N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Jubileusz 40-lecia działalności „Energoserwisu” S.A.
Na przełomie 2009 i 2010 roku przypada 40-lecie działal-ności „Energoserwisu” S.A. z Lublińca, jednej z największych w Europie firm specjalizujących się w produkcji oraz remontach generatorów i transformatorów dużych mocy. Jubileusz działal-ności przedsiębiorstwa to doskonała okazja, aby prześledzić etapy stanowiące kamienie milowe w rozwoju Firmy, a także określić kierunki rozwoju, które przyczyniły się do uzyskania przez nią silnej pozycji rynkowej.
Po pierwsze – specjalizacja
Specjalizacja, czyli koncentracja działań na dziedzinie, w której Firma ma największe kompetencje, to pierwsza z zasad przyświecających od początku działalności spółki z Lublińca.
Początki działalności Firmy sięgają lat 60-tych XX wieku, gdy ówczesny Minister Górnictwa i Energetyki wydał decyzję o budowie bazy remontowej generatorów i transformatorów dużych mocy dla Południowego Okręgu Energetycznego. Staraniem inżynierów Zakładu Naprawy Maszyn Elektrycznych w Gliwicach: Franciszka Jagiełły oraz Bernarda Wieczorka inwestycję o ówczesnej wartości 170 mln zł zlokalizowano w Lublińcu.
Domeną „Energoserwisu” w pierwszych dwudziestu latach działalności były przede wszystkim remonty urządzeń energe-tycznych dużych mocy, głównie generatorów, transformatorów a także silników elektrycznych. W części mechanicznej Spółki realizowano produkcję wielu drobnych elementów, przede wszystkim do kotłów i turbin.
Po roku 1989 zakres działalności Firmy znacząco się zwiększył, początkowo o modernizacje generatorów i trans-formatorów. Formalnie wyodrębnione zostały wówczas trzy jednostki biznesowe firmy, stanowiące o obecnym sukcesie firmy, tj. Zakład Generatorów, Zakład Transformatorów oraz Zakład Mechaniczny.
Na przełomie XX i XXI wieku „Energoserwis” S.A. stał się cenionym producentem nowych transformatorów o mocy do 305 MVA o górnym napięciu 400 kV oraz wykonawcą wysokiej jakości wielkogabarytowych elementów stojanów generatorów o ciężarze przekraczającym często 100 ton. W ostatnich dwóch latach „Energoserwis” wyspecjalizował się w produkcji nowych wirników i stojanów generatorów o mocy do 600 MW.
Fryderyk Zębik
Dyrektor Naczelny „Energoserwis” S.A. Choć na przełomie czterdziestu lat „Energoserwis” znacząco zwiększył zakres swoich usług, to jednak zawsze dotyczyły one głównej specjalności Firmy w zakresie generatorów i transfor-matorów. Rys. 1. Transformator 305 MVA o górnym napięciu 400 kVPo drugie – innowacje
Wyróżnikiem działalności firmy „Energoserwis” S.A. są pro-dukty o charakterze innowacyjnym. Obecnie piąta część obrotów w każdym roku to wartość sprzedaży nowych produktów i usług.
W latach 70-tych i 80-tych „Energoserwis” – jako jedna z pierw- szych firm przemysłowych w Polsce – rozpoczął szeroką współ-pracę z partnerami zagranicznymi, sprzedając swoje produkty i usługi m.in. do Egiptu, Szwajcarii i ówczesnej Jugosławii. Znaczącym krokiem w rozwoju było pozyskanie w 1996 roku inwestora strategicznego – firmy Westinghouse. Owocem transferu nowych technologii było między innymi opracowanie i wdrożenie no-watorskiej technologii modernizacji generatorów 200 MW, w wyniku której uzyskuje się także wzrost mocy do 230 MW. Ważne nowe rozwiązania w swojej działalności wprowadził Zakład Mechaniczny, dostarczając nowoczesne korpusy i podsta-wy stojanów generatorów dla elektrowni na całym świecie, w tym dla elektrowni atomowych, co wymagało wdrożenia surowych wymagań technologicznych.
Jednym z najbardziej innowacyjnych zakładów produkcyjnych „Energoserwisu” jest Zakład Transformatorów, który w ostatnich dziesięciu latach stworzył kilkadziesiąt nowych transformatorów,
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
w tym tak duże jednostki, jak transformatory blokowe 270 MVA i 305 MVA, autotransformatory 160 MVA, szereg transformatorów sieciowych oraz transformatory specjalne – piecowe i prostowni-kowe, które oferuje jako jedna z niewielu firm na świecie. Innowacyjna działalność firmy związana jest również z projekto- waniem nowych wyrobów. „Energoserwis” wykorzystuje m.in. me-todę „reverse engineering”, pozwalającą odtworzyć w środowisku trójwymiarowym rzeczywistą geometrię mierzonych przedmiotów. Firma wykorzystuje również zintegrowany system CAD, który umożliwia integrację wszystkich etapów projektowania, począwszy od wykonania pomiarów, modeli koncepcyjnych, opracowania i obliczeń konstrukcji, do wytworzenia i weryfikacji parametrów urządzenia. Efektem prac jest dokumentacja techniczna, wyge-nerowana z parametrycznych modeli trójwymiarowych, na którą składają się: dokumentacja techniczna rysunkowa, dokumentacja technologiczna – zawierająca opis technologii, kody maszynowych obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC) oraz modele porów-nawcze dla współrzędnościowych maszyn pomiarowych. „Energoserwis” wdraża także nowoczesne rozwiązania w dzie-dzinie metod i technik zarządzania. Firma jest jednym z pionierów wykorzystania metody Six Sigma w Polsce, w ostatnim okresie wdrożyła również zintegrowany system zarządzania jakością, bezpieczeństwem pracy i ochroną środowiska. Rys. 2. Nowoczesne narzędzia do obróbki mechanicznejPo trzecie – inwestycje
Wyróżnikiem działalności Firmy na rynku, poza specjalizacją i innowacjami, są bez wątpienia realizowane inwestycje umożli-wiające rozwój Firmy. Po oddaniu do użytku części elektrycznej zakładu w roku 1970 (koszt inwestycji w przełożeniu na dzisiejszą siłę nabywczą sza-cować można na ok. 250 mln zł), w 1973 r. wybudowano Zakład Mechaniczny. Ważnym wydarzeniem w rozwoju „Energoserwisu” było oddanie do użytku w 1976 roku przyzakładowej szkoły za-wodowej, której absolwenci w dużym stopniu przyczynili się do sukcesu Firmy w kolejnych latach. Innym kamieniem milowym rozwoju była budowa nowoczes-nej odwirowni wirników generatorów. Rozpoczęcie tej inwestycji, w połowie lat osiemdziesiątych, „Energoserwis” zawdzięcza mię-dzy innymi ogromnemu zaangażowaniu ówczesnego dyrektora naczelnego Firmy, inżyniera Tadeusza Musialskiego. W ostatnich dziesięciu latach „Energoserwis” realizuje eks-pansywną politykę inwestycyjną – dzięki czemu rośnie majątek trwały Firmy i jej możliwości produkcyjne. Do najważniejszych inwestycji w ostatnim okresie czasu należy zaliczyć: • wdrożenie nowoczesnych technologii i oddanie do użytkowa-nia wysoko specjalistycznych urządzeń do produkcji uzwojeń generatorów, • rozwinięcie możliwości obróbki wielkogabarytowych konstrukcji stalowych i technologii spawalniczych, • wyposażenie stacji prób i laboratoriów w nowoczesny sprzęt pomiarowy, badawczy i diagnostyczny, co pozwala na testo-wanie m.in. transformatorów dużych mocy, • kompleksową modernizację hal produkcyjnych. Obecnie „Energoserwis” realizuje dużą inwestycję rozbudowy hali cewkarni Zakładu Generatorów, dzięki czemu będzie w jesz-cze większym zakresie mógł spełniać potrzeby klientów, zarówno z Polski jak i zagranicy.Po czwarte – otwarcie na świat
