Эксплуатационная надежность главных электрических машин ГЭУ в большой мере определяется конструкцией их токосъемных узлов (клеммных коробок, щеточного аппарата и траверс с подвесками). На генераторах типа ГП-1375-810 (суда типа «Днепрогэс», «Актюбинск») клеммная коробка расположена над коллектором и имеет в нижней части прямоугольный вырез. Такая конструкция удобна для осмотра и обслуживания клеммных соединений, однако имеет существенные недостатки. Соединение шин генератора с кабелями осуществляется посредством специальных хомутов с контактными планками, которые обжимаются болтами. В условиях вибрации дизель-генератора крепление контактных планок может ослабиться. На дизель-электроходе «Рионгэс» во время осмотра дизель-генератора контактная планка была обнаружена у края надколлек- торного окна клеммной коробки. Запуск дизель-генератора привел бы к падению планки на вращающийся коллектор, находящийся под напряжением, что могло стать причиной серьезных повреждений генератора. Аналогичные ситуации возникали и на других судах этих серий.
Клеммные коробки генераторов типа 2ПГК-120/50, установленных на ледоколе «Ленин», неудобны для производства профилактических осмотров, которые по опыту эксплуатации требуется проводить через 300—400 ч работы турбогенераторов.
Чтобы осмотреть шинные вводы в генератор и контактные зажимы в коробке, необходимо отвернуть около трех десятков болтов. Такая конструкция не способствует регулярности проведения технических осмотров. Внутри клеммной коробки расстояние между шинами разной полярности равно 18—20 мм (на разных машинах). В этот зазор входят фиксирующие упоры гетинаксовых колодок. Здесь же проходит провод питания обмоток главных полюсов.
Из-за повышенного износа электрощеток и особенностей системы вентиляции (см. § 9) происходило интенсивное запыление генераторов. Угольная пыль попадала в клеммную коробку и, скапливаясь в ней, создавала токопроводящие мостики между шинами по зазорам в гетинаксовых колодках. По этой причине во время работы генератора на полной мощности произошло короткое замыкание в клеммной коробке, вызвавшее возгорание изоляционных материалов.
Осмотр машины, произведенный после ликвидации пожара и остановки турбогенератора, показал следующее (рис. 72). Шины выгорели и оплавились местами до половины сечения, крепежные шпильки расплавлены полностью. Многие коллекторные пластины и щеткодержатели оплавились и покрылись копотью. Сопротивление изоляции обмоток генератора по отношению к корпусу, измеренное за несколько дней до происшествия, составляло 5 МОм. Клеммная коробка при этом не вскрывалась.
Восстановление и замена поврежденных шин, щеткодержателей и щеток, шлифовка коллектора, чистка и покрытие обмоток изоляционной эмалью заняли три дня. Никаких других причин аварии генератора, кроме указанных выше, при осмотре не обнаружено. Неудачная конструкция клеммной коробки, несомненно, способствовала созданию аварийной ситуации.
Рис. 72. Шинные вводы генератора типа 2ПГК-120/50, поврежденные током короткого замыкания.
Вскрытие других клеммных коробок показало также наличие опасных скоплений угольной пыли. Судовым персоналом были проведены работы по усилению изоляции шин в клеммных коробках.
Недостатки конструкций щеткодержателей и щеток также могут стать причиной аварийных происшествий с электрическими машинами. На судах типа «Лена» установлены электрические машины типа МРС (производства фирмы «Бритиш Томсон Хаустон» Англия) с щеткодержателями, передающими нажатие на накладки щеток через пластиковый ролик, установленный на оси нажимного рычага. При вибрации щеток в работе осевые отверстия роликов изнашивались, они разрушались и нажатие на накладки щеток осуществлялось осями роликов. Накладки щеток в месте нажатия также изнашивались и ломались. Это могло привести к повреждению вращающегося коллектора, а также перераспределению тока по щеткам и ухудшению коммутации. Замена пластиковых роликов текстолитовыми, выполненная судовым персоналом, сделала удобную в целом конструкцию щеткодержателей еще и надежной.
Аналогичная ситуация при несколько иной конструкции щеткодержателей была и на машинах типа GTKUL финской постройки (на ледоколах типа «Капитан Белоусов»).
На генераторах и ГЭД ледокола «Мурманск» установлены щеткодержатели типа ZRIW 1332СЧ фирмы «Рингсдорф-Верке» (ФРГ). Нажимная планка Г-образной конструкции оконечностью короткого плеча передает нажатие пружины щеткодержателя на щетку, будучи укрепленной на оси в основании длинного плеча. Следовательно, создается изгибный момент относительно оси крепления нажимной планки щеткодержателя. При вибрации щеток и соответствующих перемещениях планок осевые отверстия в них разбиваются, приобретая вид эллипса, планки на осях перекашиваются и заклиниваются. Давление на щетки ослабляется по мере их износа, появляется возможность недопустимого искрения на коллекторах и, как следствие, аварийная ситуация.
