Seria: ELEKTRYKA z. 177
Andrzej BYTNAR11
KRYTERIUM MECHANICZNE W OCENIE DOPUSZCZALNEJ OBCIĄŻALNOŚCI TURBOGENERATORA
Streszczenie. Omówiono zmodyfikowany wykres dopuszczalnych obciążeń turbogeneratora uwzględnia
jący kryterium mechaniczne. Podano sposób wyznaczania krzywych ograniczających moc elektryczną maszyny przy założeniu nieprzekraczania dopuszczalnych wartości wibracji o częstotliwości 0.1 kHz rdzenia i korpusu stojana. Przedstawiono wyniki badań wibracyjnych turbogeneratorów, które sugerują konieczność rozszerzenia stosowanego kryterium mechanicznego. Przy ocenie stanu wibracyjnego stojana zaproponowano, aby brać pod uwagę harmoniczne wibracji o częstotliwości do 1 kHz wszystkich głównych jego części (połączeń czoło
wych uzwojenia, rdzenia i korpusu). Przedstawiono zmodyfikowany wykres obciążalności turbogeneratora uwzględniający nadmierne średniokwadratowe wartości wibracji o częstotliwości do 1 kHz ww. części stojana.
MECHANICAL CRITERION IN ASSESSMENT OF PERMISSIBLE LOAD OF TURBOGENERATOR
Summary. A modified diagram of turbogenerator permissible load with mechanical criterion taken into consideration is described. There is given a method of determination of the curves limiting the machine electri
cal power assuming that the core and frame vibrations of 0.1 kHz frequency do not exceed their permissible values. The presented results of vibrational tests suggest the need of widening the mechanical criterion being usually applied. It Is proposed that for assessment of the stator vibrational state the harmonics of the frequen
cies up to 1 kHz for its all main parts (outhangs, core, frame) are to be taken into consideration. The modified diagram of turbogenerator permissible load takes Into account the excessive mean-square values of vibrations of those parts with frequency up to 1 kHz.
Key words: turbogenerator, vibration, permissible load.
1. W S T Ę P
Podczas eksploatacji turbogeneratora, na skutek zachodzących procesów elektrom echanicz
nych, zm niejszają się w artości sił ściskających i m ocujących jego elementy, co w konsekwencji powoduje pow iększenie luzów w poszczególnych węzłach konstrukcyjnych. Doprowadza to do zw iększenia podatności poszczególnych elem entów na w ibracje wywoływane siłam i pochodzącym i od naciągu m agnetycznego, które - ja k w ykazały badania - s ą zm ienne i zależą od param etrów elektrycznych turbogeneratora [3,4], Nadm ierne wibracje elem entów stojana doprow adzają prze
w ażnie do poważnych ich uszkodzeń. Problem ten je s t szczególnie istotny dla dużych m aszyn pra
cujących w zm iennych w arunkach obciążeń energetycznych.
W celu obniżenia nadm iernych w ibracji stojana turbogeneratora (przed rem ontem ) wprowadza się program ow e ograniczenie jego obciążeń w ynikające z kryterium m echanicznego [1,6]. Przy re
alizacji tego kryterium bierze się pod uwagę przyspieszenia w ibracji o częstotliwości 0.1 kHz rdze
nia i korpusu stojana. Z przeprow adzonych licznych badań w ibracji wynika, że w celu zapewnienia dobrej kondycji turbogeneratora należałoby uwzględniać również w ibracje jego innych części oraz a nalizow ać w ibracje w szerokim paśm ie częstotliwości.