Jednym z elementów, który przyczynił się do silnej pozycji spółki „Energoserwis” na rynku jest duża otwartość Firmy na współpracę międzynarodową, która nie ogranicza się do kontak-tów z klientami, kontrahentami i dostawcami, ale także obejmuje wymianę myśli technicznej i know-how. Dzięki wejściu firmy w struktury firmy Westinghouse, a następ-nie koncernu Siemens, znacząco wzrosły możliwości ekspansji międzynarodowej. O ile jeszcze w połowie lat dziewięćdziesiątych eksport stanowił nie więcej niż jeden procent obrotów firmy, to już w ostatnich dwóch latach ponad połowa sprzedaży „Energoser-wis” S.A. to produkty dostarczane klientom zagranicznym. Rys. 3. Widok na halę produkcyjną
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Rys. 4. Siedziba firmy „Energoserwis” S.A. Lubliniec
Po piąte – perspektywy na przyszłość
Twórcze podejście Firmy do potrzeb klientów polega przede wszystkim na kompleksowej realizacji złożonych zleceń, od fazy stworzenia projektu i dokumentacji aż po nadzór przy uruchomie-niu urządzenia na miejscu u klienta wraz z serwisowaniem. Obecnie priorytetem nowoczesnych gospodarek jest rozwija-nie energooszczędnych, a jednocześnie wydajnych, technologii produkcji i przesyłu energii elektrycznej. „Energoserwis” S.A., realizując projekty produkcyjne, remontowe i serwisowe na całym świecie nabył wiele umiejętności i kompetencji w obsłudze maszyn elektrycznych największych światowych producentów. Dzięki temu Firma, realizując własne prace badawczo-rozwojowe, wykorzy-stuje nowoczesne technologie i procesy produkcyjne. Współczesne trendy w projektowaniu, produkcji i modernizacji maszyn elektrycznych i urządzeń mechanicznych wskazują na wzrost znaczenia międzynarodowego transferu wiedzy i know-how. „Energoserwis” S.A. jako firma będąca częścią globalnej kor-poracji jest w stanie te możliwości maksymalnie wykorzystać. Firma realizuje obecnie kontrakty na sześciu kontynentach, są to zarówno usługi i produkty realizowane na miejscu w Lublińcu, jak i prace serwisowo-remontowe u klientów na całym świecie.Nowoczesne techniki projektowania
i wytwarzania maszyn elektrycznych i transformatorów
Wymagania klienta odzwierciedlające współczesne warunki eksploatacji maszyn elektrycznych i transformatorów oraz konkurencyjność ceny wymuszają daleko idącą optymalizację konstrukcji i procesu ich wytwarzania. Kluczowym jest więc doświadczenie kadry inżynierskiej wsparte badaniami nauko-wymi, wykorzystanie właściwości nowoczesnych materiałów
Stefan Sieradzki, Damian Kardas
„Energoserwis” S.A.
q
Rys.1. Schemat procesu projektowania i wytwarzania produktu
konstrukcyjnych oraz zastosowanie efektywnych narzędzi obliczeniowych i projektowych. Drugą, równie ważną częścią jest optymalizacja procesu wytwarzania wyrobu. Wymaga to zastosowania wysokospecjalistycznej technologii i parku maszynowego. Uogólniony schemat procesu projektowania i wytwarzania produktu przedstawia rysunek 1.
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Dane wejściowe
Wymagania klientaNiezależnie od typu produktu wymagania klienta można w skrócie wymienić w kilku najważniejszych punktach: • wysoka niezawodność i trwałość produktu, • wysoka sprawność, • energooszczędność, • konkurencyjna cena. W procesie projektowania i wytwarzania maszyn elektrycz-nych i transformatorów wymagane jest uwzględnienie wszystkich wymienionych wymagań klienta z określonymi, szczególnymi warunkami eksploatacyjnymi, wśród których można m.in. wy-mienić: • rodzaj pracy, • charakter i specyfikę obciążenia, • przeciążalność. Każdy z wymienionych warunków pracy maszyny elektrycz-nej, transformatora wpływa na trwałość tego wyrobu i kumuluje skutki prowadzące po pewnym czasie do degradacji konstrukcji. Istotnym jest zatem powiązanie poszczególnych stanów pracy urządzeń oraz występujących uszkodzeń i uwzględnienie ich w procesie projektowania wyrobu.
Przepisy prawne, normy i standardy techniczne
Każdy proces, zarówno na etapie projektowania, jak i wytwarzania jest umocowany w ramach przepisów prawnych (m.in. dotyczących BHP i ochrony środowiska) oraz standardów technicznych (m.in. normy techniczne, przepisy UDT). Spełnienie wszystkich wymienionych uwarunkowań ma bezpośredni wpływ na zastosowane rozwiązania konstrukcyjne.
Projektowanie
Pomiary wstępne, ”reverse engineering”
Projektowanie produktu może obejmować modernizację istniejącej maszyny elektrycznej i transformatora (zmiana pa-rametrów znamionowych) lub wytworzenie nowego wyrobu. W przypadku modernizacji na wstępie procesu projektowania wykonywana jest inwentaryzacja, pomiary odtworzeniowe oraz pomiary środowiska pracy. Jedną z najbardziej zaawansowanych form pomiarów odtworzeniowych jest ”reverse engineering”, po-zwalający odtworzyć w środowisku trójwymiarowym rzeczywistą geometrię mierzonych przedmiotów. Pomiary wykonywane są za pomocą współrzędnościowych maszyn pomiarowych i skane-rów laserowych (rys. 2), a wyniki przenoszone są bezpośrednio do środowiska CAD w postaci modeli 3D, stanowiących bazę odniesienia do projektowanych nowych i zmodernizowanych wyrobów.
Rys. 2. Pomiary współrzędnościowym ramieniem pomiarowym (a) oraz głowicą skanującą (b)
Analiza zjawisk, badania modelowe
W maszynach elektrycznych i transformatorach najczęściej dokonuje się analizy następujących zjawisk: • elektromagnetycznych, • cieplnych i wentylacyjnych, • obciążeń elektrycznych i mechanicznych, • drgań, hałasu. Wszystkie z wymienionych zjawisk są ze sobą ściśle powią- zane i mają decydujący wpływ na prawidłową pracę maszyn elek-trycznych i transformatorów. Część z nich można zidentyfikować i opisać wykonując badania i pomiary na rzeczywistym obiekcie, np.: badania cieplne, pomiary drgań, hałasu. Przykładem są przedstawione termogramy (rys. 3) rozkładu temperatury na powierzchni korpusu generatora, które pozwoliły Rys. 3. Termogram stojana generatora 55 MW przed (a) i po modernizacji (b) a) b) a) b)
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
na weryfikację przeprowadzonej modernizacji układu wentylacyj- nego. Celem modernizacji była eliminacja obszarów o podwyż-szonej temperaturze w strefie rdzenia i uzwojeń.
