OPRACOWANIE METODYKI BADAŃ DIAGNOSTYCZNYCH WIRNIKÓW GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH

POLITECHNIKA OPOLSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI OPOLE AUTOREFERAT PRACY DOKTORSKIEJ OPRACOWANIE METODYKI BADAŃ DIAGNOSTYCZNYCH WIRNIKÓW GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH mgr inż. Józef Biela Promotor: dr hab. inż. Krystyna Macek Kamińska Profesor Politechniki Opolskiej Opole 2008

SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie... 2 1.1. Cel pracy, sformułowanie problemu... 3 1.2. Teza pracy... 3 1.3. Zakres pracy, rozwiązanie problemu... 4 2. Wirnik generatora synchronicznego jako element maszyny elektrycznej... 7 3. Wirnik generatora synchronicznego jako element maszyny krytycznej... 11 4. Eksploatacja i diagnostyka wirników generatorów synchronicznych... 16 5. Przepisy i normy dotyczące badań i eksploatacji (generatorów) wirników generatorów synchronicznych... 17 6. Próby i badania diagnostyczne wirników generatorów synchronicznych... 21 7. Klasyfikacja i weryfikacja badanych wirników jako rzeczywistych modeli obiektów przeprowadzonych badań... 22 8. Odwirownia wirników odpowiednie stanowisko badań diagnostycznych wirników generatorów synchronicznych... 24 9. Metodyka badań diagnostycznych wirników generatorów synchronicznych... 25 10. Badania diagnostyczne wirników przeprowadzone w trakcie ich eksploatacji... 28 11. Podsumowanie... 29 12. Literatura... 31 1

1. Wprowadzenie Wirniki dużych maszyn elektrycznych a szczególnie maszyn krytycznych tj. takich, które w zakresie rozruchu do prędkości obrotowej znamionowej posiadają prędkości obrotowe krytyczne (rezonansowe), podlegają częstym np. corocznym przeglądom lub remontom. Taka eksploatacja wirników dużych maszyn elektrycznych jest bardzo kosztowna. Eksploatacja nie jest przedsięwzięciem jednorazowym, ale działalnością długotrwałą. Powinna ona umożliwiać więc uzyskanie długotrwałych korzyści, z czym wiąże się pojęcie jej efektywności ekonomicznej. Postanowiono zredukować, jak tylko technicznie jest to możliwe, koszty eksploatacji i remontu dużych wirników maszyn elektrycznych jakimi są wirniki generatorów synchronicznych np. na etapie zdawczo - odbiorczym wirników przeznaczonych do eksploatacji w zakładach wytwórczych i remontowych. W tym celu zaadaptowano poprzez przebudowę sprzętową i programową stanowisko wyważarki dynamicznej wirników w Odwirowni. Ze względów techniczno - ekonomicznych istnieje potrzeba opracowania uniwersalnej metodyki badań i stanowiska diagnostycznego wirników generatorów synchronicznych, które umożliwiałoby sprawdzenie ich przydatności do długotrwałej i niezawodnej eksploatacji. Diagnostyka techniczna maszyn, a szczególnie diagnostyka wirników dużych maszyn elektrycznych jakimi są wirniki generatorów synchronicznych w swym dorobku posiada wiele cennych wniosków i metod badawczych, które umożliwiają sprawdzenie ich parametrów elektromechanicznych oraz ocenę ich przydatności do długotrwałej i niezawodnej eksploatacji. Diagnostyka i badania te są możliwe do przeprowadzenia zarówno na etapie produkcji wirników jak również ich remontów czy modernizacji. W niniejszym opracowaniu dorobek wnioskowania diagnostycznego i metod badawczych zostanie przedstawiony na przykładzie wirników dużych maszyn synchronicznych. Dlatego też z posiadanego doświadczenia diagnostycznego i eksploatacyjnego można stwierdzić, że metody diagnostyczne sprawdzone i przydatne dla wirników dużych maszyn synchronicznych (generatorów) będą również odpowiednie dla diagnostyki pozostałych typów dużych maszyn elektrycznych. Diagnostyka wirników dużych maszyn synchronicznych zawiera całą paletę badań i prób umożliwiających sprawdzenie ich parametrów elektromechanicznych, a obejmująca między innymi zagadnienia: dynamiki maszyn wirnikowych, izolacji głównej i międzyzwojowej oraz cieplno wentylacyjne. Odpowiednio przeprowadzone wnioskowanie diagnostyczne umożliwia długotrwałą i niezawodną eksploatację wirników a tym samym elektrycznych maszyn wirujących (generatorów synchronicznych) co ma również ogromne znaczenie ekonomiczne obniżające koszty eksploatacji (maszyny) wirnika. Koszty jako parametr ekonomiczny są bowiem istotnym miernikiem efektywności realizowanego procesu eksploatacji (maszyny) wirnika, przebiegającego od etapu inwestycji do etapu wycofania maszyny z eksploatacji. 2

1.1. Cel pracy, sformułowanie problemu. W ramach diagnostyki technicznej maszyn, ze względów technicznych i ekonomicznych, istnieje potrzeba opracowania uniwersalnej metodyki oraz zaprojektowanie i wyposażenie stanowiska diagnostycznego wirników generatorów synchronicznych, które umożliwiałoby sprawdzenie ich parametrów elektromechanicznych oraz jednoznaczną ocenę ich przydatności do długotrwałej i niezawodnej eksploatacji. Diagnostyka i ocena tych wirników powinna być przeprowadzana na etapie zdawczo odbiorczym z ich produkcji, remontu lub modernizacji. 1.2. Teza pracy. Na podstawie aktualnego stanu wiedzy można by sformułować następującą tezę pracy: Możliwe jest opracowanie metodyki badań wirników generatorów synchronicznych, która w połączeniu z odpowiednio zaprojektowanym stanowiskiem diagnostycznym pozwoli na sformułowanie kryteriów oceny przydatności badanych wirników do długotrwałej i niezawodnej pracy. Problem naukowy związany z postawionym tematem polega na opracowaniu określonego programu badań diagnostycznych, który umożliwia przede wszystkim: - uformowanie i uspokojenie dynamiczne wirnika, - swobodę ruchów termicznych uzwojenia, - przygotowanie wirnika do częstych cykli rozruchowo wybiegowych, - długotrwałą eksploatację generatorów w zmiennym zakresie obciążenia. 3

