книги из ГПНТБ / Аврух, В. Ю. Устройство и эксплуатация щеточных узлов современных турбогенераторов и турбовозбудителей

Колебание системы до момента времени t, пока Fi≤mω2α sin ω/, будет происходить по общему закону. При F2≥mω2<7 sin оК кольцо

будет продолжать движение без изменений, щетка же с пружиной

будет представлять собой отдельную систему, которая начинает движение вертикально вверх со скоростью, равной колебательной

будет происходит отрыв щетки. Уравнение движения системы

mx=Fi + F2

или

mx=Cl(b + a sin ω∕).

Как мы уже выяснили, отрыв произойдет при

-maω2 sin ωt + ab + Cla sin ωt<0:

Отсюда

6=12 мм, F=I 100 гс и f=50 Гц определим величины критических амплитуд ее колебания при частоте 50 и 100 Гц:

я1 100

—∙6282 — 800

Как видно из полученных расчетным путем значений величин Критических амплитуд колебаний щетки, они

находятся в пределах тех значений, которые встреча­

ются в практике эксплуатации.

Однако, если учесть жесткость контактного слоя, влияние сил трения щетки о стенки обоймы щеткодер­ жателя и щетки о кольцо, то можно установить, что:

1.Уменьшение контактной жесткости снижает ве­ роятность отрыва, а ее повышение снижает критическую амплитуду.

2.Увеличение силы трения приводит к повышению вероятности отрыва.

3.Отрыв щетки от кольца происходит на более низ­ ких частотах, чем от нажимного стержня щеткодержа­ теля.

62

Таким образом, учет условий, которые при расчете ве­ роятности отрыва щетки и критической амплитуды не принимались во внимание, приблизит значения крити­

ческой амплитуды к реальным. Это вызвано тем, что, во-первых, щеточный контакт работает в области упру­

Рис. 4-5. Формы износа контактных колец. Точка 0° (360°) соответ­ ствует месту подсоединения токоподвода к контактному кольцу.

Обозначение: 1-2 — первое кольцо, вторая дорожка.

особенно щетки об обойму щеткодержателей, имеют зна­ чительную величину и повышают инерционность си­ стемы.

При амплитудах вибрации выше критической соот­

ветственно будут меняться фаза отрыва и момент встре­ чи. Процесс восстановления прерванного контакта меж­ ду щеткой и кольцом может идти двумя путями в за­ висимости от сдвига фаз колебаний обеих систем, направления векторов ускорений, посадки щетки в на­ правляющей обойме щеткодержателя и сил трения.

При благоприятном сочетании всех этих условий вос­ становление прерванного контакта сопровождается се­ рией упругопластических соударений щетки о кольцо.

В результате электрический контакт имеет пульсирую­ щий прерывистый характер. Возникающие при этом

53

большие колебания величины цереходного напряжения и давления в контактном слое сопровождается электро­ искровыми дуговыми разрядами и вызывает вместе с ме­ ханическим воздействием интенсивный износ кольца.

Постоянно изменяющиеся точки отрыва и встречи

щетки с кольцом приводят к тому, что износ кольца при­ обретает самые разнообразные формы (рис. 4-5). В экс­ плуатации имеются случаи, когда наблюдается повышен­ ный износ контактных колец даже при отсутствии виб­ рации консоли вала и самих колец.

Как показано в [Л. 7], условие безотрывности сколь­ жения ухудшается при увеличении высоты неровности кольца- и уменьшении длины этих неровностей.