^ Dr hab. prof. lEn, Instytut Energetyki, ul. Mory 8, 01-330 Warszawa, tel. (0-22) 836-32-01, fax (022) 836-63-63, e-mail A.Bytnar@ien.com.pl
2. Z M O D Y F IK O W A N Y W Y K R E S O BC IĄ ŻE Ń TU R BO G E N E R A T O R A
Przy wyznaczaniu zm odyfikow anego wykresu dopuszczalnych obciążeń turbogeneratora przyjm uje się pow szechnie stosow ane kryteria ograniczające (tem peraturow e, m aksym alnej mocy czynnej, rów nowagi przy w spółpracy z system em przesyłowym ) uwzględniające podstawowe pa
ram etry cieplne turbogeneratora, bloku energetycznego i system u przesyłowego oraz kryterium m echaniczne (w ibracyjne) uw zględniające poziom y w ibracji korpusu i rdzenia stojana [1,6 ].
Kryterium m echaniczne je s t sform ułow ane następująco: 'D la zachowania w łaściwego stanu technicznego elem entów stojana przyspieszenia w ibracji rdzenia i korpusu stojana o częstotliwości 0.1 kHz nie powinny p rzekraczać w artości dopuszczalnych - w całym zakresie przewidywanych długotrw ałych obciążeń turbogeneratora".
Na podstaw ie analiz awarii oraz badań w ibracji turbogeneratorów z prom ieniowym i kanałam i wentylacyjnym i w rdzeniu, elastycznym zaw ieszeniem rdzenia i sztywnym m ocowaniem prętów uzwojenia w żłobkach przyjęto dopuszczalne poziom y w ibracji elem entów stojana [1, 5],
S kuteczne w artości przyśpieszeń w ibracji stojana o częstotliw ościach 0.1 KHz nie powinny przekraczać: na pow ierzchni korpusu a(k)dop = 102,9 dB, zaś w rdzeniu a(r)dop= 112,4 dB, przy przy
śpieszeniu odniesienia a0 = 10'5 m ś 2. O dpow iada to podwójnej am plitudzie przem ieszczenia w ibra
cji (przy częstotliw ości 0.1 kHz) odpow iednio: 2A(k)dop = 10 pm i 2A(r)dop= 30 pm.
Na rysunku 2 przedstaw iono w form ie przykładu zm odyfikow any wykres dopuszczalnych ob
ciążeń je d n e go z turbogeneratorów o m ocy 500 MW.
O graniczenia m ocy generowanej w y n ika ją z :
• rów nowagi statycznej przy w spółpracy turbogeneratora z system em elektroenergetycznym - krzywa A D ,
• m aksym alnej m ocy czynnej turbiny - krzywa DF,
• m aksym alnego prądu wzbudzenia - krzywa FK,
• nadm iernych w ibracji korpusu stojana - krzywa BG,
• nadm iernych w ibracji rdzenia stojana - krzywa CJ.
P [M W ]
O g r a n ic z a n ia :
F a b ry o z n a - A D F K W ib r a c y jn e k o rp u s u d la 0.1 k H z - B H G 5 0 0 -
400 J
,i , ; D ' : E
... \ ...
- •-
> . i t F
\ Q
• r. -
-
Z iw * ,1 W ib r a c y jn a rd z e n ia
3 0 0 - d la 0 ,1 k H z - C H J
200 / - - - r iii i-i « H ^ - < : . . . _ . W ib r a c y jn e k o rp u s u i r d z e n ia d la 0.1 k H z
10 0 E
[ A . ■ •
“ M m
■.ii:’ ' <1 . .. i* ..: “
K
(ały s ta n te c h n ic z n y ) * BG
•200 -1S0 -100-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 q [ M y a r j
Rys. 1. Zmodyfikowany wykres dopuszczalnych obciążeń jednego z turbogeneratorówo mocy 500 MW Fig. 1. Modified diagram of permissible load of 500 MW turbogenerator
Krzywe BG i CJ w yznacza się dośw iadczalnie [2]. Przeprowadza się pom iary w ibracji elem en
tów korpusu i rdzenia stojana przy rozm aitych obciążeniach czynnych (P) i biernych (Q) turbogene
ratora, w ynikających z jego fabrycznego wykresu obciążenia, tj. przy Pn > P(i) 2 0 i cosepind. < 1;
coscp = 1; cosippoj. < 1. N astępujące po sobie obciążenia Pp) powinny być tak dobrane, aby różnice ich w artości były niewielkie.