Natomiast inne zjawiska, ze względu na specyfikę pracy maszyn elektrycznych i transformatorów, po wykonaniu obliczeń projektowych dla nowych rozwiązań konstrukcyjnych, wymagają wykonania badań modelowych. Rys. 4. Model prototypu (w skali 1: 2) wentylatora na stanowisku prób (a) oraz prototypowy wentylator zamontowany na wirniku generatora 320 MW (b) [1] Przykładowo, w trakcie badań modeli prototypów wentylatora (rys. 4), zostały zweryfikowane obliczone charakterystyki przepływo-we (rys. 5) dla zmiennej geometrii łopatek, liczby łopatek oraz kąta ich ustawienia. Celem badań było zwiększenie wydajności nowego typu wentylatora przy jednoczesnej poprawie stabilności jego pracy. Rys. 5. Wyznaczone punkty pracy nowych wentylatorów nastawnych do generatora TWW-230 i wentylatora oryginalnego [1]
Symulacje komputerowe, obliczenia (CAE)
Wykorzystanie współczesnych technik komputerowych do modelowania zjawisk występujących w maszynach elektrycznych pozwala w znacznym stopniu ograniczyć liczbę wykonywanych badań i testów. Jednocześnie na podstawie zebranych danych Rys. 6. Geometria 3D modelu obliczeniowego części czołowej uzwojenia stojana oraz wirnika generatora 200 MW [8] Jedną z podstawowych grup obliczeń numerycznych maszyn elektrycznych i transformatorów stanowią obliczenia elektromag-netyczne. Pozwalają one na określenie m.in. rozkładu i natężenia linii pól elektromagnetycznych oraz modułu indukcji w elementach konstrukcyjnych (rys. 7). Rys. 7. Wyniki obliczeń elektromagnetycznych stojana generatora 560 MW – rozkład linii ekwipotencjalnych (a) i modułu indukcji (b) [2] a) b) wciąż poszukuje się coraz doskonalszych modeli matematycz-nych, pozwalających na symulację działania maszyn oraz po-szczególnych ich komponentów (rys. 6).a)
b)
Na podstawie rozkładu modułu indukcji (rys. 7b) określony został rozkład strat w obszarze połączeń czołowych uzwojeń, skrajnych pakietów rdzenia oraz w sprężystej talerzowej płycie dociskowej. Wyznaczony rozkład strat pozwolił oszacować przyrosty temperatur, istotnych dla układu izolacyjnego uzwojeń i parametrów wytrzymałościowych płyty dociskowej.
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Zastosowanie modeli matematycznych, dedykowanych dla poszczególnych typów maszyn elektrycznych i transformatorów, obejmujących rozkład: pól elektromagnetycznych, sił elektrody- namicznych (rys. 8), strat i związanych z nimi przyrostów tempe-ratury, pozwala w krótkim czasie oszacować charakter i wielkość poszczególnych zjawisk. Kolejną grupę analiz, stanowią obliczenia cieplne [3] (rys. 9) i wentylacyjne. Na podstawie obliczonych wartości sił elektrodynamicznych, temperatury, obciążeń mechanicznych statycznych i dynamicz- nych oraz przyjętych kryteriów optymalizacyjnych, przeprowadza-na jest analiza wytrzymałościowa konstrukcji (rys. 10). Zastosowanie Metody Elementów Skończonych dla obliczeń wytrzymałościowych pozwala uzyskać mapy rozkładu naprężeń w konstrukcji. Rozkład sił, jak w przypadku kadzi transformatora (rys. 10b), wyznaczany jest dla kilku przypadków obciążenia, m.in.: próżnią, nadciśnienia oraz w trakcie pracy na stanowisku i w transporcie.Na podstawie wyników pobranych z analizy wytrzymałościo-wej przeprowadzana jest analiza modalna konstrukcji korpusu stojana generatora (rys.11). Wyznaczenie częstotliwości drgań własnych korpusu pozwala uniknąć zjawiska rezonansu podczas pracy maszyny. Rys. 8. Rozkład wypadkowej liniowej gęstości sił elektrodynamicznych działających na pręt fazowy (przebiegi czasowe oraz trajektorie wektorów sił) [9] Rys. 9. Uzwojenie wzbudzenia generatora 200 MW: przekrój poprzeczny żłobka wirnika (a) oraz model cieplny (b) [4] Rys. 10. Model dyskretny korpusu generatora 560 MW (a) oraz model kadzi transformatora 173 MVA (b) z mapą naprężeń mechanicznych Rys. 11. Poziom częstotliwości drgań własnych korpusu stojana generatora 560 MW (a) w zależności od grubości płaszcza (b) [5] a) b) a) b) a) b)
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
a) b) Rys. 12. Parametryczne modele 3D autotransformatora 160 MVA (a) i stojana generatora TWW-560 (b) Zintegrowany system CAD pozwala na równoczesną, współ-bieżną pracę zespołu projektowego złożonego z konstruktorów, technologów oraz analityków (rys. 13). Na podstawie wirtualnych, parametrycznych modeli 3D, gene- rowana jest dokumentacja wykonawcza 2D oraz karty technolo-giczne. Ponadto, używając powiązanego oprogramowania CAM generowane są programy obróbcze na obrabiarki CNC (rys. 14), które za pomocą odpowiednich postprocesorów tłumaczone są na kody maszynowe. Kolejnym krokiem jest wysłanie kodów siecią intranetową do sterowników maszyn. Rys. 13. Schemat zintegrowanego systemu komputerowego CAD [6] Rys. 14. Obróbka kołpaka wirnika (a) oraz piasty wentylatora (b) na frezarce CNC
Wykonane modele 3D są również podstawą do weryfikacji poprawności geometrii wytworzonych obiektów za pomocą współrzędnościowych maszyn pomiarowych. Możliwości wizualizacji urządzenia już na etapie procesu pro-jektowania (rys. 15) pozwalają zapoznać się wykonawcy i odbiorcy z końcowym efektem prac. Rys. 15. Komputerowa wizualizacja (a) i zdjęcie rzeczywistego transformatora blokowego 305 MVA (b) Poszukiwanie warunków korelacji pomiędzy wszystkimi prze-prowadzanymi obliczeniami, opracowanie coraz doskonalszych modeli matematycznych, pozwalających odzwierciedlić z coraz to mniejszym błędem warunki rzeczywiste oraz określenie stopnia uproszeń modeli numerycznych i ocena ich wpływu na wyniki obliczeń, jest procesem skomplikowanym i podlegającym cią-głemu doskonaleniu.
