BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH RDZENIA STOJANA GENERATORA DUŻEJ MOCY 1. WSTĘP

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 49 Politechniki Wrocławskiej Nr 49 Studia i Materiały Nr Eugeniusz ŚWITOŃSKI*, Jarosław KACZMARCZYK*, Arkadiusz MĘŻYK* wartości własne, stojan generatora, drgania swobodne, metoda elementów skończonych, modelowanie układów dynamicznych BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH RDZENIA STOJANA GENERATORA DUŻEJ MOCY Przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych przeprowadzonych dla modelu stojana generatora synchronicznego 200 MW. Model opracowano z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Przeprowadzone obliczenia umożliwiły wyznaczenie wartości własnych stojana generatora. Prowadzone badania zmierzają do optymalizacji właściwości dynamicznych zawieszenia rdzenia stojana. 1. WSTĘP Konieczność modernizacji generatorów synchronicznych o mocy 200 MW stwarza możliwość podniesienia ich mocy o ok. 15% oraz zwiększenia niezawodności poprzez poprawienie właściwości dynamicznych. Bloki energetyczne o mocy 200 MW były sprowadzane z b. ZSRR bądź produkowane w Polsce na podstawie umowy licencyjnej. Wyniki eksploatacji tych generatorów wykazują, że podstawowym rodzajem uszkodzeń są pęknięcia połączeń spawanych belek sprężystych do przegród w korpusie stojana oraz pęknięcia samych belek sprężystych. Występują ponadto uszkodzenia zębów skrajnych blach rdzenia stojana oraz pęknięcia zębów dociskowych w płycie prasującej. Badania wykazały, że główną przyczyną wymienionych uszkodzeń były drgania rdzenia stojana, o częstotliwości sił elektrodynamicznych (bliskiej 100 Hz). Modernizacja generatorów wymaga wprowadzenia zmian konstrukcyjnych zarówno w wirniku, jak i stojanie. Modernizacja wirników polega na dodaniu jednego zwoju w cewkach uzwojenia wzbudzenia wirnika. Wymaga to zmiany kształtu dna żłobka wirnika, jak również zastosowania nowych materiałów izolacyjnych. Dodatkowe zmiany dotyczą * Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska w Gliwicach, ul Konarskiego 18a, Gliwice.

2 166 sposobu połączenia kołpaków z cylindrem wirnika. Zazwyczaj zachodzi również konieczność zmian konstrukcyjnych wentylatorów osadzonych na wale wirnika generatora. 2. MODERNIZACJA STOJANA GENERATORA Modernizacja stojana generatora polega głównie na zmianie zawieszenia rdzenia stojana, sposobu prasowania pakietu oraz zmianie mocowania części czołowych uzwojenia. Rdzeń stojana składa się z segmentów blach połączonych z belkami prasującymi. Belki te są zamocowane za pomocą połączenia gwintowego do belek sprężystych, przyspawanych do przegród korpusu stojana generatora. Z obu stron rdzenia stojana znajdują się płyty prasujące blachy rdzenia, na które wywierany jest nacisk płyt dociskowych. Modernizacja rdzenia stojana polega na: zastosowaniu belek sprężystych o mniejszej sztywności, dzięki czemu zostaje obniżona częstotliwość drgań własnych rdzenia stojana, zastosowaniu sprężyn talerzowych w miejsce płyt dociskowych, co umożliwia utrzymanie stałej siły nacisku na blachy rdzenia w czasie eksploatacji generatora. W dotychczasowym rozwiązaniu wyprowadzenia prądowe z uzwojenia stojana były mocowane do wsporników przyspawanych do korpusu stojana. Takie rozwiązanie powodowało powstawanie pęknięć w miejscach mocowania wyprowadzeń prądowych do wsporników. Modernizacja tego węzła konstrukcyjnego polega na zamocowaniu wyprowadzeń do pierścienia, połączonego śrubami z rdzeniem stojana. Zmniejsza to naprężenia w wyprowadzeniach prądowych, spowodowane wydłużeniem termicznym uzwojenia stojana oraz drganiami rdzenia stojana względem jego korpusu. 3. MODEL STOJANA GENERATORA Postać geometryczna stojana generatora została zamodelowana w systemie MSC/Patran. Przy opracowaniu modelu stojana przyjęto założenie, że rdzeń stojana zamocowano w idealnie sztywnym korpusie. Elementami łączącymi rdzeń z korpusem są belki sprężyste, specjalne podkładki dystansowe i odpowiednie śruby mocujące. Kolejne uproszczenia przyjęte w modelu dyskretnym sprowadzają się do pominięcia elementów małych w porównaniu z wymiarami stojana generatora (np. zaokrąglenia krawędzi, zaokrąglenia między powierzchniami, gwintowane otwory na śruby). Pominięcie tych elementów było konieczne ze względu na możliwość powstania błędu podczas dyskretyzacji modelu lub obliczeń numerycznych. Błędy mogą powstać na skutek zbyt dużych dysproporcji wymiarów elementów skończonych, którymi modelowano by części małe w porównaniu do cech geometrycznych elementów skończonych modelujących części o wymiarach znaczących. Model fizyczny stojana generatora zbudowano, wykorzystując elementy belkowe, bryłowe cztero-, ośmio- i dwunastowęzłowe oraz przejściowe elementy przestrzenne: belka bryła. W skład modelu obliczeniowego stojana generatora wchodzą następujące zespoły:

3 1. Rdzeń stojana wraz z uzwojeniem w części żłobkowej, zbudowany z elementów bryłowych, połączony z belkami prasującymi blachy rdzenia. W modelu przyjęto zastępczą gęstość i moduł Younga dla elementów uzwojeń wykonanych z różnych materiałów (miedź, izolacja żłobkowa), wyznaczone na drodze doświadczalnej. 2. Czoła uzwojenia stojana zbudowane z elementów belkowych. Do opracowania kształtu czół uzwojenia stojana wykorzystano program obliczeń komputerowych, opracowany na podstawie opisu analitycznego kształtu czół uzwojeń stojanów maszyn indukcyjnych dużej mocy [1]. 167

4 168 Rys.1. Model czół uzwojenia stojana Fig 1. Model of end winding Rys. 2. Ogólny widok modelu rdzenia stojana Fig. 2. Main view of stator iron model 3. Belki prasujące blachy rdzenia stojana połączone z modelem rdzenia stojana. 4. Belki sprężyste, zamodelowane jako belki połączone z belkami prasującymi i podparte na podporach sztywnych w miejscu spawania do korpusu stojana. 5. Model pierścieni usztywniających czoła uzwojenia stojana, zbudowany z elementów bryłowych i dociskowej sprężyny talerzowej. Ogólny widok modelu rdzenia stojana wraz z jego uzwojeniem i usztywnieniem przedstawiono na rysunku 2. Model stojana generatora podparto w miejscu połączeń belek sprężystych z korpusem generatora, traktując tym samym korpus jak element idealnie sztywny. Opracowany model stojana generatora został podzielony na elementy skończone połączone w węzłach, co odpowiada ponad stopni swobody. 4. WYNIKI WSTĘPNYCH OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH W celu wyznaczenia częstotliwości drgań własnych przeprowadzono obliczenia numeryczne, wykorzystując moduł liczący MSC/Nastran. Obliczenia wstępne wykonano, uwzględniając tylko masę własną rdzenia stojana wraz z masą części żłobkowej uzwojenia stojana i masę belek prasujących blachy rdzenia stojana.

5 169 Rys. 3. Przykładowa postać drgań własnych rdzenia stojana Fig. 3. An example of eigemode shape Wyniki obliczeń częstotliwości drgań własnych podano w tabeli 1, a przykładową postać drgań na rysunku 3. Tabela 1. Częstotliwości drgań własnych dla rdzenia stojana generatora z uzwojeniem bez czół Lp. Wartości częstotliwości drgań własnych [Hz] 1 78, , , , , , , , ,00

6 WNIOSKI Przedstawione wyniki obliczeń numerycznych mają charakter wstępny. Autorzy prowadzą dalsze prace nad rozbudową modelu o części czołowe uzwojeń. Opracowywany z wykorzystaniem metody elementów skończonych model stojana generatora umożliwi: wyznaczenie częstości drgań swobodnych stojana generatora, wyznaczenie odpowiadających im postaci drgań, badanie wpływu cech konstrukcyjnych zawieszenia rdzenia na częstości drgań własnych, optymalny dobór cech konstrukcyjnych zawieszenia rdzenia stojana, zapewniający minimalizację amplitud drgań. Dotychczas przeprowadzone symulacje komputerowe potwierdzają poprawność założeń przyjętych w procesie modelowania oraz zastosowanych metod badawczych. Badania powinny być kontynuowane w zakresie rozbudowy modelu oraz analizy wrażliwości i optymalizacji charakterystyk dynamicznych stojana generatora. LITERATURA [1] DRAK B., Zagadnienia elektromechaniczne czół uzwojeń stojanów maszyn indukcyjnych dużej mocy, Zesz. Nauk. Pol. Śl., Elektryka, 1998, z. 163, Gliwice. [2] OSIŃSKI Z., Teoria drgań, Warszawa, PWN, [3] PARSZEWSKI Z., Drgania i dynamika maszyn, Warszawa, WNT, [4] ZIENKIEWICZ O.C., Metoda elementów skończonych, Warszawa, Arkady, ANALYSIS OF DYNAMIC FEATURES OF STATOR IRON OF HIGH POWER GENERATOR The results of numerical calculations made for the model of stator of synchronous generator 200 MW, have been presented in the paper. The model has been elaborated using finite elements method. The calculations of eigenvalues of stator have been carried out. The aim of investigations is to optimise the dynamic features of stator iron suspension. Badania finansowane przez Komitet Badań Naukowych w ramach projektu nr 7T07A , realizowanego w latach