W id m o przyspieszeń w ibracji elem entów stojana w funkcji czasu, zarejestrow ane podczas pom iaru, poddaje się transform acji Fouriera. Dla skutecznych w artości przyspieszeń harm onicz
nych w ibracji korpusu a (k) ; a<r) o częstotliw ości 0.1 kHz wykreśla się - na płaszczyźnie o w spół
rzędnych: przyspieszenie w ibracji (a), m oc bierna (Q) - charakterystyki a(k); a « = / (Q) przy P(i)
= const dla napięć uzwojenia stojana U rzeczywiście w ystępujących podczas obciążeń turbogene
ratora. Na tej płaszczyźnie zaznacza się dopuszczalne w artości przyspieszeń wibracji dla korpusu a(k>dop = const i rdzenia a (r)doP = const. Punkty przecięcia się charakterystyk a(k;r) = / ( Q) z charak
terystykam i a(k;,)dop = const w yznaczają współrzędne krzywej BG i CJ na płaszczyźnie P; Q.
O bszar m ocy P;Q, w którym w ystępują np. nadm ierne w ibracje I korpusu i rdzenia stojana tur
bogeneratora, opisany je s t liniam i przechodzącym i przez punkty A C H G K (rys. 1) - powinien on być elim inow any z długotrw ałej eksploatacji maszyny.
Przy pogarszaniu się stanu technicznego rdzenia krzywe BE i GH przem ieszczają się prze
ważnie w kierunku znam ionow ego obciążenia czynnego (np. do położenia krzywej EG). Przy du
żych obciążeniach czynnych turbogeneratora w ibracje rdzenia i korpusu s ą zwykle najmniejsze, ponieważ ich elem enty s ą dodatkowo usztywniane przez duży m om ent obrotowy przenoszony z wirnika (drogą m agnetyczną).
3. SZER S ZE S P O JR ZE N IE NA PRO BLEM DO PUSZCZALN YCH O BCIĄŻEŃ TU R BO G E N E R A T O R A
Przy w yznaczaniu zm odyfikow anego w ykresu dopuszczalnego obciążenia turbogeneratora nie brano dotychczas pod uwagę w ibracji połączeń czołowych uzwojenia stojana. W ynikało to głównie z m ałego rozeznania procesów wibracyjnych w tym obszarze maszyny.
Z przeprowadzonych (w ostatnich latach) wielu badań wibracyjnych połączeń czołowych uzwo
jenia stojana różnych turbogeneratorów wynika, że m ają one duży wpływ na poziom wibracji korpu
su i zębów rdzenia stojana [3, 4],
L e g e n d a
1 6 0 M W / 0 . 1 k H s /p o t. ozofc 1 0 O M W /d o 1 k H z /p o t. o zo k 2 1 OM W /O . 1 k H z /p o ł. ozofc
♦ 2 1 0 M W /d o 1 k H z /p o l. ozot.