1.3. Zakres pracy, rozwiązanie problemu. Generatory synchroniczne, w praktyce eksploatacyjnej, najczęściej są wykorzystywane jako wytwornice energii elektrycznej przesyłanej do systemu elektroenergetycznego. Z praktycznego wykorzystywania generatorów synchronicznych do wytwarzania (produkcji) energii elektrycznej oraz uwarunkowań techniczno ekonomicznych tej długotrwałej działalności, ściśle są powiązane niezawodność eksploatacyjna generatorów synchronicznych oraz ich opłacalność eksploatacji. Problematyka ta jest bardzo złożona, gdyż generator synchroniczny prawie nigdy nie jest eksploatowany jako samodzielna maszyna elektryczna lecz stanowi on jedynie jeden z elementów zespołu wielomaszynowego tak zwanego turbozespołu, w skład którego wchodzą: kilka stopni turbiny (najczęściej 3 stopnie - turbiny), generator synchroniczny oraz wzbudnica. Wirniki wszystkich tych składowych maszyn turbozespołu są połączone ze sobą razem poprzez sprzęgła, tworząc jeden wielowirnikowy wał, ułożyskowany na wielu łożyskach ślizgowych. Każda z maszyn składowych turbozespołu jest maszyną krytyczną, a ich wirniki posiadają różne prędkości rezonansowe, co przy rozruchach i wybiegach wirnika turbozespołu sprawia problemy eksploatacyjne. Wygląd standardowego turbozespołu, w skład którego wchodzi generator synchroniczny przedstawiono na rysunku 1.1. Praktyka eksploatacyjna wykazuje, że wirniki generatorów synchronicznych spełniają dominującą rolę we własnościach dynamicznych całego wielowirnikowego wału turbozespołu i to zmieniającą się w czasie eksploatacji z różnych przyczyn eksploatacyjnych. Z tych też powodów, wirniki składowe wału turbozespołu a szczególnie wirniki generatorów synchronicznych, podlegają częstym np. corocznym przeglądom lub remontom. Taka eksploatacja wirników dużych maszyn elektrycznych jest bardzo kosztowna. Autor rozprawy miał możliwość, przez okres kilkudziesięciu lat, obserwacji tych zjawisk, możliwość dokonywania pomiarów i badań diagnostycznych zarówno podczas eksploatacji, produkcji oraz remontów generatorów synchronicznych tj. obiektów rzeczywistych w ich normalnym środowisku eksploatacji. Z wyników przeprowadzonych badań oraz wnioskowania diagnostycznego, zrodził się pomysł cel opracowania uniwersalnej metodyki badań a także zaprojektowania i wyposażenia stanowiska diagnostycznego. Pomysł ten stanowi cel przedstawianej rozprawy doktorskiej. 4

Rys. 1.1. Wygląd standardowego turbozespołu, w skład którego wchodzi generator synchroniczny, zamontowanego w maszynowni elektrowni [58]. Rys. 1.2. Schematycznie (poglądowo) przedstawiony wał wielowirnikowy turbozespołu, w skład którego wchodzi między innymi wirnik generatora synchronicznego oraz miejsca możliwego pomiaru bezdotykowego drgań wału [10]. 5

wirników generatorów synchronicznych, które umożliwiałoby sprawdzenie ich parametrów elektromechanicznych oraz jednoznaczną ocenę ich przydatności do długotrwałej i niezawodnej eksploatacji. Zamysł autora, z każdym mijającym rokiem badań i wnioskowania diagnostycznego, stawał się bardziej realny wraz z rozwojem aparatury pomiarowo diagnostycznej. W początkowym okresie, do badań diagnostycznych, były dostępne jedynie analogowe jednokanałowe stacjonarne i przenośne przyrządy do pomiaru drgań bezwzględnych obudów łożysk i części stałych (nie obracających się) korpusów. Z upływem czasu pojawiła się coraz doskonalsza aparatura pomiarowo diagnostyczna w oparciu o technikę elektroniczną i cyfrową. W technice cyfrowej producenci aparatury zaoferowali, między innymi, możliwość korzystania z przenośnej aparatury pomiarowo diagnostycznej wielokanałowej (np. 16 kanałów pomiarowych + sygnał odniesienia) umożliwiającej wielokanałową jednoczesną akwizycję, przetwarzanie i archiwizację mierzonych on line sygnałów diagnostycznych. Pojawiła się również możliwość przemysłowo eksploatacyjnego wykorzystania czujników bezdotykowych wiroprądowych do pomiarów diagnostycznych wałów wirników, co między innymi zostało poglądowo zaprezentowane na rysunku 1.2. Autor, wykorzystując posiadane uprawnienia, doświadczenie i wiedzę, uczestniczył w budowie i uruchomieniu Odwirowni wirników generatorów (bliżej opisanej w rozdziale 8 rozprawy), w której to została zamontowana i uruchomiona specjalistyczna wyważarka dynamiczna o podporach łożyskowych izotropowych, umożliwiających dynamiczne wyważanie wirników elastycznych (giętkich). Korzystając z długoletniego doświadczenia i możliwości wnioskowania diagnostycznego w oparciu o pomiary i badania na obiektach rzeczywistych, autor sprecyzował tezę zawartą w niniejszej rozprawie a następnie wykorzystując zdobywaną wiedzę przystąpił do naukowego rozwiązania tak sformułowanego problemu i udowodnienia tezy pracy. W tym celu autor przeprowadził badania diagnostyczne połączone z wnioskowaniem diagnostycznym na 274 sztukach różnej wielkości i różnych typów wirników generatorów synchronicznych rzeczywistych modeli obiektów, których dotyczyła teza pracy. Zwykle badania diagnostyczno naukowe i rozwiązywanie problemów naukowych związanych z tematyką pracy (tj. dużych elektrycznych maszyn synchronicznych) wykonuje się z wykorzystaniem modeli matematycznych maszyn elektrycznych oraz badań symulacyjnych różnych stanów pracy. 6

2. Wirnik generatora synchronicznego jako element maszyny elektrycznej. W klasycznej budowie, twornik maszyny synchronicznej o ferromagnetycznym obwodzie magnetycznym ma symetryczne m fazowe uzwojenie rozłożone strefowo w żłobkach pakietu blach, które odpowiada analogicznym uzwojeniom maszyn asynchronicznych. Przy klasycznej budowie maszyny synchronicznej twornik jest z reguły stojanem (statorem) rysunek 2.1 a,b. Wyprowadzenie uzwojeń twornika odbywa się bez zestyku wirującego. W szczególnych przypadkach, w tzw. maszynach o budowie odwróconej, stosuje się twornik wirujący (rys. 2.1.c). Powszechnie są stosowane symetryczne rozłożone strefowo uzwojenia trójfazowe, przy czym z reguły nie jest wyprowadzony przewód neutralny. Uzwojenia są skojarzone najczęściej w gwiazdę [72,88]. Magneśnica maszyny synchronicznej ma uzwojenie wzbudzenia zasilane ze źródła wzbudzenia (np. ze wzbudnicy). W normalnym stanie pracy maszyny synchronicznej prąd wzbudzenia jest prądem stałym, wytwarzającym nieruchomy względem magneśnicy przepływ wzbudzenia. Przepływ wzbudzenia wiruje względem uzwojenia twornika indukując w nim napięcie o elektrycznej częstotliwości wirowania. Obwód uzwojenia wzbudzenia nie jest w ogólnym przypadku jedynym obwodem elektrycznym magneśnicy. Magneśnica może mieć uzwojenie tłumiące rozłożone w żłobkach podobnie, jak uzwojenie klatkowe maszyny indukcyjnej. Uzwojenie to stanowi niezasilany obwód elektryczny bądź zbiór obwodów zwartych, w których prąd może być wytworzony przez indukcję elektromagnetyczną. W odróżnieniu od twornika, w którym twornikowy składnik obwodu magnetycznego jest utworzony z pakietu blach, izolowanych wzajemnie w celu zmniejszenia strat na przemagnesowanie, ferromagnetyk magneśnicy w normalnym stanie pracy przewodzi strumień stały. Magneśnica w całości lub fragmentach może być z tego powodu wykonana z litej stali stanowiące środowisko, w którym prądy wirowe mogą być wytworzone przez indukcję elektromagnetyczną. W przypadkach niesymetrycznej pracy ustalonej, bądź w stanach nieustalonych, strumień przenikający przez magneśnicę zmienia się w czasie powodując indukowanie prądów w niezasilanych obwodach elektrycznych bądź prądów wirowych w litych elementach magneśnicy, które oddziałują na zjawiska elektromagnetyczne w maszynie. Nie wszystkie wymienione obwody elektryczne magneśnicy muszą istnieć w maszynie synchronicznej. Przy litej magneśnicy czasem rezygnuje się z uzwojeń tłumiących. 7