Oprogramowanie CAD
Proces projektowania z zastosowaniem systemu CAD, który jest oparty na w pełni parametrycznym środowisku 3D (rys. 12), pozwala na integrację wszystkich jego etapów, począwszy od wykonania pomiarów, modeli koncepcyjnych, opracowania i obliczeń konstrukcji, do wytworzenia i weryfikacji parametrów urządzenia.
a) b)
a)
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Zastosowanie środowiska parametrycznego pozwala tworzyć wielowariantowe koncepcje modyfikowane na poziomie modelu 3D, które znajdują automatyczne odzwierciedlenie w dokumentacji 2D, środowisku obliczeniowym oraz systemach CAM. Dobór materiałów Wśród materiałów stosowanych w konstrukcjach transforma-torów i maszyn elektrycznych, można wyróżnić kilka grup: • materiały elektroizolacyjne, • materiały żelazne (magnetyczne i niemagnetyczne), • materiały nieżelazne, • materiały kompozytowe.Nowoczesne materiały konstrukcyjne charakteryzują się podwyższonymi własnościami wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej, co bezpośrednio przekłada się na niezawodność konstrukcji oraz zmniejszenie gabarytów i masy (rys. 16). Rys. 16. Sprężysta talerzowa płyta dociskowa ze stopu aluminium, prasująca rdzeń generatora 230 MW Materiały kompozytowe są stosowane jako elementy usztyw- nień uzwojeń i konstrukcji wsporczych torów prądowych. Najczęś-ciej są to materiały zbrojone włóknem szklanym lub węglowym, nasycone żywicą epoksydową. Zastosowanie odpowiednich metod łączenia materiałów konstrukcyjnych różnych typów po-zwala wykonać bariery cieplne, elektryczne i elektromagnetyczne, które jednocześnie spełniają rygorystyczne założenia związane np. z wytrzymałością dynamiczną.
Dokumentacja techniczna, CAD/CAM
Wynikiem końcowym etapu projektowana jest dokumentacja techniczna, wygenerowana z parametrycznych modeli 3D. Składa się ona z kilku członów: • dokumentacji technicznej rysunkowej, zawierającej wygenero-wane rysunki wykonawcze elementów oraz rysunki złożeniowe poszczególnych podzespołów,• dokumentacji technologicznej, zawierającej opis technologii wykonania elementów i zespołów,
• kodów maszynowych obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC) wraz opisem ustawienia baz przedmiotu,
• modeli porównawczych dla współrzędnościowych maszyn pomiarowych, wykorzystywanych do weryfikacji wyproduko-wanych obiektów.
Wszystkie wymienione części składowe dokumentacji są ze sobą ściśle powiązane dzięki zastosowaniu zintegrowanego środowiska projektowego.
Produkcja
Materiały Oprócz geometrii wykonywanego przedmiotu, typ i własności materiału determinują przyjęty proces jego obróbki, gdyż właśnie one charakteryzują jego zachowanie się w czasie procesów pro- dukcyjnych. Na podstawie wyników prób i testów materiałów kon-strukcyjnych definiowany jest proces obróbki i dobór narzędzi. Przykładem mogą być dwa rodzaje materiałów, wchodzących w skład konstrukcji maszyn elektrycznych i transformatorów: ma-teriały niemagnetyczne oraz materiały elektroizolacyjne zbrojone włóknem szklanym. W przypadku materiałów niemagnetycznych niewłaściwie do-brane parametry i sposób obróbki mogą powodować pogorszenie ich własności magnetycznych. Konsekwencją tego jest wzrost strat i przyrostu temperatury w maszynie.W przypadku materiałów elektroizolacyjnych problemem jest ich „trudna” obróbka oraz brak typowych narzędzi skrawających. Podczas obróbki z użyciem chłodziwa istnieje możliwość rozwar-stwienia materiału i penetracji cząsteczek wody w głąb materiału, natomiast podczas obróbki na sucho występuje bardzo duże zapylenie oraz przyspieszone zużycie narzędzi. Określenie zatem właściwego rodzaju obróbki i jej parametrów oraz typu narzędzi dla stosowanych materiałów wpływa w zasad-niczy sposób na optymalizację procesu wytwarzania. Technologie W produkcji maszyn elektrycznych i transformatorów szcze-gólne znaczenie mają stosowane technologie w procesach międzyoperacyjnych i montażu. Wśród nich można wyróżnić między innymi:
• pakietowanie rdzeni,
• klinowanie uzwojeń w żłobkach,
• wykonywanie izolacji głównej uzwojeń stojanów generato-rów,
• usztywnianie części czołowych uzwojeń stojanów generato-rów,
• lutowanie połączeń wodno-prądowych uzwojeń stojanów generatorów,
• wyważanie i odwirowanie wirników, • nawijanie uzwojeń transformatorów, • suszenie uzwojeń w technologii próżniowej,
Dobór odpowiednich parametrów dla technologii zastosowa-nej w każdej fazie procesu wytwarzania wpływa bezpośrednio na własności elektryczne i mechaniczne, a w efekcie na jakość produkowanych urządzeń.
Park maszynowy
Zastosowanie w procesie wytwarzania urządzeń, maszyn sterowanych numerycznie (CNC) pozwoliło powiązać proces pro-jektowania komponentów z ich wykonaniem. Dotyczy to zarówno
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Rys. 17. Prasa hydrauliczna (a) oraz oplatarka CNC (b) do uzwojeń stojanów generatorów Wysokowydajne obrabiarki CNC pozwalają wykonać przed- mioty o dowolnej geometrii w znacząco krótszym czasie, w po-równaniu z maszynami tradycyjnymi. Ponadto, zastosowanie sond pomiarowych geometrii przedmiotów i narzędzi, eliminuje błędy związane z ustawieniami baz obróbczych przedmiotów i wpływ zu-życia narzędzi. Jednostki sterujące w nowoczesnych maszynach CNC umożliwiają za pomocą sieci intranetu bezpośrednie połą-czenie z komputerami technologów przygotowujących programy sterujące. Technolodzy mają jednocześnie wgląd w bazy narzędzi maszyn oraz podgląd aktualnego stanu pracy maszyny. Pomiary i badania W procesie wytwarzania maszyn elektrycznych i transformato-rów weryfikuje się geometrię wykonanych elementów i podzespołów za pomocą współrzędnościowych maszyn pomiarowych (rys. 18), wykorzystując porównanie modeli 3D z obiektami rzeczywistymi. Rys. 18. Weryfikacja geometrii uzwojenia stojana generatora (a) współrzędnościowym ramieniem pomiarowym (b) Każdy wyrób podlega badaniom i próbom końcowym (rys. 19), spośród których wymienić należy m.in.: • elektryczne, • mechaniczne, • cieplne, • szczelności. Rys. 19. Próby końcowe transformatora 270 MVA/400 kV (a) oraz próba ciśnieniowa korpusu generatora 560 MW (b) Spełnienie wszystkich wcześniej założonych kryteriów oceny wyrobu kończy proces wytwarzania.
Produkt
Końcowym rezultatem procesu projektowania i wytwarzania jest gotowy produkt, spełniający wszystkie przyjęte wcześniej dane wejściowe dotyczące wymagań klienta, przepisów prawnych i stan-dardów technicznych, przy zachowaniu konkurencyjnej ceny.
Kolejnym etapem jest zbieranie informacji z monitoringu pracy jednostki w czasie jej eksploatacji, wykonanych pomiarów diagnostycznych oraz z przeprowadzonego procesu walidacji pro-duktu. Wygenerowane informacje wykorzystywane są w procesie projektowania kolejnych, nowych typów maszyn elektrycznych i transformatorów.