На отечественных щеткодержателях типа ДДС в эксплуатации выявилось слабое нажатие и даже зависание отдельных щеток. Оказалось, что пара — стальная ось и бронзовая втулка нажимного рычажка — повреждена коррозией, забивается щеточной пылью и усилие пружины недостаточно для вращения рычажка вокруг оси. По этой причине только на одном из судов в течение года было отремонтировано около 40 щеткодержателей.
Недостатками щеткодержателей типа ДДС являются также быстрый износ пружин, что в сочетании с коррозией осей приводит к неравномерности загрузки и износа щеток, возможности только грубой регулировки нажатия перемещением пружины по храповику.
Некоторые типы электрощеток, применяемые в судовых электрических машинах, ненадежны в работе в условиях вибрации. На рис. 73 представлены накладки типа НК-4 электрощеток типа ЭГ-74 со следами вибрационного наклепа в местах нажатия рычагов щеткодержателей.
В навигацию 1970 г. на электрических машинах линейного ледокола «Ленин» было обнаружено несколько десятков поврежденных накладок, т. е. ГЭУ была в предаварийном состоянии.
Даже способ и место заделки токоведущих жгутиков щеток может влиять на работоспособность электрических машин. Например, в щетках типа ЭГ-51, установленных на некоторых ледоколах типа «Москва», жгутики заделаны способом конопатки под углом к продольным осям щеток. По мере износа таких щеток жгутики касаются корпусов щеткодержателей и при вибрации постепенно перетираются. Это снижает коэффициент использования щеток и создает опасность ухудшения коммутации до аварийной.
Рис. 73. Поврежденные накладки электрощеток типа ЭГ-74.
Расстояния между щеткодержателями и петушками коллекторов должны выбираться с учетом конструкции щеткодержателей, длины жгутиков щеток и способов крепления их к брикетам, исходя из возможности максимального использования щеток и удобств работы с ними. При эксплуатации щеток жгутики не должны касаться петушков. В большинстве конструкций этих узлов данное условие не соблюдается, что создает неудобства при эксплуатации ГЭУ и, как будет показано ниже, иногда приводит к аварийной ситуации.
Рис. 74. Функциональная схема главного тока носового контура среднего ГЭД ледокола «Ленин».
В ГЭУ ледокола «Ленин» при работе в чистой воде сработала максимальная токовая защита носового якоря среднего ГЭД, работавшего с частотой вращения 155 об/мин при напряжении 1100 В и токе 4500 А. Функциональная схема включения носового якоря ГЭД представлена на рис. 74. Обследование электрических машин показало, что сопротивление изоляции их обмоток по отношению к корпусу не ниже 5 МОм, а повреждения заключаются в следующем: на коллекторе ГЭД1 и генераторе Г1 незначительные подгары на некоторых пластинах, щетках и щеткодержателях; на генераторе Г3 многие коллекторные пластины и щеткодержатели оплавлены, на коллекторе и бракетах траверсы — налет копоти, края многих щеток изменили цвет. Осмотр всех восьми бракетов траверсы показал, что на семи из них жгутики щеток касаются вертикальной части коллектора, причем многие жгутики полностью стерты (рис. 75).
Конструктивной особенностью установленных в ГЭУ ледокола генераторов является соединение (пропайка) вертикальной части коллекторных пластин непосредственно со стержнями якорных секций. Медь вертикальной части коллектора не покрывается какой-либо изоляцией или эмалями, что позволяет визуально контролировать состояние паек в местах шлицевых соединений пластин с секциями якорной обмотки.
Рис. 75. Электрощетки с поврежденными токоведущими жгутиками.
Для удобства работы со щетками на нижних бракетах траверсы, особенно при сдвоенных щеткодержателях, на генератор обычно устанавливаются щетки с длиной жгутиков не менее 100 мм. При минимальном расстоянии между щеткодержателями и вертикальной частью коллектора около 18 мм создается опасность соприкасания жгутиков с коллектором, что и произошло в рассматриваемом случае после установки новых щеток (высотой 65 мм). Во время работы генератора жгутики щеток касались вертикальной части коллекторных пластин, уже вышедших из зоны коммутации, что вызвало искрение, а при увеличении таких контактов — явление, близкое к круговому огню. Изменение баланса напряжений и вызванный этим всплеск тока в контуре привели к срабатыванию максимальной защиты и отключению возбуждения на всех электрических машинах контура.
Поврежденный генератор был выключен из схемы.
Ремонтные работы при такой конструкции возможно производить только после остановки турбины. При этом из схемы необходимо выключить и другие генераторы, соединенные с турбиной, т. е. снизить мощность всех ГЭД. Указанное обстоятельство является серьезным недостатком турбогенераторных многовинтовых ГЭУ.
Устранение повреждений в электрических машинах ГЭУ заняло около 8 ч. Очевидно, что судовой персонал мог предотвратить возникновение неисправности известными действиями при установке щеток. Однако отмеченные особенности конструкции токосъемных узлов машины способствовали возникновению аварийного происшествия. В условиях эксплуатации судов (особенно ледоколов) замену щеток требуется осуществлять в кратчайшее время. Поэтому необходимы также конструктивные решения токосъемных узлов, которые исключали бы возможность аналогичных аварийных происшествий и свели к минимуму трудозатраты на замену комплекта щеток.