Rys. 2.1. Budowa maszyny synchronicznej: a) magneśnica wirnik z biegunami wydatnymi, b) magneśnica wirnik z biegunami utajonymi, wirnik lity, c) budowa odwrócona twornik ruchomy, magneśnica stała[88]. Przy klasycznej budowie maszyny synchronicznej magneśnica jest wirnikiem, napięcie wzbudzenia doprowadza się więc zwykle przez szczotki przylegające do dwóch izolowanych od wału pierścieni ślizgowych, do których są przyłączone końce uzwojenia wzbudzenia. Istnieją rozwiązania bezszczotkowego zasilania uzwojenia wzbudzenia ze wzbudnic prądu przemiennego z wirującymi prostownikami [88]. W maszynie o budowie odwróconej magneśnica jest stojanem, wówczas napięcie wzbudzenia jest doprowadzane do uzwojenia bezzestykowo (rys. 2.1.c) a prąd twornika zbierany jest ze szczotek. Można wyróżnić dwa charakterystyczne typy wykonania magneśnicy wirującej: z biegunami wydatnymi i z biegunami utajonymi. Magneśnicę z biegunami wydatnymi cechuje większa permeancja dla strumienia przenikającego w osi uzwojenia wzbudzenia (osi wzdłużnej d magneśnicy) a mniejsza w osi doń symetralnej (osi elektrycznie poprzecznej q). Uzwojenie wzbudzenia jest skupione na rdzeniach biegunowych i jest umocowane przez nabiegunniki (rys. 2.1.a), które przenoszą siły odśrodkowe wirujących uzwojeń. W żłobkach nabiegunników mieści się uzwojenie klatki tłumiącej połączone wspólnymi pierścieniami zwierającymi bądź tylko segmentami zwierającymi (niepołączonymi między sobą). Połączone dwustronne pierścienie zwierające ułatwiają pożądaną symetrię własności tłumiących w osi d i q magneśnicy. Własności tłumiące wynikają z 8

indukowania się prądów od składowej zmiennej strumienia przenikającego przez magneśnice wzdłuż osi d i q. Maszyny synchroniczne dużej mocy (generatory synchroniczne) z wielobiegunową magneśnicą z biegunami wydatnymi są z reguły wolnoobrotowe, przy czym jako generatory są zwykle napędzane turbinami wodnymi (hydrogeneratory). Większość silników synchronicznych (z wyjątkiem silników szybkoobrotowych) ma magneśnice z biegunami wydatnymi. W szczególnym przypadku maszyna synchroniczna o magneśnicy z biegunami wydatnymi może pracować jako maszyna reluktancyjna bez uzwojenia wzbudzenia. Magneśnica z biegunami utajonymi ma uzwojenie wzbudzenia rozłożone w żłobkach zajmujących przeważnie tylko 2/3 obwodu wirnika (rys. 2.1.b). Cylinder wirnika maszyny dużej mocy jest z reguły wykonany z odkuwki stalowej, w której są wyfrezowane żłobki. Uzwojenie wzbudzenia jest umocowane w żłobkach wirnika za pomocą klinów (wykonanych zwykle z brązu bądź duraluminium), a na czołach za pomocą kołpaków stalowych (kap) bądź bandaży. Bezpośrednio pod klinami może być ponadto umieszczone uzwojenie klatki tłumiącej wykonane z płaskowników miedzianych, które tworzą pod kołpakiem krańcowym pierścień zwierający przylegający do izolowanych czół uzwojenia wzbudzenia. Kołpaki krańcowe są zwykle osadzone na skurcz z jednej strony na tarczach centrujących na wale maszyny, a z drugiej na osadzeniu cylindra wirnika (beczki wirnika). Istnieją konstrukcje wirników, w których kołpaki krańcowe są osadzone na skurcz tylko na beczce wirnika (tzw. wolno wiszące kapy) [88]. Kliny brązowe i zęby stalowe uzupełniają działania uzwojenia klatki tłumiącej. Generatory synchroniczne objęte tematem niniejszej pracy są zasilane poprzez turbiny oraz poprzez układy napędowe wykorzystujące energię atomową i stanowią one zespół (turbozespół) wielomaszynowy (wielowirnikowy). Całkowity wał takiego zespołu (turbozespołu) składa się z wielu kadłubów wirników połączonych poprzez sprzęgła w jedną całość, podpartą na kilku do kilkunastu łożyskach (podporach łożyskowych), a jego całkowita długość dochodzi do 70 metrów. Z punktu widzenia dynamiki maszyn, duże maszyny synchroniczne (generatory synchroniczne) są maszynami krytycznymi, a ich wirniki wymagają modalnego wyważania dynamicznego dla uzyskania prawidłowego i dopuszczalnego ich stanu wibroakustycznego. W praktyce eksploatacyjnej spotyka się najwięcej wirników o konstrukcji walcowej, które to wirniki skupiają całą paletę właściwości i problemów elektromechanicznych, dynamicznych i cieplnych. Przedstawienie zagadnień zawartych w tezie pracy będzie zaprezentowane na przykładzie tego typu rozwiązania konstrukcyjnego, gdyż wszystkie 9

aspekty i metodyka poprawna dla tego rozwiązania konstrukcyjnego jest również odpowiednia dla wszystkich innych rozwiązań konstrukcyjnych wirników generatorów. Jak powyżej napisano, w większości przypadków wirniki generatorów synchronicznych mają budowę w kształcie wydłużonego walca. W części środkowej posiadające rdzeń (beczkę) o największej w tym miejscu średnicy dochodzącej do 1,5 m. Po obu stronach beczki, walec wał wirnika przechodzi w znacznie mniejszą średnicę dochodzącą do 0,5 metra i są to końcówki czopowe wirnika [13,14,31]. Rys. 2.2. Wygląd wirnika generatora synchronicznego średniej wielkości [13]. Masa wirników waha się od 3000 do 80000 kg. Odległość miejsc łożyskowania wirnika waha się od 3,0 m do 12,0 m przy całkowitej długości wirnika dochodzącej do 15,0 metrów. W praktyce eksploatacyjnej spotyka się dwa rodzaje budowy wirników: wirniki o 1 parze biegunów magnetycznych, eksploatowane przy 3000 obr/min dla 50 Hz i 3600 obr/min dla 60 Hz; oraz wirniki o 2 parach biegunów magnetycznych, eksploatowane przy 1500 obr/min dla 50 Hz i 1800 obr/min dla 60 Hz. Budowane i eksploatowane są również wirniki generatorów o nieco innej budowie tj. o konstrukcji dzielonej, z beczką rdzeniem w kształcie elipsy w przekroju poprzecznym oraz generatory dwu wirnikowe o ruchu przeciwbieżnym. 10