Podsumowanie
Zaprezentowane nowoczesne techniki projektowania i wy-twarzania maszyn elektrycznych i transformatorów obejmują obszary analiz matematycznych, prac nad wdrażaniem nowo-czesnych materiałów konstrukcyjnych, doskonalenia procesów technologicznych, rozwijania systemów CAD/CAM/CAE, maszyn i technologii obróbki oraz metodologii pomiarów i badań. a) b) a) b)
obrabiarek, jak również pras hydraulicznych i automatycznych oplatarek do uzwojeń (rys. 17).
a)
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Zaawansowane techniki projektowania oraz nowoczesny park technologiczny pozwalają na optymalizację parametrów technicz-nych produktu, spełnienie wymagań jakościowych, środowiska i bezpieczeństwa eksploatacji. Optymalizacja procesu projektowania i wytwarzania w efekcie finalnym zmniejsza jednostkowy wskaźnik zużycia materiałów i pracochłonności dla wytworzenia produktu, co wpływa na obni-żenie jego ceny, a więc wzrost konkurencyjności na rynku.LITERATURA
[1] Sieradzki S., Adamek J., Otte J., Dziuba J., Prysok E.: Nowa konstrukcja wentylatorów do generatorów dużej mocy, Ener-getyka 2007, nr 08/09
[2] Wiak S., Komęza K., Drzymała P., Wefle H.: Obliczenia struktur płaskich (2D) turbogeneratorów o mocach 230 MW i 560 MW. Dokumentacja „Energoserwis” S.A., 2008
[3] Sieradzki S., Adamek J., Krok R.: Modernizacje turbogene-ratorów polegające na zamianie układu chodzenia uzwojenia wzbudzenia z pośredniego na bezpośredni zabierakowy na przykładzie turbogeneratora typu TWW-30-2. XLII International Symposium on Electrical Machines SME’2006, Kraków, 3-6 lipca 2006, ss.331-334
[4] Krok R., Sieradzki S., Adamek J.: Zastosowanie sieci ciep-lno-elektrycznych w systemie komputerowego wspomagania projektowania generatorów synchronicznych. XLII International Symposium on Electrical Machines SME’2006, Krakow, 3-6 lipca 2006, ss.139-142
[5] Maniara R., Kardas D.: Parametryczna optymalizacja korpusu stojana generatora, Urządzenia dla Energetyki 2008, nr 5, ss. 24-25
[6] Kulik A., Kardas D.: Nowe techniki projektowania na tle wzrostu innowacyjności produktów firmy Energoserwis S.A., XV konfe-rencja Energetyki, Ryn 5-7 września 2007, ss.248-255 [7] Fenton R.E., Ulery D.R., Walker D.N.: Advances in Design
Practices to Improve Rotor Dynamics Performance of Medium Sized Generators, CIGRE, Paper 11-205, 1994 [8] Stancheva R.D., Iatcheva I.I.: 3-D Electromagnetic Force Distri-bution in the End Region of Turbogenerator, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, Nr 3, 2009 [9] Drak B.: Zagadnienia elektromechaniczne czół uzwojeń stojanów maszyn elektrycznych dużej mocy prądu przemiennego, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Elektryka z 163, Gliwice 1998
q
Diagnostyka izolacji zwojowej wirników turbogeneratorów
Nowoczesne metody pomiarowe
Przyczyny oraz skutki zwarć zwojowych
w wirnikach turbogeneratorów
Silne naprężenia mechaniczne wynikające z dużych sił od-środkowych działających na uzwojenia, naprężenia termiczne uzwojenia wynikające z wielokrotnych rozruchów maszyny,
Wojciech Kandora, Andrzej Smyczek
„Energoserwis” S.A.
czynniki zewnętrzne, jak wilgoć czy zabrudzenia oraz zatkane kanały chłodzące, stwarzają warunki do powstania zwarć zwo-jowych wirnika. Szczególnie niebezpiecznym rodzajem zwarć zwojowych są zwarcia sąsiadujących cewek spowodowane migracją elementów usztywniających, a dalej migracją cewek w części podkołpakowej uzwojenia.
Rys. 1. Kolejne etapy postępującego uszkodzenie izolacji zwojowej
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Zwarcia zwojowe osłabiają pole magnetyczne, co skutkuje zwiększonym prądem wzbudzenia przy znamionowych para-metrach obciążenia. Asymetria magnetyczna przenosi się na magnetyzację beczki wirnika i zwiększenie wartości napięć wałowych. W miejscu występowania zwarcia wydziela się ciepło wynikające ze strat:
w którym: Uk – różnica potencjałów zwartych zwoi uzwojenia wirnika gdzie: Uf – napięcie uzwojenia wirnika, n – liczba zwojów wirnika, k – liczba zwartych zwojów wirnika, Rc – rezystancja obwodu zwartego, Rk – rezystancja przejścia w miejscu występowania zwarcia. W zależności od wartości rezystancji w punkcie zwarcia, lokalnie wydzielana moc przy zwarciu sąsiednich zwojów gene-ratora TWW-200-2 może wynosić (150 – 1130) W. Przy zwarciu sąsiednich cewek straty mogą zawierać się w przedziale (5,9 – 7,9) kW. W szczególnych przypadkach zwarcie występujące pod kołpakiem może doprowadzić do jego uszkodzenia na skutek lokalnego przegrzania. Zwarcie sąsiednich zwojów tworzy obwód równoległy, w cew-kach płynie prąd znacznie mniejszy niż w przypadku normalnej pracy, w zwartych cewkach wydziela się znacznie mniejsza ilość ciepła. Asymetria termiczna znacząco wpływa na poziom drgań wirnika. Miejsce występowania zwarcia ma istotny wpływ na drgania – zwarcie zwojów cewki znajdującej się bliżej bieguna wpływa bardziej na poziom drgań niż zwarcie cewki w okolicach środka uzwojenia. Drgania o częstotliwości sieciowej, rosnące w funkcji prądu wzbudzenia, są głównym wskaźnikiem świad-czącym o występowaniu zwarć zwojowych.
Zwarcia zwojowe mogą skutkować drganiami wirnika znacznie przekraczającymi dopuszczalne normy pracy generatora i mogą prowadzić do awaryjnego odstawienia bloku.