1 4 0 M W / 0 . 1 k H z / r d z « ń
* ■ 1 4 0 M W / d o 1 k H z / r d z « ń
Q [M var]
v [d B ]
1 1 3
- 4 0 - 2 0 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 8 0 1 8 0
Rys. 2. Typowe rozkłady prędkości wibracji o częstotliwości 0.1 kHz i do 1 kHz rdzenia i połączeń czołowych uzwojenia stojana turbogeneratorów o mocy 230 MW
Fig. 2. Exemplary distributions of vibration velocities with frequency from 0.1 to 1 kHz of 230 MW turbogenerator stator core and outhangs
K onieczność ograniczania w artości wibracji połączeń czołowych uzwojenia wynika również z powodu częstego występow ania uszkodzeń ich Izolacji. W w iększości przypadków wibracje połą
czeń czołowych uzwojenia o częstotliw ości 0.1 kHz s ą największe przy dużych m ocach czynnych turbogeneratora, a szczególnie w zakresie obciążenia pojem nościowego (rys. 2). O kazuje się, że dobre m ocowanie prętów uzwojenia w obszarze koszyka połączeń czołowych uzwojenia umożliwia utrzym anie poziom u ich w ibracji nawet poniżej w artości dopuszczalnych dla rdzenia stojana [3], Dlatego też m ożna przyjąć identyczne dopuszczalne w artości w ibracji dla połączeń czołowych uzwojenia i rdzenia stojana turbogeneratora.
Stw ierdzono, że w niektórych elem entach stojana turbogeneratorów o m ocy 230 i 560 M W średniokw adratow a w a rto ść harm onicznych w szerokim paśm ie częstotliw ości ma w iększą w artość niż harm oniczna o częstotliw ości 0.1 kHz (rys. 2). To spostrzeżenie sugeruje, aby ten fa kt uwzględ
niać przy wyznaczaniu zm odyfikow anego w ykresu obciążenia turbogeneratora, bowiem rozm iar pow stającego uszkodzenia , w ibrującej części elem entu m aszyny, zależy od całkowitej energii wi
bracji. Należałoby w ię c tu uw zględniać w szystkie w artości harm onicznych w ibracji w istotnym pa
śm ie częstotliw ości np. 0 + 1 kH z - tak ja k to za le ca ją niektóre norm y [7],
D opuszczalny poziom przyspieszenia w ibracji o częstotliw ości 0.1 kHz, dla wydzielonych części m aszyny, należy w ów czas przetransponow ać na dopuszczalne poziom y w ibracji dla poszczegól
nych harm onicznych i średniokw adratow ej w szystkich harm onicznych w rozważanym paśm ie czę
stotliw ości. D opuszczalny poziom w ibracji dla w szystkich harm onicznych wydzielonej części, je s t identyczny tylko w przy rozpatryw aniu w ibracji w zakresie prędkości i dlatego dalsze rozważania prowadzono przy tym param etrze. W yn ika to z założenia, że uszkodzenia elem entu - spowodow a
ne poszczególnym i harm onicznym i w ibracji - s ą podobne, gdy iloczyny am plitud przem ieszczenia (A) i częstotliw ości (f) tych harm onicznych m a ją tę sa m ą wartość.
W tym przypadku zm odyfikow ane kryterium m echaniczne będzie brzm iało: 'D la zachowania w łaściw ego stanu technicznego stojana, skuteczne średniokw adratowe w artości harm onicznych prędkości w ibracji poszczególnych je g o części, w przedziale częstotliw ości 0 + 1 kHz, nie powinny przekraczać w artości dopuszczalnych - w całym zakresie przewidywanych długotrwałych obciążeń turbogeneratora".
W tej analizie w ibracyjnej przyjęto, że dopuszczalny poziom prędkości w ibracji w ynosi dla kor
pusu V(k)dop = 102.9 dB, zaś dla rdzenia i połączeń czołowych uzwojenia V(npC) = 112.4 dB, przy prędkości odniesienia v0 = 1.6-10'8 m s '1. O dpow iada to podwójnej am plitudzie przem ieszczenia w i
bracji (przy częstotliw ości 0.1 kHz) odpowiednio: 2A(k)doP = 10 pm i 2A(r:pC)doP = 30 pm.