3. Wirnik generatora synchronicznego jako element maszyny krytycznej. Wirnik generatora synchronicznego jest elementem elektrycznej maszyny wirującej tj. takiej maszyny, w której co najmniej jeden z elementów wykonuje ruch obrotowy i ma on decydujące znaczenie dla realizowanego procesu technologicznego, którym jest wytwarzanie energii elektrycznej a także dla dynamiki maszyny. Wytwarzaniu energii elektrycznej przez generatory synchroniczne poprzez jej przekształcanie z energii cieplno mechanicznej w elektryczną towarzyszą niepożądane ruchy maszyny zwane drganiami. Drgania niepotrzebnie zużywają energię, obniżają jakość realizowanego procesu wytwarzania energii elektrycznej, zagrażają zdrowiu i bezpieczeństwu personelu a nawet mogą doprowadzić do awaryjnego zniszczenia maszyny elektrycznej (generatora)[50]. Ze względów technicznych i ekonomicznych należy skupić się na analizie drgań maszyny (generatora) i metod ich eliminowania. W maszynach elektrycznych (generatorach) przeważnie wirnik jest jedynym ruchomym elementem maszyny, a więc jedynym źródłem zjawisk dynamicznych w maszynie wirnikowej. Z punktu widzenia dynamiki rozróżnia się wirniki sztywne i wirniki giętkie [37,67,68]. Kryterium podziału wirników na wirniki sztywne i wirniki giętkie jest istnienie krytycznej prędkości obrotowej wirnika. Jeśli podczas uruchamiania wirnika ze stanu spoczynku do prędkości obrotowej znamionowej nie występują prędkości rezonansowe, to znaczy nie ma prędkości obrotowych krytycznych, to taki wirnik jest wirnikiem sztywnym. Dla wirnika sztywnego stan niewyważenia nie zależy od prędkości obrotowej. Jeśli natomiast podczas uruchamiania wirnika ze stanu spoczynku do prędkości obrotowej znamionowej występują prędkości rezonansowe, to znaczy wirnik posiada prędkości obrotowe krytyczne, to taki wirnik jest wirnikiem giętkim. Dla wirnika giętkiego stan niewyważenia jest zależny od prędkości obrotowej wirnika. W publikacjach z różnych krajów, wirniki giętkie nazywane są również wirnikami gibkimi lub wirnikami elastycznymi, ale z punktu widzenia dynamiki ich właściwości są takie same. Minimalizację stanu niewyważenia czyli wyważanie dla wirnika sztywnego można wykonać przy dowolnej prędkości obrotowej wirnika, natomiast dla wirnika giętkiego procesu wyważania należy dokonać w całym zakresie prędkości obrotowej wirnika. W maszynach wirnikowych, często wirnik jest jedynym ruchomym elementem maszyny, a więc jedynym źródłem jej zjawisk dynamicznych. 11

Praktyka inżynierska wykazała, że dla maszyn krytycznych posiadających wirniki giętkie (gibkie, elastyczne), najwygodniejsza, dla eliminacji niewyważenia, okazała się analiza modalna. W metodzie tej, obliczanie obrotów krytycznych wirnika wymaga poszukiwania częstości własnych odpowiedniego problemu brzegowego. Następnie, zadanie rozwiązuje się w sposób rutynowy, za pomocą gotowych programów komputerowych. Analiza modalna, rozwinięta w teorii drgań, jest wygodnym narzędziem badania stacjonarnych, a zwłaszcza niestacjonarnych ruchów okresowych, jakie występują w układach sprężystych o wielu stopniach swobody. Znajduje ona zastosowanie także w dynamice układów ciągłych, ale motywem niniejszego rozdziału jest zastosowanie analizy modalnej podczas wyważania dynamicznego wirników giętkich i formowaniu ich charakterystyki dynamicznej. Poza bardzo małymi gabarytowo jednostkami, prawie wszystkie wirniki generatorów synchronicznych, są wirnikami gibkimi. Wszystkie wirniki generatorów synchronicznych nie pracują (obracają się) samodzielnie lecz są połączone poprzez sprzęgła w wielkogabarytowy wielowirnikowy wał turbozespołu. Problemy eksploatacyjne takiego wielokadłubowego wału potęguje fakt, że każdy z połączonych wirników jest wirnikiem gibkim o odmiennych prędkościach krytycznych od pozostałych wirników takiego wielowirnikowego wału wirnika turbozespołu. Przy zapewnianiu poprawnych parametrów eksploatacyjnych, wielokadłubowego wału wirników, trzeba mieć świadomość tych wzajemnych oddziaływań na siebie poszczególnych wirników. Turbogenerator dużej mocy złożony jest z turbiny wielokadłubowej (wielostopniowej), generatora oraz wzbudnicy. Wał wirnika turbozespołu jest więc złożony z kilku wzajemnie sprzęgniętych odcinków (wirników), a łączna jego długość może osiągnąć około 70 metrów. Całość podparta jest w kilku lub kilkunastu podporach łożyskowych. Wirnik generatora synchronicznego, jako element składowy takiego wału, jest elementem o największej masie oraz jest najbardziej elastycznym (giętkim). Wszystkie te powyższe uwarunkowania i cechy są bardzo istotne przy przeprowadzaniu wyważania dynamicznego wirnika generatora synchronicznego. 12

Rys. 3.1. Zginanie wirnika gibkiego [67]. Uwarunkowania te można, między innymi, zaobserwować na rysunku 3.1 przedstawiającym dynamiczne zginanie wirnika. Na rysunku tym przedstawiono wirnik generatora 3.1a, którego niewywagę N wyważono w dwóch dowolnych płaszczyznach korekcji, przy prędkości obrotowej mniejszej od pierwszej prędkości krytycznej, poprzez założenie dwóch mas N/2. Przy dużych prędkościach obrotowych niewyważenia te wywołują w wirniku momenty gnące, których wykres pokazano na rysunku 3.1b, a powstałe w ten sposób momenty zginają wirnik tak, jak to przedstawiono na rysunku 3.1c. Przy zwiększaniu prędkości obrotowej wirnika, w wirniku powstaje dodatkowe niewyważenie, które zmieniają się z prędkością obrotową wirnika. Maksimum niewyważenia a zarazem zginania nastąpi przy kolejnych prędkościach krytycznych wirnika. W praktyce eksploatacyjnej, ważne są tylko prędkości krytyczne i postacie drgań własnych mniejsze od największej prędkości roboczej wirnika oraz najbliższa większa od niej prędkość krytyczna. Cechy te są również bardzo istotne w procesie wyważania dynamicznego wirnika generatora, tym bardziej, że każda prędkość krytyczna wirnika jest równa jego częstotliwości drgań własnych. Przy obracaniu wirnika i przechodzeniu przez prędkość krytyczną pojawia się rezonans mechaniczny, przy którym amplitudy drgań łożysk wirnika osiągają wartości maksymalne. Prędkości krytyczne i odpowiadające im dynamiczne linie ugięcia można obliczyć dla dowolnego wirnika, jeżeli znane są doświadczalne wartości stałych sprężystości podpór łożyskowych. Obliczane i zmierzone wartości pierwszej prędkości krytycznej przeważnie różnią się niewiele. Różnica ta jest znacznie większa przy drugiej prędkości krytycz- 13