Metody pomiaru
zwarć zwojowych wirników generatorów
„Energoserwis” S.A. jako zakład produkcyjno-remontowo-usługowy wykonuje szereg prób i pomiarów elektrycznych w celu zdiagnozowania generatora, w tym stwierdzających obecność zwarć zwojowych oraz osłabienie izolacji zwojowej uzwojenia wirnika. Większość stosowanych metod diagnostycznych to metody porównawcze. W praktyce wykorzystuje się symetrię elektryczną oraz magnetyczną wirnika, jak również korzysta się z obszernej bazy danych wyników pomiarów. Podstawowymi pomiarami wirnika pod kątem wykrywania zwarć zwojowych w stanie statycznym są: • pomiar impedancji statycznej wirnika, • pomiar spadków napięć na biegunach wirnika, • pomiar rozkładu strumienia rozproszenia na powierzchni wir-nika, • pomiar metodą impulsowa RSO. Pierwsze trzy pomiary wykonuje się przy zasilaniu uzwoje-nia wirnika napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz lub 500 Hz. W przypadku występowania zwarcia pomiędzy sąsiednimi zwojami powstaje zwarta pętla. Przemienny strumień magnetycz-ny, przenikając przez pętlę, indukuje w niej silę elektromotoryczną, która jest źródłem dużego prądu zwarcia w zwartych zwojach. Prąd ten wpływa znacząco na prąd całkowity pobierany przez wirnik, jak również na rozkład napięcia na biegunach wirnika. Pomiar impedancji polega na porównaniu wartości prądu pobie-ranego przez wirnik z wynikami poprzednimi lub wynikami takich samych jednostek. W tabeli 1 przedstawiono wpływ metalicznego zwarcia zwojowego dla wirnika typu AEG – FKWS 3742p o mocy 111 MW na procentowy wzrost prądu oraz na procentową róż-nicę spadków napięć na biegunach wirnika. Badany wirnik ma 7 cewek/biegun, cewka nr 1 ma 7 zwojów, pozostałe cewki mają po 20 zwojów każda. Tabela 1 Wpływ zwarcia na pobór prądu oraz na różnice spadków napięć na biegunach wirnika Miejsce zwarcia U,V UBI, V UBI, V I, A ∆I,% ∆UB , % Bez zwarcia 250,0 125,0 125,0 22,5 0,0 0,0 Cewka 1 249,2 128,9 120,3 23,5 4,4 6,7 Cewka 3 250,5 133,5 117,0 24,3 8,0 12,4 Cewka 5 249,7 139,4 110,3 26,1 16,0 20,9 Cewka 7 250,3 134,4 115,9 25,2 12,0 23,6 Jak wynika z tabeli zwarcie jednego zwoju przekłada się na znaczne różnice prądu oraz spadków napięć. Niejednokrotnie jednak podczas pomiaru nie ma dostępu do połączenia biegunów wirnika, jak również nie ma wyników wzorcowych. Wymienione metody nie są w stanie wskazać miejsca ewentualnego uszko-dzenia izolacji, jedynie pomiar rozkładu strumienia rozproszenia na powierzchni wirnika daje taką możliwość. Pomiar polega na pomiarze kąta pomiędzy napięciem odniesienia a napięciem indukowanym w jarzmie pomiarowym. Jarzmo przesuwane jest wzdłuż każdego żłobka wirnika, jeżeli dla którejś z cewek na-stępuje zmiana kąta o wartość ~180°, wówczas w danej cewce stwierdza się zwarcie zwojowe. Popularną w ostatnich latach jest impulsowa metoda oceny stanu izolacji zwojowej RSO (z ang. Recurent Surge Oscilograph). Metoda polega na podaniu na jeden z biegunów wirnika impulsu napięciowego o bardzo dużej stromości narastania i rejestracji przebiegu oscylacyjnego tłumionego, podczas gdy drugi biegun wirnika jest uziemiony. Następnie podawany jest impuls na drugi biegun, przy uziemieniu pierwszego i porównuje się uzyskane przebiegi.Model elektryczny wirnika generatora można przedstawić jako układ RLC składający się z rezystancji uzwojenia, rezystancji izolacji, pojemności głównej, pojemności pomiędzy zwojami oraz indukcyjności uzwojenia. Odpowiedzią układu RLC na impuls jednostkowy jest przebieg oscylacyjny tłumiony. W przypadku obecności zwarcia zwojowego w jednym z biegunów wirnika, parametry schematu zastępczego ulegają zmianie – przebiegi
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
pochodzące od pomiarów jednego bieguna mają inną częstotli-wość drgań własnych niż od drugiego. Przykładowe przebiegi dla wirnika typu AEG – FKWS 3742p bez zwarć – po lewej oraz ze zwarciem – po prawej przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Wyniki badania wirnika metodą impulsową dla wirnika dobrego i ze sztucznym zwarciem Zwarcie zwojowe w jednym z biegunów powoduje odkształ-cenie przebiegu. Różnica w przebiegach określana jest poprzez wskaźnik EAR (z ang. error area ratio). Nawet niewielkie zmiany w przebiegach wpływają znacząco na wartość wskaźnika EAR. Jeżeli wartość maksymalna impulsu jest odpowiednio wyso-ka, możemy wówczas dodatkowo mówić o diagnostyce izolacji zwojowej pod względem osłabienia. Amplituda napięcia zależy od napięcia znamionowego maszyny oraz od czasu narastania impulsu napięciowego. Dla wirników generatorów amplitudę napięcia oblicza się z zależności: gdzie: UT – amplituda napięcia testu, kV Un – napięcie znamionowe wirnika, kV Tester wysokonapięciowy generuje impulsy z częstotliwością 8 Hz, Amplituda impulsów rośnie od zera aż do napięcia próby, w odpowiedzi na każdy impuls otrzymujemy szereg przebiegów tłumionych, przy czym tester przechowuje w pamięci i analizuje ostatnie dwa przebiegi. W przypadku przebicia izolacji zwojowej podczas najazdu napięcia tester na podstawie analizy różnicy przebiegów wskazuje na defekt. Zaletą metody jest łatwość wy-konania oraz możliwość pomiarów w stanie dynamicznym wirnika. Źródłem napięcia testera jest wysokonapięciowy kondensator, który za pomocą kluczy tranzystorów IGBT w bardzo krótkim czasie zostaje rozładowany na obiekcie.Istotnym parametrem testera jest właściwa wartość pojem-ności kondensatora. Duża pojemność pozwala na uzyskanie dużej energii udaru, lepszy rozkład napięcia na cewkach wirnika, jednak pojemność kondensatora może być dominującym para-metrem i zwarcie zwojowe może nie mieć widocznego wpływu na parametry przebiegu. Zbyt mała pojemność sprawia, że tylko na pierwszych cewkach odkładane jest właściwe napięcie.
Wiele defektów izolacji ujawnia się dopiero w stanie dy-namicznym wirnika. Istnieje więc potrzeba diagnostyki izolacji wirnika w funkcji obrotów. Jeżeli rezystancja styku w punkcie zwarcia jest stosunkowo duża i zależy od prędkości obrotowej, trudno jednoznacznie określić stan izolacji zwojowej na podstawie przebiegu impedancji.
Wiarygodnym pomiarem wirnika w stanie dynamicznym jest pomiar napięć żłobkowych indukowanych w cewce pomiaro-wej. W przedstawianym pomiarze wirnik zasilany jest prądem stałym o wartości min 100 A, cewka pomiarowa umieszczona jest w odległości ok. 2 cm od beczki wirnika. Podczas wirowania wirnika w cewce pomiarowej indukują się siły elektromotoryczne pochodzące od każdego żłobka. Wyindukowane napięcie jest proporcjonalne to liczby zwojów w żłobku oraz parametrów obwodu magnetycznego. Aparatura pomiarowa rejestruje napięcia indukowane przez każdy żłobek, następnie program pomiarowy porównuje (nakłada na siebie) sygnały napięciowe pochodzące od pierwszego oraz drugiego bieguna, a następnie interpretuje sygnały pochodzące od połowy cewek danego bieguna. Pomiar wirnika przy zasilaniu uzwojenia prądem stałym eliminuje wpływ obwodów tłumiących na wyniki pomiaru. Pomiar ten jest jednym z podstawowych pomiarów elektrycznych wykonywanych podczas wyważania dynamicznego wirnika. Znając liczbę zwojów w każdej z cewek wirnika można oszacować liczbę zwarć oraz wskazać uszkodzoną cewkę. Rysunek 4 przedstawia oscylogramy napięć żłobkowych wirnika TWW 200-6c podczas pomiarów na odwirowni. W stanie statycznym, jak również do prędkości 500 rpm wirnik nie wyka-zywał defektów izolacji zwojowej. Wraz ze wzrostem prędkości wirowania w cewce nr 8 uwidaczniało się uszkodzenie izolacji zwojowej (rys. 5b). Po zdjęciu kołpaków dogłębna inspekcja wska-zanej cewki wykazała lokalne uszkodzenie izolacji zwojowej.
