитке якорей ГЭД в судовых условиях очень важно организовать вентиляцию, обеспечивающую нормальные условия работы. Высокая концентрация паров растворителей лаков может быть взрыво- и токсически опасной. Это также должно быть учтено при проектировании помещений, в которых устанавливаются крупные электрические машины. Во всех случаях вопрос о пропитке ремонтируемых электрических машин должен быть согласован с заводом-изготовителем, так как для некоторых машин, например, пропитанных при изготовлении лаками с высокой цементирующей способностью, пропитка в процессе эксплуатации не требуется.
Рис. 67. Разобранный ГЭД дизель-электрохода «Ангаргэс». (Вид сверху; белыми кружками помечены подвижные распорки).
Рассмотрим еще несколько примеров повреждения гребных электродвигателей.
При эксплуатации ледокола «Киев» в 1970 г. была замечена фреттинговая пыль в местах посадки ступиц на валы ГЭД (рис. 68), что свидетельствовало об относительных микроперемещениях этих деталей. В соответствии с технологией, разработанной ЦНИИ технологии судостроения, кольцевые двухмиллиметровые полости 8 в ступицах через специально высверленные отверстия были заполнены эпоксидно-полиамидным клеем ЭП-1. Клей ЭП-1 подавался в полости ступиц под давлением 1,8—2,5 МН/м2, чтобы обеспечить плотность заполнения полости при усадке, связанной с затвердеванием клея.
Описанный метод упрочнения узлов ступица — вал оказался весьма эффективным и удобным для применения в судовых
условиях. Специальные испытания, проведенные при длительных переменных ходах ГЭД, а также эксплуатация не вызвали относительной подвижки в упрочненном таким способом соединении.
Рис 68. Конструкции ротора генераторов типа GM -434/80-8
1 — вал; 2 — лобовые части якорной обмотки; 3 — активная сталь; 4 — коллектор; 5 — ребра ступицы; 6 — ступица; 7 — место посадки ступицы на вал ГЭД, 8 — кольцевая полость ступицы.
В 1973 г. во время работы ледокола «Ленин» в Арктике были обнаружены повреждения носового и кормового якорей среднего ГЭД типа 2МП-19600-150 (мощность 14 500 кВт). На нескольких спицах (рис. 69) крайних дисков якорей в районе сварочного шва, крепящего диски со ступицами, образовались сквозные трещины между соседними окнами дисков. Наружный диаметр диска равен 2600 мм, толщина 50 мм, внешний диаметр активной стали якоря 3400 мм. В каждом диске имеется шесть окон диаметром 300 мм. До обнаружения трещин двигатель отработал около 23 000 ч. Особенно интенсивной была работа в течение трех предшествующих навигаций, в которых суммарное количество реверсов ГЭД в тяжелых ледовых условиях составило около 35 000.
Ремонт двигателя выполнялся на судне и содержал большой объем сварочных работ. Для предохранения обмоток якорей от тепловых и механических повреждений и загрязнений были разработаны и установлены специальные теплоизолирующие покрытия из асбестового полотна и листового железа. Технологией ремонта предусматривались снятие старых сварочных швов, крепящих диски якорей со ступицами, разделка трещин под двухсторонний шов, заварка трещин. С наружных сторон поврежденных дисков (рис. 70) были установлены фигурные накладки из стали толщиной 40 мм. Накладки приваривались по периметру к диску и ступице угловым швом. Для установки накладок были укорочены ребра жесткости.
Рис. 69. Повреждение конструкций ротора ГЭД типа 2МП- 19600-150.
1 — вал; 2 — ступица; 3 — спица диска; 4 — трещина.
Рис. 70. Элементы конструкции ротора ГЭД типа 2МП-19600-150 после ремонта.
1 — накладки; 2 — ступица; 3 — спица диска; 4 — сварные швы; 5 — укороченное ребро жесткости.
Накладки предназначались для снижения нагрузки в зонах крепления дисков со ступицами и усиления спиц дисков. Стоимость ремонта составила около 200 000 руб.
Специалисты, рассматривавшие причины повреждения якорей, считали, что трещины в дисках являются усталостными, учитывая специфические нагрузки ГЭД при работе ледокола во льдах.
Испытания, проведенные НИИПО «Электросила», ЛВИМУ им. адмирала С. О. Макарова и другими организациями, показали, что при взаимодействиях лопастей гребных винтов со льдом, т. е. в неустановившихся режимах работы системы ГЭД— гребной вал—винт из-за усиления крутильных колебаний валов существенно нарушается равенство электромагнитного момента ГЭД и момента сопротивления. Реальный динамический момент в системе при появлении крутильных колебаний может значительно превышать создаваемый лопастями момент сопротивления (даже в ледовых условиях) и расчетный электромагнитный момент ГЭД. Поэтому процесс изменений момента (и тока) ГЭД определяется величиной и основной частотой момента крутильных колебаний. При наложении основной частоты изменений момента, определяемых крутильными колебаниями (свободная составляющая) и частоты возмущений момента сопротивления со стороны гребного винта (вынужденная составляющая) в системе возможны резонансные явления. Поскольку частота вынужденной составляющей пропорциональна изменяющейся частоте вращения гребного вала (fв = 0,07п) для гребного винта с четырьмя лопастями), определенные частоты вращения вала могут стать резонансными. Длительная работа ГЭД с такими частотами вращения и максимальными моментами в системе ГЭД — валопровод — винт может вызвать усталостные разрушения конструкций ГЭД. Для двухъякорных ГЭД увеличение момента из-за крутильных колебаний опаснее, чем для одноякорных.