nej, natomiast obliczone wartości następnych prędkości krytycznych należy już uważać za orientacyjne. Początkowe niewyważenie wirnika jest określone przestrzenną krzywą mimośrodowości. Zaś dowolne niewyważenie dynamiczne wirnika można uważać za złożenie geome- Rys. 3.2. Pełny cykl wyważania wirnika generatora synchronicznego w pięciu płaszczyznach korekcji niewyważenia dynamicznego [67]. tryczne nieskończonej liczby postaci niewyważenia. Obrazem dowolnego dynamicznego niewyważenia wirnika jest przestrzenna kinetostatyczna linia ugięcia zmieniająca amplitudę i fazę w zależności od prędkości obrotowej (kątowej) wirnika. Dlatego też dynamiczne wyważanie wirników giętkich (elastycznych) w zasadniczy sposób różni się od wyważania wirników sztywnych. Przy wyważaniu wirników sztywnych zadanie polega na zmniejszeniu do wartości dopuszczalnych reakcji na łożyskach wywołanych niewyważeniem początkowym, natomiast przy wyważaniu wirników giętkich trzeba jeszcze dodatkowo usunąć kinetostatyczne ugięcie wirnika i zmniejszyć do minimum występujące w nim momenty gnące tj. przeprowadzić tzw. formowanie charakterystyki dynamicznej wirnika. Właściwą do tego celu metodą jest wyważanie dynamiczne wirników giętkich w całym zakresie zmienności prędkości obrotowych. Cały 14

proces wyważania składa się z operacji wyważania poszczególnych postaci niewyważenia. Proces taki przedstawiono na rys. 3.2, dla którego operacje wyważania wykonuje się przy kolejnych prędkościach krytycznych wirnika i dzięki temu usuwa się jego przestrzenne ugięcie kinetostatyczne odpowiadające kolejnym postaciom własnym. W procesie tym masy korekcyjne rozmieszcza się w wielu (np. pięciu) płaszczyznach na całej długości wirnika, wyważając w ten sposób kolejną postać ugięcia przy poszczególnych prędkościach krytycznych wirnika. Rys. 3.3. Płaszczyzny wyważania wirnika generatora [19]. Cały proces wyważania wirnika generatora (dużej maszyny elektrycznej) składa się z wyważania wolnoobrotowego i wyważania szybkoobrotowego. Wyważanie wolnoobrotowe wykonuje się przy prędkości obrotowej, przy której wirnik giętki zachowuje się jeszcze jak wirnik sztywny [19,99]. Celem wyważania wolnoobrotowego jest zmniejszenie reakcji na łożyskach do wartości mniejszych od wartości dopuszczalnych innymi słowami zminimalizowanie niewyważenia statycznego. Wyważanie szybkoobrotowe wykonuje się przy prędkości obrotowej, przy której wyważany wirnik nie może być już uważany za sztywny. Celem wyważania szybkoobrotowego jest wyprostowanie kinetostatycznej linii ugięcia wirnika, która powstaje przy prędkościach obrotowych większych od prędkości wyważania wolnoobrotowego. Na rys. 3.3 przedstawiono przykładowe wyznaczone płaszczyzny wyważania (montażu mas korekcyjnych) dla typowego wirnika generatora synchronicznego. Poprawne rozmieszczenie układów mas korekcyjnych w tych płaszczyznach powoduje, że wał wirnika zachowuje dobry stan dynamiczny w całym zakresie zmienności prędkości obrotowej. Wirnik giętki generatora synchronicznego jest poprawnie wyważony dynamicznie o ile jego dobry stan dynamiczny jest zachowany zarówno wtedy kiedy wirnik jest w stanie zimnym (temperatura otoczenia) jak i w stanie gorącym (temperatura pracy generatora), która waha się około 100 o C. 15

4. Eksploatacja i diagnostyka wirników generatorów synchronicznych. Diagnostyka techniczna (gr. diagnosis rozpoznanie) jest dziedziną wiedzy, której celem jest określenie szeroko rozumianego stanu technicznego rozmaitych urządzeń (obiektów technicznych), w tym również ustalenie źródeł ewentualnych niedomagań, ale bez demontażu ich elementów składowych (wg [62]). Rys. 4.1. Miejsce diagnostyki technicznej w naukach o eksploatacji [102]. Jej głównym zadaniem w odniesieniu do eksploatowanych obiektów technicznych jest więc wczesne rozróżnianie, czyli wykrywanie (detekcja) i dokładne rozpoznanie (identyfikacja) powstających uszkodzeń. Powiązania diagnostyki technicznej z problematyką eksploatacji ilustruje rysunek 4.1. Diagnostyka techniczna, jako dziedzina wiedzy, zaczęła się rozwijać w Polsce ponad 30 lat temu. Dla potrzeb poszczególnych obszarów jej zastosowań wypracowano specyficzne metody badań, a nawet terminologię. Nie jest również do końca uzgodniona terminologia; zarówno w języku angielskim jak i polskim. Głównym etapem przygotowania badań diagnostycznych, w tym opracowania nowych metod, są realizowane eksperymenty diagnostyczne. Złożoność współcześnie eksploatowanych obiektów zmusza do przeprowadzenia doświadczeń obejmujących coraz to większą liczbę badanych czynników. 16

Określony w niej program prób i badań wirnika generatora realizowany jest w całym cyklu produkcji, remontu lub modernizacji wirnika a szczególnie na etapie zdawczo odbiorczym, który to umożliwia szybki i nieskrępowany dostęp do wszystkich obszarów badanych wirników oraz umożliwia szybkie usunięcie ewentualnych nieprawidłowości w badanym wirniku, wynikające z negatywnego wyniku badania. Realizowane programowo próby i badania mają umożliwić: - uformowanie i uspokojenie dynamiczne wirnika, - pracę (eksploatację) wirnika przy zmiennej mocy i temperaturze a tym samym umożliwiające swobodę ruchów termicznych uzwojenia wirnika, - przygotowanie wirnika do częstych cykli rozruchowo wybiegowych (szybkie i częste nagrzewanie się i stygnięcie wirnika), - długotrwałą eksploatację generatorów synchronicznych (wirników) w zmiennym zakresie obciążenia. Dla zapewnienia niezawodności i możliwości długotrwałej eksploatacji wirników, na ich etapie wytwórczo remontowym, przeprowadzane są nowoczesne badania diagnostyczne stosowane przy minimalnej konieczności ich demontażu [61,99,100]. Znalezienie właściwej przyczyny drgań (nie zawsze jednoznacznej) eksploatowanego turbogeneratora (generatora synchronicznego) wymaga odpowiedniego doświadczenia, wiedzy i ukierunkowanego wnioskowania diagnostycznego. 5. Przepisy i normy dotyczące badań i eksploatacji (generatorów) wirników generatorów synchronicznych. Wraz z upływem czasu, eksploatowanie generatorów synchronicznych, jako podstawowych źródeł wytwarzanej energii elektrycznej, zmieniają się przepisy i teksty instrukcji ich eksploatacji. Eksploatacja generatorów synchronicznych (turbogeneratorów) jest procesem bardzo złożonym, gdyż nie dotyczy ona tylko jednej maszyny (generatora synchronicznego), ale jest powiązana i uzależniona od potrzeb i uwarunkowań wielu maszyn, eksploatowanych na wspólnym wale połączonych wirników turbozespołu. Dla poprawnego realizowania tak złożonego procesu, jakim jest eksploatacja turbozespołu, opracowywane są odpowiednie instrukcje. Dla potrzeb eksploatacji generatorów synchronicznych opracowano Instrukcję Eksploatacji Generatorów i Kompensatorów Synchronicznych [86,93,106] wraz z różnego rodzaju dodatkami uaktualniającymi jej zakres. Kryteria i czynniki natury techniczno ekonomicznej, eksploatacji generatorów 17