Rys. 4. Oscylogramy wirnika TWW 200-6c przy prędkości 3000 rpm
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Wnioski
Podczas przeglądu wirnika w Zakładzie Generatorów „Energo-serwis” S.A., wirnik poddawany jest szeregu próbom i pomiarom elektrycznym stwierdzającym obecność zwarć oraz stan izolacji zwojowej uzwojenia. Od lat dokonywany jest pomiar impedancji statycznej wirnika, pomiar spadków napięć na biegunach wirnika oraz pomiar rozkładu strumienia rozproszenia na powierzchni wirnika. Ostatnio rozszerzony został zakres badania o metodę RSO, a także pomiar napięć żłobkowych w stanie dynamicznym w odwirowni wirników, gdzie symulowane są warunki termiczne i dynamiczne odpowiadające warunkom panującym podczas pracy generatora. Pomiary elektryczne wykonywane w tym stanie pozwalają jednoznacznie określić stan techniczny izolacji zwojowej uzwojenia wirnika. Dzięki posiadanej bazie i stosowaniu szeregu metod wykrywania zwarć zwojowych, „Energoserwis” S.A. zapewnia wysoką jakość produkowanych i remontowanych wirników generatorów.LITERATURA
[1] Albright Donald R., Albright David J.: Generator field winding shorted turn detection technology
[2] Dąbrowski M.: Projektowanie maszyn elektrycznych, WNT Warszawa 2008
[3] Przybysz J.: Turbogeneratory. IEN, 2004
[4] Sieradzki S.: Wytyczne pisania referatów. Przegląd Elektrotech-niczny 2008, nr 8, s. 23-28
[5] Wiedenbrug E., Frey G., Wilson J.: Impulse testing and turn insulation deterioration in electric motors
[6] Generator field Winding Shorted Turns, Observed Conditions and Causes – Advanced Generator Maintenance Technology Seminar
[7] IEEE Std 522™-2004 – IEEE Guide for Testing Turn Insulation of Form-Wound Stator Coils for Alternating- Current Electric Machines [8] IKJ – 004/0612 – Pomiar impedancji wirnika (Procedura Ener-goserwis S.A.) [9] IKJ – 007/0613 – Pomiar strumienia rozproszenia na powierzchni wirnika (Procedura „Energoserwis” S.A.) Rys. 5 Nałożone przebiegi napięć żłobkowych wirnika przy prędkości: a) 500 rpm, b) 3000 rpm a) b)
q
Wentylator osiowy z tylnymi łopatkami kierowniczymi
do wentylatorów
Zwiększanie mocy znamionowej generatorów wymusza między innymi intensyfikację systemów ich chłodzenia. W ma-szynach elektrycznych, takich jak generatory do chłodzenia uzwojeń stojana i wirnika stosowane są wentylatory osiowe lub promieniowe, których zadaniem jest przetłaczanie czyn-nika chłodzącego przez elementy generatora. Najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest układ dwóch wentylatorów zamontowanych pojedynczo po obydwu stronach wirnika generatora. Wentylatory pracują jako ssące albo tłoczące czynnik chłodzący. Wentylatory współpracują bezpośred-nio z osłonami, które mogą być bezłopatkowe lub mogąStefan Sieradzki, Eugeniusz Prysok, Jan Adamek, Joachim Otte, Jarosław Dziuba
„Energoserwis” S.A. posiadać łopatki kierownicze. Jako czynnik chłodzący sto-sowane jest powietrze lub wodór, który przepływa w obiegu zamkniętym. Często spotykanym w generatorach jest układ dwóch po-jedynczych wentylatorów osiowych ssących współpracujących z osłoną bezłopatkową. W takim układzie czynnik chłodzący napływa na wentylator ze szczeliny pomiędzy wirnikiem a stoja-nem generatora oraz ze strefy połączeń czołowych, a następnie kierowany jest przez osłonę wentylatora oraz kanał pionowy w korpusie generatora na chłodnice, gdzie po ochłodzeniu kierowany jest na stojan i wirnik generatora.E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Generatory typu TWW-200-2 i TWW-200-2A posiadają wen- tylatory osiowe pracujące w układzie ssącym z osłonami bezło-patkowymi. Czynnikiem chłodzącym jest wodór. Po dokonaniu modernizacji generatorów typu TWW-200-2 i TWW-200-2A o mocy znamionowej 200 MW uzyskano wzrost mocy o 30 MW i oznaczono je typem TWW-230. W 2004 roku „Energoserwis” S.A podjął prace projektowo-badawcze, przy współpracy z Po-litechniką Śląską, nad nową konstrukcją wentylatorów osiowych do tego typu generatorów. Nowe wentylatory zaprojektowano z łopatkami nastawnymi, pracującymi w układzie ssącym. Pra-ce projektowo-badawcze zakończono w I połowie 2007 roku. Zmodernizowana konstrukcja wentylatorów osiowych została wdrożona do produkcji w II połowie 2007 roku i zastosowa-na w generatorze typu TWW-320-2Y3. Przed modernizacją stosowano w tym generatorze konstrukcję wentylatorów jak w generatorze TWW-230.Przetłaczany czynnik wypływający z osłony wentylatora osiowego posiada pewną energię kinetyczną, która stanowi stratę wylotową wentylatora. Energia ta może być zamieniona na ciśnienie statyczne, a przez to zwiększyć ciśnienie całkowite wytwarzane przez wentylator. Zamiana energii kinetycznej czyn-nika wypływającego z osłony wentylatora na energię statyczną możliwa jest poprzez zastosowanie odpowiednio wyprofilowa-nych łopatek kierowniczych usytuowamożliwa jest poprzez zastosowanie odpowiednio wyprofilowa-nych bezpośrednio za łopatkami wirnika wentylatora. Z powyższych względów w 2008 roku dokonano dalszej modernizacji konstrukcji wentylatora i zaprojektowano łopatki kierownicze usytuowane w osłonach wentylatorów generatora TWW-230.
Po wykonaniu wentylatora z łopatkami kierowniczymi w skali modelowej przeprowadzono badania przepływowe na stanowi-sku pomiarowym na Politechnice Śląskiej w Gliwicach.