При встрече щетки и кольца в противофазе появля­ ется значительная по величине тангенциальная состав­ ляющая удара, вызванная инерционными силами за счет резко возросших сил трения и зависящая от зазора

ударяется о щеткодержатель с конечной скоростью. Во время удара жесткий щеткодержатель своим ребром врезается в материал щетки. При этом чем больше мас­

са щетки и ее ускорение, тем больше внедряется щетко­

держатель в материал щетки и. тем больший промежу­ ток времени они находятся в соприкосновении. При ра­ боте щетки, обладающей теми же значениями массы и ширины щетки, но большим модулем упругости, глуби­ на внедрения щеткодержателя в тело щетки, а следова­

тельно, и время его «торможения» оказываются мень­ шими. При кратковременном торможении в процессе со­ ударения силовые воздействия на щетку значительно больше, чем при длительном.

'Согласно {Л. 8] сила, действующая на щетку во время удара, довольно точно описывается формулой (кгс/с2)

где а —ускорение щетки, мм/с2; ¿» — ширина щетки, мм; /г—число соударений щетки со щеткодержателем; E — модуль упругости,

кгс/мм2; f— плотность материала щетки, кгс/мм3; I — длина щетки,

мм; h — высота щетки, мм.

При постоянстве величин а, п, f, I и h сила, действующая на щетку во время удара о щеткодержатель, оказывается зависящей только от ширины щетки и модуля упругости материала, из кото­ рого она изготовлена.

54

Для сравнения можно показать, что сила, действующая на щет­ ки марки ЭГ-4 сечением 22×30 мм при высоте 30 мм, на 40% выше, чем для щетки тойже массы, но имеющей высоту 20 мм (сечение

20 X 32 мм).

Значительно большее влияние на качество токосъема оказывает конструктивное оформление поверхности скольжения контактных колец.

В настоящее время все турбогенераторы с форсиро­ ванным охлаждением работают с контактными кольца­ ми, на рабочих поверхностях которых выполнена винто­ вая нарезка. На ряде турбогенераторов типов ТВ-50-2, ТВ2-100-2 и других в порядке модернизации также вы­ полняется винтовая нарезка рабочей поверхности кон­ тактных колец с шагом 10 мм и отношением ширины вы­ ступа к ширине впадины, равным 7/з-

В качестве иллюстрации эффективности винтовой на­ резки поверхности контактных колец можно привести результаты эксперимента, выполненного на контактных

кольцах диаметром 130 мм, частота вращения которых равна 3 000 об/мин.

Основные отличия в работе щеток на гладких коль­ цах и кольцах с нарезками заключаются в том, что по­ следние:

а) обладают самовентилирующей способностью, т. е. отвод тепловых потерь в скользящем контакте происхо­

дит более интенсивно; б) снижают влияние аэродинамического газового

клина под щетками на скользящий контакт, т. е. кон­ такт более устойчивый;

в) обладают способностью «переключать» ток от

одной контактной точки к другой, т. е. не позволяют току концентрироваться по отдельным точкам.

При этом оказалось, что для контактных колец с многозаходной двусторонней нарезкой в связи с тур­ булентным движением охлаждающего воздуха коэффи­ циент теплоотдачи в 4 раза выше коэффициента тепло­

отдачи контактного кольца с обычной винтовой нарез­ кой.

Если учитывать, что контактные кольца с многозаходной дву­ сторонней нарезкой имеют более развитую поверхность охлаждения,

условия работы таких контактных колец благоприятней.

Для определения оптимального угла наклона нарезки можно воспользоваться уравнением Фурье:

Q 413

ctp — F∆t ~0,032∙110 = ɪɪ8 ккал/(м2-°С-ч),

55

где F — суммарная площадь канавок, м2; At— средняя температура

потока, °С;, а — коэффициент теплоотдачи.

Тепловые потери на контактных кольцах по Данным экспери­ мента составляют 413 ккал/ч. Если канал, составляет с потоком газа угол φ, то из [Л. 12] определяется коэффициент

, ар _ 118 εφ = “ö 225 = 0,525.

По таблицам из [Л. 12] при значении εφ — 0,525 угол у = 25°.

Увеличение угла у вызовет увеличение тепловых потерь на трение,

так как εφ стремится к 1, а значение у — к максимуму при одной и той же активной поверхности каналов.