synchronicznych, między innymi takie jak: możliwość długotrwałej eksploatacji generatorów w zmiennym zakresie obciążenia oraz konieczność przystosowania wirników do częstych cykli rozruchowo wybiegowych, zmieniają dotychczasową metodykę eksploatacji i badań (wirników) generatorów synchronicznych. Obecnie w przemyśle elektrotechnicznym obserwuje się wzmożony nacisk na konstruowanie i wytwarzanie nowych układów izolacyjnych, które zapewniają większą niezawodność i lepsze parametry techniczne maszyn. Układy izolacyjne są budowane z użyciem cieńszych warstw izolacji, odpornych na działanie wysokiej temperatury. Wymagania rynku powodują, że czas projektowania nowych układów jest coraz krótszy, proces ich produkcji jest również skrócony dzięki mniejszej liczbie wymaganych operacji lub zmodyfikowanym procesom technologicznym. Od nowych układów izolacyjnych wymaga się pracy przy większym roboczym natężeniu pola elektrycznego. Na wyremontowanych lub zmodernizowanych (wirnikach) generatorach synchronicznych, na etapie ich przekazywania do eksploatacji zostają przeprowadzane po montażowe badania odbiorcze [107,109,110,113,114], których rodzaj i kryteria oceny zawarte są w specjalistycznych opracowaniach i normach. W tym miejscu można by wyliczać szereg kryteriów i norm dotyczących badań diagnostycznych (wirników) generatorów synchronicznych. Dla dbałości o bezpieczeństwo i efektywność badanych a następnie eksploatowanych wirników generatorów a także dla zbadania a następnie potwierdzenia słuszności założeń tezy niniejszej pracy, na wirnikach generatorów w całym ich cyklu wytwórczo eksploatacyjnym, przeprowadza się (i przeprowadzono) szereg badań diagnostycznych. Dla przejrzystości, świadomie pominięto kryteria i normy dotyczące np. badań nieniszczących, prób układów elektroizolacyjnych itp. Skupiono się jednak na badaniach diagnostycznych i normach dotyczących dynamiki wirnika oraz metodyce wyważania dynamicznego wirników giętkich. Wszystkie prowadzone badania diagnostyczne wirników oparto o wytyczne i kryteria norm międzynarodowych serii ISO, rozpoczynając prace nad uspokojeniem dynamicznym wirników generatorów jako wałów giętkich [112]. W ten sposób przeprowadzone badania i opracowaną metodykę badań diagnostycznych zrealizowano w Polsce, a wyniki badań i opracowana metodyka jest wiarygodna i sprawdza się we wszystkich krajach świata. Dowodem tego jest spełnienie podczas wszystkich badań opracowanej metodyki kryteriów norm ISO oraz fakt, że niektóre z badanych wirników były i są z innych krajów 18

świata, a po przeprowadzonych badaniach z zadowoleniem eksploatowanych przez ich właścicieli w macierzystym kraju ich pochodzenia. W tym miejscu należy nadmienić, że wyważanie dynamiczne wirników prowadzone jest na podstawie pomiarów drgań realizowanych w kilku płaszczyznach pomiarowych. W celu zwiększenia efektywności przeprowadzanych badań oraz unowocześnienia i dostosowania metod dokumentowania ich wyników do obowiązujących standardów wdrożono przenośny skomputeryzowany system akwizycji danych diagnostycznych [15]. Stan dynamiczny wirnika turbogeneratora można najczęściej określić za pomocą pomiaru wartości podwójnej amplitudy drgań 2A mierzonych na nieruchomych częściach obudów łożysk, mierzonych w trzech kierunkach. Ze względów technicznych wartość ta mierzona na obudowach łożysk przy znamionowej prędkości obrotowej 3000 obr/min nie może być większa niż 50 µm [91,106]. Bardziej przydatnym parametrem do oceny stanu dynamicznego wirnika turbogeneratora jest prędkość drgań V e, w mm/s. W celu określenia stanu dynamicznego wirników turbogeneratorów na podstawie pomiaru wartości skutecznej prędkości drgań V e, zaleca się stosowanie kryteriów przedstawionych w normach serii ISO [55,56,57,59,91,109,110,111]. Dopuszczalne wartości skuteczne prędkości drgań V e dla wirników turbogeneratorów przedstawiono w tabeli 5.1. Tabela 5.1. Ocena stanu dynamicznego wirnika turbogeneratora [91] Stan dynamiczny wirnika turbogeneratora Dopuszczalna wartość skuteczna prędkości drgań V e w [mm/s] dobry V e 2,8 dostateczny 2,8 < V e 7 jeszcze dopuszczalny 7 < V e 18 niedopuszczalny V e > 18 Aktualnie wyróżnia się trzy rodzaje drgań mierzonych dla wirników generatorów. W kolejności historycznej, do badań diagnostycznych, wprowadzono: - drgania (przemieszczenia, prędkość, przyspieszenie) części nieruchomych łożysk (stojaków łożyskowych, pokryw), 19

- drgania względne części ruchomej wału wirnika (czopy łożyskowe, miejsca uszczelnień), - drgania bezwzględne (absolutne) części ruchomej wału wirnika. Od początku, wprowadzenia pomiaru drgań, zdawano sobie sprawę z faktu, że o drganiach stojaków łożyskowych przede wszystkim decydują wymuszenia generowane przez wirnik maszyny (generatora). Jednak do końca pierwszej połowy XX wieku nie dysponowano środkami technicznymi, które w warunkach przemysłowych umożiwiłyby prowadzenie pomiarów drgań wału obracającego się wirnika. Skonstruowano bezdotykowe czujniki drgań wykorzystujące jako zasadę działania prądy wirowe [84]. Nie mogąc dokonać bezpośredniego pomiaru drgań czopów wirników, pozostawano w przekonaniu, że mierzone przemieszczenia drgań łożysk są dobrze skorelowane z drganiami czopów i wystarczająco informują o ich przemieszczeniach w łożyskach (w luzie łożyska). Rozwój teorii drgań oraz wprowadzenie do praktyki przemysłowej pomiarów drgań względnych wału wirnika pokazały jak błędne to było przekonanie [8,9,10,84,113,114]. W jakiś czas po wprowadzeniu do praktyki przemysłowej pomiarów drgań względnych wałów wirników, zaproponowano rozwiązanie techniczne umożliwiające pomiar drgań bezwzględnych (absolutnych) wału wirnika. Pomiar ten był realizowany z pomocą układu pomiarowego posiadającego w specjalnej obudowie dwa czujniki drgań, z których pierwszy mierzył prędkość drgań łożyska (lub jego pokrywy) natomiast drugi dokonywał na tym samym kierunku pomiaru przemieszczeń drgań wału wirnika. Sygnały z tych dwóch czujników podawane są do specjalizowanego monitora, który na drodze elektronicznej wyznacza drgania bezwzględne (absolutne) wału wirnika. Drgania bezwzględne wirnika, umożliwiają w szeregu przypadkach prowadzenie bardziej wiarygodnej (niż to jest możliwe opierając się wyłącznie na drganiach względnych wału wirnika) oceny parametrów dynamicznych wirnika i w konsekwencji formułowania bardziej szczegółowego wnioskowania diagnostycznego. Drgania bezwzględne (absolutne) wału wirnika w sposób lepszy (dokładniejszy; bardziej wyrazisty) od drgań względnych umożliwiają wyznaczenie postaci drgań i w konsekwencji częstotliwości rezonansowych wirnika. Kryteria oceny parametrów dynamicznych wirnika w oparciu o pomiar drgań bezwzględnych (absolutnych) wału wirnika są zawarte w normach ISO [84,114]. 20