-150 -100 -60 0 60 100 150 200 260 q [ M v a r ]
Ograniczania:
Fabryczna - EHL Kai obciążenia - AE Wibracyjne rdzenia I ko rpu iu do 1 kHz - CK
Wlbraoyjne rdzenia I korpueu dla 0.1 kHz - BL
Wlbraoyjne korpueu do 1 kHz (w przypadku dużyoh luzów w zawleczeniu rdzenia) - CJ Wlbraoyjne porcczan czofowych uzwojenia do 1 kHz - DGF 260
200
160
100
60
P [MW]
Rys. 3. Zmodyfikowany wykres dopuszczalnych obciążeń turbogeneratora o mocy 230 MW, uwzględniający nadmierne wibracje o częstotliwości do 1 kHz głównych części stojana
Fig. 3. Modified diagram of 230 MW turbogenerator permissible load taking Into account excessive vibrations of Its main stator parts with frequency up to 1 kHz
Na rysunku 3 przedstaw iono zm odyfikow any w ykres obciążeń dla jednego z turbogeneratorów 0 m ocy 230 M W , w którym uw zględniono poprzednio stosowane i rozszerzone kryterium m echa
niczne dla poszerzonej grupy w ydzielonych części stojana (połączenia czołowe uzwojenia, rdzeń 1 korpus).
Przy poważnym pogorszeniu się stanu technicznego elem entów turbogeneratora (np. duże luzy w węzłach konstrukcyjnych) w rozkładach ich średniokw adratowych w artości harm onicznych w ibra
cji - w fu n kcji zm ian w artości param etrów obciążenia elektrycznego - w ystępują znaczne zm iany, nawet chaos [4], Stwarza to trudności w w yznaczeniu ogólnego trendu zm ian nadm iernych wibracji,
a w konsekw encji odpow iednich krzywych ograniczających m oc w zm odyfikowanym wykresie ob
ciążeń turbogeneratora. T rudność tę m ożna jednak pokonać przez wprow adzenie, na tym wykresie, podobszarów z dużym i ograniczeniam i obciążenia, tak ja k to pokazano w form ie przykładu na ry
sunku 3 (całkow ity obszar ograniczenia obciążenia w ynikający z nadm iernych w ibracji rdzenia wy
zn a cza ją linie przechodzące przez punkty ACJM A).
4. W N IO S K I
1. U szkodzenia elem entów stojana turbogeneratora powodowane w ibracjam i m ożna elim inować przez ograniczenie zakresu je g o obciążeń elektrycznych.
2. Przy wyznaczaniu zm odyfikow anego wykresu dopuszczalnych obciążeń turbogeneratora należy stosow ać rozszerzone kryterium m echaniczne uwzględniające dopuszczalne średniokwadratowe w artości prędkości harm onicznych w ibracji rdzenia, korpusu oraz połączeń czołowych uzwojenia stojana.
LITE R A T U R A
1. Burakov A. M. e t al.: Dinam ika i p ro ć n o s t' statorov m ośćnych turbogeneratorov, Elektrotech
nika nr 1 ,1 9 8 2 .
2 .Bytnar A .: Sposób wyznaczania dopuszczalnych obciążeń energetycznych turbogeneratora, U. P. R. P „ Patent P. 296103, 1995.
3 .Bytnar A., Staw arz T.: H arm oniczne w ibracji stojana turbogeneratora, Prace Naukowe Instytutu M aszyn, Napędów i P om iarów Elektrycznych Politechniki W rocław skiej nr 48, seria: Studia i M a
teriały nr 20, SM E 2000, Badania m aszyn elektrycznych, W rocław 2000.
4. Bytnar A.: Badania w ibracji połączeń czołowych uzwojenia stojana generatora, Instytut Energety
ki, Z esp ó ł Ekspertów , Dok. nr DZE 1/1/STAT/00 W arszaw a, 2000.
5.D anilevich Ja. B. Turbogenerators: achievem ents, state o f art, future, Proceedings XXXI Interna
tional Sym posium On Electrical M achines, Synchronous M achines, Ustroń, 20 - 23 Septem ber 1995.
6 .Latek W . et al.: New operating chart fo r large power turbogenerators, CIG RE, Ref. 11-104, Paris 1990.