В работах НИИПО «Электросила» показано, что распределение динамического момента между дисками якорей ГЭД неравномерно вследствие закручивания вала между ними. Чем меньше жесткость вала (больше податливость), тем в большей мере проявляется неравномерность распределения моментов между дисками (при их одинаковой жесткости). Наибольшие нагрузки приходятся на первый со стороны гребного вала диск якоря ГЭД, причем различие в нагрузках между дисками может быть большим, если в конструкции дисков не предусмотрены технические решения по их выравниванию.
Некоторые специалисты считают основной причиной появления усталостных трещин в дисках ГЭД не повышенные против расчетных моменты нагрузки вследствие крутильных колебаний, а возникающие в конструкциях недопустимые осевые усилия.
Рис. 71. Зависимость амплитуды продольных колебаний якорей ГЭД типа 2МП-19600-150 от частоты вращения вала.
При движении судна в системе винт — вал — ГЭД возникают продольные колебания, частота которых пропорциональна количеству лопастей гребного винта и частоте его вращения. Измерения продольной вибрации главного упорного подшипника на валу среднего ГЭД ледокола «Ленин» после ремонта якорей показали следующее (рис. 71). В зоне частот вращения винта 155—170 об/мин амплитуда колебаний корпуса упорного подшипника достигала ±1,24 мм; колебания носили явно выраженный резонансный характер. Можно считать, что вал и оба якоря ГЭД имеют примерно такую амплитуду колебаний с частотой около 11 Гц, поскольку упорный гребень вала плотно упирается в сегменты подшипника. Элементы конструкции якоря при таких продольных вибрациях испытывают знакопеременные усилия, измеряемые десятками тонн и создающие напряжения, способные вызвать усталостные деформации.
Представленная на рис. 71 резонансная зона включает в себя и рабочие частоты вращения вала поврежденного ГЭД, т. е. детали якоря длительно испытывают повышенные осевые нагрузки.
Таким образом, можно предположить, что не каждое в отдельности, а совокупность рассмотренных факторов способствовали возникновению трещин в дисках якорей ГЭД. Учитывая тенденции роста мощностей ГЭД, предназначенных для работы в ледовых условиях, следует подчеркнуть важность комплексного подхода к проектированию электрических машин, судовых корпусных конструкций и систем привода движителей.
Опыт эксплуатации двухъякорного ГЭД типа 2МП-17 600-130 (мощностью 16600 кВт) линейного ледокола в течение первой арктической навигации подтверждает сказанное выше. Многие элементы конструкции этого ГЭД (в том числе узел крепления дисков якорей к ступицам) были существенно улучшены по сравнению с ГЭД ледокола «Ленин». Иначе был выполнен и фундамент двигателя: опорные подшипники и главный упорный установлены на едином фундаменте. При работе во льдах проявилась повышенная продольная вибрация обеих станин двухъякорного двигателя. Осевая вибрация гребного вала через главный упорный подшипник передавалась на фундамент и «усиливалась» станинами. Замеры на среднем ГЭД показали, что верхняя часть станины, крепящаяся лапами к фундаменту, вибрирует с амплитудой, многократно превышающей амплитуду продольной вибрации фундамента, т. е. наблюдается «плетевой» изгибной эффект в продольном направлении.
В результате повышенной вибрации станин на многих шинах, соединяющих щеточные бракеты с токосборными кольцами, появились трещины; были повреждены болты, крепящие воздухоохладители к корпусу ГЭД, и болты, крепящие листы зашивки между станинами; ослабилось крепление полюсных болтов; резко ухудшилась коммутация на обоих коллекторах.
Для восстановления работоспособности гребных электродвигателей были выполнены следующие работы: между станинами ГЭД в четырех углах по периметру поставлены стальные балки, связывающие массы станин между собой и увеличивающие их жесткость в продольном направлении; между поперечными ребрами жесткости каждой станины приварены продольные ребра: декоративные зашивки между станинами заменены стальными листами толщиной 20 мм; носовая станина торцевыми креплениями соединена с переборкой, жесткость конструкции которой также была специально усилена (эти крепления существенно уменьшили продольную вибрацию станин ГЭД). Эти технические меры позволили снизить продольную вибрацию станин до нормальной величины.
Измерения динамических крутящих моментов, возникающих при ударах лопастей о лед и совпадении частоты возмущений с собственной частотой крутильных колебаний, выявили наличие значительных перегрузок ГЭД. В зонах резонансных частот вращения (около 110 об/мин — для ГЭД среднего винта и 95 об/мин — для ГЭД бортовых винтов) были зафиксированы динамические моменты, существенно превышающие расчетные. Это обстоятельство должно учитываться при техническом использовании и обслуживании ГЭД, а также при создании аналогичных и более мощных ГЭУ.