6. Próby i badania diagnostyczne wirników generatorów synchronicznych. Badania diagnostyczne wirników generatorów synchronicznych obejmują całą paletę badań i prób umożliwiających sprawdzenie ich parametrów elektromechanicznych. W badaniach analizowane są między innymi zagadnienia: własności dynamicznych wirników, stanu izolacji głównej i międzyzwojowej oraz cieplno mechaniczne. Diagnostyka i badania te są możliwe do przeprowadzenia zarówno na etapie produkcji wirników jak również ich remontów czy modernizacji [12,13]. Realizacja badań diagnostycznych na etapie zdawczo odbiorczym umożliwia szybki i nieskrępowany dostęp do wszystkich obszarów badanych wirników oraz umożliwia szybkie usunięcie ewentualnych nieprawidłowości w badanym wirniku wynikające z negatywnego wyniku badania. Możliwość zrealizowania na tym etapie określonego programu badań diagnostycznych umożliwia: - uformowanie i uspokojenie dynamiczne wirnika, - swobodę ruchów termicznych uzwojenia, - przystosowanie wirnika do częstych cykli rozruchowo wybiegowych, - długotrwałą eksploatację generatora w zmiennym zakresie obciążenia. Analiza takiego programu po przeprowadzeniu badań diagnostycznych a także eksploatacji wirników po tak zrealizowanym programie badań wykazują znaczne korzyści techniczne i ekonomiczne ze znacznie zwiększonych okresów miedzy remontowych wirników generatorów synchronicznych [14]. Przy opracowywaniu programu badań albo też analizie jego zakresu i rodzaju prób i badań należy sobie uświadomić, że z punktu widzenia dynamiki maszyn, generatory synchroniczne są maszynami krytycznymi, a ich wirniki są zaliczane do giętkich, gibkich lub elastycznych, które to wymagają modalnego wyważania dynamicznego i znacznie szerszego zakresu prób i badań niż wirniki innych maszyn wirujących. Dla zobrazowania zakresu prób i badań diagnostycznych wirników generatorów można w nich wydzielić następujące etapy: - badania diagnostyczne elementów składowych wirników, - badania diagnostyczne wirnika kompletnego w stanie statycznym (na postoju), - badania diagnostyczne wirnika kompletnego w stanie dynamicznym (na obrotach). 21

7. Klasyfikacja i weryfikacja badanych wirników jako rzeczywistych modeli obiektów przeprowadzonych badań. Przy opracowywaniu metodyki badań diagnostycznych wirników generatorów synchronicznych posłużono się doświadczeniem, wiedzą i praktyką badawczą wyniesioną z wieloletniego prowadzenia badań na obiektach rzeczywistych tj. turbozespołach pracujących (eksploatowanych) w elektroenergetyce, w których generator synchroniczny stanowi zasadniczą część o bardzo złożonych problemach eksploatacyjno diagnostycznych oraz podczas produkcji, remontów i modernizacji wirników generatorów synchronicznych. Badania eksploatacyjno diagnostyczne kompletnych eksploatowanych turbogeneratorów (turbozespołów) odbywały się we wszystkich stadiach ich eksploatacji a w szczególności przed odstawieniem (zatrzymaniem) turbogeneratora do remontu lub modernizacji oraz podczas pierwszego poremontowego uruchomienia turbogeneratora (turbozespołu) w trakcie tzw. prób zdawczo odbiorczych. Głównym obiektem badań podczas opracowywania metodyki badań diagnostycznych były wirniki generatorów synchronicznych, w tym opracowaniu potraktowane jako rzeczywiste modele obiekty badań, analizy i wnioskowania diagnostycznego, na których to modelach obiektach wykonano badania a następnie poprzez ich eksploatację weryfikowano celowość poszczególnych prób i badań diagnostycznych dla potwierdzenia osiągnięcia założeń tezy niniejszej pracy, co w niczym nie przeszkadzało w trakcie ich procesów remontowo modernizacyjnych jak i eksploatacji. Tabela 7.1. Klasyfikacja przebadanych wirników generatorów synchronicznych pod względem ich mocy znamionowej jednostkowej oraz ich liczby jako rzeczywistych modeli obiektów badań diagnostycznych. Moc w MW przebadanych wirników Liczba sztuk danego rodzaju przebadanych wirników Moc w MW przebadanych wirników Liczba sztuk danego rodzaju przebadanych wirników 1,6 3,15 12 20 25 30 36 50 55 63 1 1 14 4 10 34 12 15 13 20 70 87,5 100 120 200 215 230 240 360 500 4 2 4 51 60 8 12 4 2 3 22

W tabeli 7.1. sklasyfikowano przebadane wirniki pod względem ich mocy znamionowej jednostkowej oraz ich liczby jako rzeczywistych modeli obiektów badań. Łącznie przebadanych i zweryfikowanych wirników dla potrzeb opracowania metodyki ich badań było 274 sztuki tj. partii rzeczywistych modeli obiektów, które dzięki szczęśliwemu losowi wytypowało życie i normalna praktyka remontowo eksploatacyjna. Dla pełności obrazu o przebadanej partii wirników, trzeba sobie uświadomić, że w tabeli 7.1. w ilościach wirników z większości grup (o danej wielkości, mocy) znajdują się wirniki o różnych typach, różnych wytwórców, o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych oraz od wirnika nowo wyprodukowanego do wirnika już eksploatowanego od kilkudziesięciu (powyżej 50) lat. Dla statystycznego przedstawienia różnorodności cech, typów, rodzajów konstrukcji, okresów ich eksploatacji i innych, poniżej z ogólnej ich liczby, wyróżniono następujące cechy wirników generatorów synchronicznych: wirniki nowo wyprodukowane, przed pierwszym okresem eksploatacji 14 szt. wirniki eksploatowane, zmodernizowane wraz z podwyższeniem ich mocy znamionowej o około 15% - 12 szt. wirniki zmodernizowane (bez podwyższenia ich mocy) 59 szt. wirniki podparte na 3 łożyskach 6 szt. wirniki z przeprowadzonym pełnym zakresem badań termodynamicznych i termomechanicznych 26 szt. wirniki ze zmienionym w trakcie modernizacji czynnikiem chłodzącym w ramach ich modernizacji 16 szt. wirniki o konstrukcji dzielonej, w której końcówki czopowe wału wirnika są przykręcane do beczki wirnika 11 szt. wirniki o różnym stopniu elastyczności (giętkości) dynamicznej wału wirnika tj. posiadające jedną lub kilka częstotliwości rezonansowych w przedziale od 0 do częstotliwości obrotów nominalnych. Jak można to zauważyć w tabeli 7.1., grupa przebadanych wirników generatorów synchronicznych obejmowała wirniki od mocy znamionowej 1,6 MW do mocy 500 MW, pochodzące i eksploatowane w większości krajów europejskich, gdzie po przeprowadzonych badaniach diagnostycznych są na powrót eksploatowane bez jakichkolwiek problemów eksploatacyjnych i związanych z ich stanem dynamicznym. 23