7 .Drgania m echaniczne. O cena drgań m aszyny na podstawie pom iarów na częściach niewirują- cych, P N - I S O 1 0 8 1 6 - 1 ,1 9 9 8 .
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Eugeniusz Świtoński
W płynęło do Redakcji 15 lutego 2001 r.
A b s tra c t
The values of forces clam ping the elem ents o f turbogenerator stator decrease during m achine exploitation due to electrom echanical processes. It leads to the increase o f clearances in "construc
tional nodes and then to the increase o f the stator parts susceptibility to vibrations involved by the forces o f m agnetic pull which, as the tests have shown, change and depend on turbogenerator electrical load param eters. Excessive vibrations o f the core usually lead to serious failures o f stator elem ents. The problem is exceptionally im portant for large power m achines operating with varying loads.
T o reduce the excessive vibrations o f turbogenerator stator (before its overhaul) the lim itation of m achine operational loads is usually applied (Fig. 1). It results from the m echanical criterion taking
into consideration perm issible accelerations of vibrations of frequency 0.1 kHz o f the core and fram e.
So fa r in determ ination o f the m odified diagram o f perm issible load the vibrations o f stator outhangs have not been taken into consideration. However, num erous tests o f outhangs vibrations o f m any tu rbogenerators have shown th a t outhangs vibrations have noticeable influence on the vi
bration level o f the fram e and sta to r teeth. In m ost cases the outhangs vibrations are the highest for large active pow ers and exceptionally fo r underexcited operation o f a turbogenerator (Fig. 2). It ap
pears that appropriate clam ping of winding bars in the region of outhangs basket allows to keep the level o f th e ir vibrations even below the perm issible values fo r the stator core. Therefore, the sam e perm issible values o f vibrations fo r stator outhangs and core can be allowed.
It has been found fo r the elem ents o f 230 and 560 M W turbogenerators that the m ean-square value o f vibration harm onics fo r the frequency range 0+1 kHz is higher than th a t fo r the harm onic of frequency 0.1 kH z (Fig. 2). Such observation should be taken into account in determ ination o f the m odified diagram of perm issible load as the possible failure range of a vibrating elem ent depends on the level o f entire vibration energy.
The perm issible level o f vibration acceleration of frequency 0.1 kHz should be referred to the perm issible level o f vibrations o f the chosen elem ent for particular harm onics and fo r the m ean- square value o f all harm onics in the considered frequency range. The perm issible level o f vibration o f the chosen e lem ent fo r all harm onics can be identical only w hen the vibration velocity is under consideration. It results from the assum ption that the elem ent failures, caused by different vibration harm onics, are sim ila r when the products o f displacem ent am plitude (A) and frequency (f) fo r par
ticu la r harm onics are o f the sam e values.
In such a case the m odified m echanical criterion has a form : "To m aintain the appropriate technical state o f the sta to r the m ean square values of vibration velocity harm onics o f its elem ents should not excess the perm issible values fo r the frequency range 0 +1 kHz within the entire region o f expected long-term loads” .
In Fig. 3 the m odified diagram o f perm issible load fo r a turbogenerator o f 230 M W is shown with both m echanical criteria - traditional and extended - taking into consideration three stator con
structional elem ents: outhangs, core and frame.
In a tu rb o generator with the technical state o f m ain elem ents significantly reduced (e.g. with large clearances in constructional nodes) the great changes and even chaos appear in relations of the m ean-square values o f vibration harm onics in function o f the load param eters. It is then difficult to determ ine the te ndency o f vibration changes and to predict the shape o f curves lim iting the loads on the m odified diagram o f the perm issible load. However, this difficulty can be overcom e by intro
ducing to the diagram appropriate subdom ains with large lim itation o f the load, as it is shown in Fig. 3 (the entire region o f load lim itation due to excessive vibrations of the core is given by the curves drawn through the points AC JM A).