Pozytywne wyniki badań na każdym etapie realizacji po-wyższego projektu skłoniły nas do zgłoszenia nowej konstrukcji wentylatorów osiowych z tylnymi łopatkami kierowniczymi do ochrony patentowej w Urzędzie Patentowym RP. Łącznie na powyższe rozwiązanie dokonano zgłoszenia do ochrony pa-tentowej trzech wynalazków. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań mode-lowych wentylatora z łopatkami kierowniczymi oraz dokonano porównania jego rzeczywistej charakterystyki pracy z wentyla-torem po pierwszym etapie modernizacji oraz z wentylatorem oryginalnym.
Charakterystyka pracy wentylatorów osiowych
stosowanych w generatorach
Charakterystyka przepływowa typowego wentylatora jest to zależność spiętrzenia całkowitego od wydajności ∆Pc = f(V). Parametry punktu pracy wentylatora (wydajność, spiętrzenie) są określone z jednej strony poprzez charakterystykę przepły-wową wentylatora, a z drugiej strony poprzez krzywą oporów przepływu przetaczanego czynnika. Punkt pracy wentylatora na wykresie ∆Pc = f(V) jest punktem przecięcia się krzywej oporów przepływu czynnika z charakterystyką wentylatora. W przypadku stabilnej charakterystyki wentylatora istnieje możliwość zmiany parametrów jego punktu pracy (wydajności i spiętrzenia) poprzez zmianę kąta ustawienia łopatki. Zwykle wentylatory osiowe mają niestabilną charakterystykę pracy w lewej swej części [1 – 5]. Ponieważ przepływ czyn-nika chłodzącego przez generator jest bardzo oporowy, tzn. że krzywa oporów przepływu jest bardzo stroma i przebiega po lewej części charakterystyki wentylatora, wówczas punkt pracy wentylatora znajduje się w tzw. obszarze niestabilnym (pompażu) i mamy do czynienia z pracą wentylatora w obszarze niestabilnym, co jest zjawiskiem bardzo niekorzystnym dla pracy wentylatora. Praca wentylatora w obszarze pompażu objawia się między innymi dużymi pulsacjami wydajności i ciśnienia oraz drganiami układu wirującego. W przypadku, gdy przebieg cha-rakterystyki wentylatora w pobliżu krzywej oporów ma przebieg niestabilny, wówczas nie można uzyskać znaczącego wzrostu parametrów przepływowych wentylatora wraz ze zmianą kąta ustawna łopatki. W celu zobrazowania, w jaki sposób zmienia się punkt pracy wentylatora w zależności od typu charakterystyki wentylatora na rysunkach 1 i 2 przedstawiono przebiegi różnych charakterystyk wentylatorów osiowych (w tym stosowanych generatorach) wraz z krzywymi oporów czynnika w układzie współrzędnych względnych ∆Pc = f(V).
Na rysunku 1 przedstawiono przebieg dwóch niestabilnych charakterystyk nr 1 i 2 wentylatora osiowego z możliwością zmiany kąta ustawienia łopatek wirnika, a tym samym uzyskania zmiany charakterystyki przepływowej wentylatora i parametrów jego punktu pracy. Zamieszczono również przebieg dwóch krzy-wych oporów czynnika nr 1 i 2. Kąt ustawienia łopatek wirnika wentylatora β>a. Jak wynika z powyższego rysunku dla charak-terystyki nr 1 (kąt ustawienia łopatek wirnika β) i krzywej oporów nr 2 wydajność wentylatora V1 jest większa od wydajności V2 jak dla charakterystyki nr 2 (kąt ustawienia łopatek wirnika a). Natomiast w przypadku krzywej oporów nr 1 wydajność wen-tylatora V1 jest mniejsza od wydajności V2. Rys.1. Przebieg niestabilnych charakterystyk wentylatora osiowego
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
4
0
L
A
T
E
N
E
R
G
O
S
E
R
W
I
S
S
A
Jak wynika z przebiegu charakterystyk zamieszczonych na rysunku 1 w przypadku krzywej oporów nr 1 (przebieg bardzo stromy), pomimo zwiększenia kąta ustawienia łopatek wirnika wentylatora, na skutek niestabilnego przebiegu charakterystyk nr 1 i 2 mamy do czynienia ze spadkiem wydajności wentylatora. Zwykle z tego typu przebiegiem niestabilnych charakterystyk mamy do czynienia w generatorze, gdzie przebieg krzywej opo-rów czynnika chłodzącego jest bardzo stromy, a charakterystyki mają przebieg niestabilny.
W typowych wentylatorach osiowych w celu stabilizacji charakterystyki stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne mające na celu zmianę przebiegu charakterystyki przepływowej. Jednakże zastosowanie w generatorze typowego rozwiązania konstrukcyjnego mającego na celu stabilizację charakterystyki wentylatora jest niemożliwe ze względu na montaż wentylatora osiowego w generatorze. Jak podano w [6 – 8], w celu zwiększenia wydajności wentyla- tora opracowano nową konstrukcje łopatek o takich geometrycz-nych cechach konstrukcyjnych, które umożliwiającą uzyskanie stabilnych charakterystyk w pobliżu punktu pracy wentylatora. Na rysunku 2 (w układzie współrzędnych względnych) przedstawiono przebieg charakterystyki wentylatora zastosowanego w genera-torze przed modernizacją (charakterystyka niestabilna) oraz po modernizacji – Etap I. Modernizacja wentylatora – Etap I polegał na zmianie geometrycznych cech konstrukcyjnych łopatek wirnika wentylatora zastosowanego w generatorze. Rys. 2. Przebieg charakterystyk wentylatora osiowego przed i po modernizacji – Etap I
Projektowanie wentylatorów
z łopatkami kierowniczymi w osłonie wentylatora
Proces projektowania wentylatora służącego do chłodzenia generatora TWW-230 z łopatkami kierowniczymi w osłonie wen-tylatora rozpoczęto przy następujących założeniach: • zmodernizowany wentylator z łopatkami kierowniczymi w osło-nie wentylatora powinien mieć wyższą wydajność o ok.10 % w porównaniu z wentylatorem z zmodernizowanym z wirnikiem nr 3 [9],• zmodernizowany wentylator z łopatkami kierowniczymi w osłonie wentylatora powinien mieć wyższą wydajność o 10% w porównaniu z wentylatorem oryginalnym bez łopatek kierowniczych,
• otrzymane charakterystyki przepływowe ∆Pc =f (V) zmoderni-zowanego wentylatora powinny mieć stabilny przebieg przy zmianie kątów ustawienia łopatki.
W celu zwiększenia wydajności wentylatora z łopatkami kierowniczymi w osłonie wentylatora służącego do chłodzenia generatora TWW-230 na podstawie literatury przedmiotu [1 – 5] zaprojektowano łopatki kierownicze w osłonie wentylatora dla następujących wskaźników bezwymiarowych: Wskaźnik szybkobieżności: V – wydajność wentylatora, m3/s] ∆Pc – spiętrzenie całkowite wentylatora, Pa r – gęstość przetłaczanego czynnika, kg/m3 p – ciśnienie czynnika chłodzącego = 0,3 MPa R – stała gazowa wodoru = 4124,5 J/kgK T – temperatura czynnika = 55 °C = 328 K Wskaźnik średnicy: Dz – średnica zewnętrzna wirnika, m Wskaźnik wydajności: uz – prędkość obwodowa wirnika, m/s Wskaźnik spiętrzenia: (1) (2) (3) (4) (5) , kg/m3