8. Odwirownia wirników odpowiednie stanowisko badań diagnostycznych wirników generatorów synchronicznych. Dla zaspokojenia kompletnego technologicznego procesu remontowego wirników turbogeneratorów (generatorów synchronicznych) wybudowano i następnie uruchomiono odwirownię wirników turbogeneratorów [11]. Głównym urządzeniem w Odwirowni jest specjalistyczna wyważarka dynamiczna umożliwiająca wyważanie zarówno wirników giętkich jak i sztywnych a cały budynek (hala) mieści w sobie zespół urządzeń koniecznych do poprawnej eksploatacji wyważarki tj. jej zasilania elektroenergetycznego, napędu, układów smarowania i chłodzenia itp. Aby była możliwa eksploatacja zakupionej wyważarki została wybudowana nowa hala Odwirownia wirników generatorów. Zamontowana wyważarka jest stanowiskiem specjalistycznym przeznaczonym do elektrodynamicznego wyważania i prób wytrzymałości wirników przy zwiększonej prędkości obrotowej, o stojakach łożyskowych typu DI 90 dla sztywnych i elastycznych (giętkich) wałów wirników. Wykonanie specjalne wyważarki DI 90 pozwala na niskoobrotowe i wysokoobrotowe wyważanie dynamiczne (wyważanie przy krytycznych prędkościach obrotowych), a także na wykonanie prób wytrzymałości wirników turbogeneratorów przy zwiększonej w stosunku do znamionowej prędkości obrotowej wirnika. Natomiast wykonanie specjalne zbrojenia żelbetowych ścian tunelu polegające na wzajemnym odizolowaniu wszystkich krzyżujących się prętów zbrojeniowych żelbetu oraz dopilnowanie poprzez odizolowanie aby siatka prętów zbrojeniowych żelbetu nie tworzyła magnetycznych i elektrycznych obwodów zamkniętych, umożliwi na tym stanowisku wyważarki wykonywanie nagrzewania i sezonowania termicznego uzwojenia wirników turbogeneratorów przy znamionowej prędkości obrotowej badanego wirnika. Na tej wyważarce można wyważać wirniki o ciężarze od 5000 do 80 000 kg i maksymalnej średnicy do 3600 mm. Silniki napędowe o mocy 5000 kw mogą wprawić w ruch wyważany wirnik do 4500 obr/min. Od właściwego przeprowadzenia prac remontowych, a szczególnie od jakościowo dobrego wykonania wyważania dynamicznego elastycznego (giętkiego) wirnika turbogeneratora, w znacznej mierze zależy spokojna po względem dynamicznym i długotrwała jego eksploatacja. Zamontowana i eksploatowana wyważarka dynamiczna o stojakach łożyskowych izotropowych typu DI 90 jest wyważarką bardzo specjalistyczną spełniającą wszystkie wytyczne norm [108,112], praktycznie w świecie występuje w małej ilości egzemplarzy 24

ze względu na techniczną złożoność swej budowy a tym samym wysoką cenę jej nabycia. Firma Schenck, jako renomowany światowy producent wyważarek, dostarczyła swój wyrób w postaci urządzeń (wyważarki i niezbędnych urządzeń towarzyszących) służących do wyważania elektrodynamicznego wirników giętkich, jakimi w znacznej większości są wirniki turbogeneratorów (generatorów synchronicznych) oraz w postaci wytycznych projektowej i wiedzy pozwalającej na odpowiednie zaprojektowanie, budowę a następnie uruchomienie tak specjalistycznego obiektu jakim jest budynek hala Odwirowni wirników generatorów synchronicznych. Do bardziej dokładnego pomiaru ugięć wału i drgań wirnika dodatkowo na wyważarce zastosowano czujniki do pomiaru drgań bezwzględnych (absolutnych) wału wirnika. Dla umożliwienia poprawnego pomiaru i analizy drgań, w jednej płaszczyźnie pomiarowej montuje się dwa czujniki przesunięte między sobą o kąt 90 o. Pomierzony przez te czujniki sygnał pomiarowy przesyłany jest przewodami pomiarowymi do dodatkowo zabudowanego w dyspozytorni SYSTEMU 3300, który poprzez zabudowane w nim monitory typu 3300/65 dokonuje pomiaru i akwizycji drgań bezwzględnych (absolutnych) badanego wału wirnika generatora synchronicznego. To dodatkowe wyposażenie wyważarki wraz z jej standardowym wyposażeniem umożliwia realizację znacznie szerszego programu badań diagnostycznych badanego wirnika generatora synchronicznego. 9. Metodyka badań wirników generatorów synchronicznych. Długoletnie doświadczenie praktyczne i eksploatacyjne oraz wnioskowanie i obserwacje diagnostyczne, zarówno na etapie wytwarzania i remontów wirników, jak również eksploatacji elektrycznych maszyn wirujących, skłaniają mnie do zaproponowania nowego programu badań i diagnostyki wirników dużych elektrycznych maszyn synchronicznych. Posiadana wiedza i obserwacje diagnostyczne, uzyskane zarówno z diagnostyki i badań parametrów funkcjonalnych maszyn elektrycznych, jak również z pomiarów parametrów i charakterystyk, będących bezpośrednimi objawami zużycia poszczególnych części i elementów wirnika (maszyny), skłaniają mnie do sformułowania wniosku, że ten nowy program badań diagnostycznych dotyczy całego procesu wytwarzania i remontu wirnika a w szczególności na etapie zdawczo odbiorczym przed przekazaniem wirnika do eksploatacji. 25

Ten nowy program badań i diagnostyki uwzględnia zwiększenie wymagań dotyczących trwałości i niezawodności wirnika generatora (maszyny) w trakcie długotrwałej i niezawodnej eksploatacji. Program badań wirnika generatora synchronicznego. 1. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika generatora w temperaturze otoczenia, na postoju. 2. Pomiar rezystancji uzwojenia wirnika generatora w temperaturze otoczenia, na postoju. 3. Pomiar impedancji uzwojenia wirnika generatora w temperaturze otoczenia, na postoju. 4. Pomiar centryczności wirnika generatora wolne obroty wirnika przy pomocy obracarki wyważarki. 5. Pomiar drgań łożysk oraz względnych i bezwzględnych drgań wału wirnika generatora podczas wdrażania dynamicznego wirnika przy zmiennej prędkości obrotowej. 6. Wstępne wyważanie dynamiczne modalne wirnika generatora - wolnoobrotowe. 7. Zdjęcie charakterystyk dynamicznych drgań łożysk i wału wirnika generatora. 8. Pomiar rezystancji izolacji głównej wirnika generatora w temperaturze, na obrotach 3000 obr/min. 9. Pomiar impedancji uzwojenia wirnika w funkcji prędkości obrotowej od 0 do 3000 obr/min., przy U = constans np. 200 V. 10. Wykonanie oscylogramów zwarć zwojowych uzwojenia wirnika generatora przy obrotach wirnika np. 500 obr/min., 1500 obr/min. i 3000 obr/min. i ich analiza. 11. Wykonanie sezonowania (co najmniej dwukrotnie) termicznego wirnika generatora na obrotach przy 3000 obr/min. poprzez nagrzanie uzwojenia wirnika prądem (od 600 do 1000 A) do temperatury 100 o C oraz szybkie ostudzenie (schłodzenie) wirnika generatora do temperatury około 50 o C. W trakcie sezonowania termicznego, zdejmować charakterystyki drgań łożysk i wału wirnika generatora oraz temperaturę uzwojenia i beczki wirnika. 12. W trakcie sezonowania termicznego wirnika, po osiągnięciu temperatury wirnika 100 o C, na obrotach dokonać pomiaru rezystancji izolacji głównej wirnika generatora oraz następnie pomiaru impedancji uzwojenia wirnika w funkcji prędkości obrotowej od 0 do 3000 obr/min. i temperaturze wirnika 100 o C. 26