Приведенные расчеты были проверены экспериментально, для чего были изготовлены два контактных кольца из стали 2X13 диа­ метром 220 мм, на одном из которых была нанесена однозакодная

винтовая нарезка с отношением ширины канавки к ширине выступа 3A, а на втором-— многозаходная винтовая нарезка с тем же шагом

Рис. 4-6. Общий вид контактных колец с винтовой и многозаходной .

винтовой нарезками.

Рис. 4-7. Параметры расположения и рассеяния рабочих характери­

и тем же отношенйем ширины канавки к ширине выступа. Угол

колец с многозаходной двусторонней резьбой показали значительное улучшение работы узла токосъема с точ­ ки зрения уменьшения износа щеток, улучшение равно-

56

мерности токораспределения и снижение температуры

колец (рис. 4-7).

Определенное влияние на равномерность токорас­ пределения оказывает конструктивное исполнение ще­ точного узла турбогенераторов. При существующей кон­ струкции щеточного узла траверса служит одновремен­ но и токоподводом, и местом крепления щеткодержа­ телей, что приводит при больших токовых нагрузках

к значительному падению напряжения на траверсе.

При схеме подвода тока к нижней части траверсы щет­ ки, расположенные у места подвода, оказываются бо­ лее загруженными током. По мере удаления щеток от места подвода вследствие падения напряжения на тра­ версе щетки оказываются все менд^е загруженными то­

ком. Крепление щеткодержателей на токопроводящую траверсу создает дополнительные трудности, связанные с возможностью прохождения тока через щеткодержа­ тель, нажимное устройство и щетку, минуя токоподво­ дящий канатик щетки. Как показывают эксперименты,

при такой схеме крепления обычно применяемого дюр­ алюминиевого щеткодержателя к траверсе, через щет­ кодержатель проходит значительная (до 50%) часть тока. Указанное обстоятельство, как правило, приводит к нарушению нормального функционирования узла то­ косъема, которое выражается либо в оплавлении щет­ кодержателя, либо в разрушении щетки.

Глава пятая

Эксплуатационные характеристики и обслуживание щеточного узла контактных колец турбогенераторов

Уяснение сущности процессов, происходящих в скользящем контакте и изложенных в гл. 4, позво­ ляет более правильно реализовать возможности, зало­ женные в конструкции и элементах щеточного аппарата турбогенераторов. Необходимые при этом мероприятия

и и-х' принципы разработки позволяют установить систе­ матический контрольна работой узла и анализ эксплуа­ тационных данных. При этом ряд положений, установ­ ленных экспериментально, изложен ниже.

Существенное влияние на работу узла токосъема,

в частности на величину износа щеток, оказывает их расположение на поверхности кольца. C целью опре­ деления оптимального расстояния между щетками про-

57

водились испытания на макете турбогенератора мощно­ стью 300 МВт при схеме расположения .щеток, приня­ той заводами «Электросила» и «Электротяжмаш»

(рис. 5-1,а). Расстояние между щетками регулирова­ лось путем удаления части щеткодержателей. Плот­ ность тока в щетках поддерживалась постоянной и со­ ставляла 13 А/см2. Результаты эксперимента представ­ лены на рис. 5-1,6. Анализ этого рисунка свидетельст­ вует о том, что как для той, так и для другой схемы расположения щеток существует определенное опти­

мальное расстояние между щетками, при котором износ последних достигает наименьших значений. Для кон­ кретных условий эксперимента на стальных кольцах диа­

метром 460 мм при окружной скорости последних

78 м/с и плотности тока под щетками 13 А/см2 оптималь­

ное расстояние между щетками составляет 50—60 мм.

При увеличении этого расстояния появляется значи­

тельное искрение под щетками, а также увеличивается

их износ. Естественно, что для других условий оптималь­ ное расстояние между щетками может отличаться от установленного в описанном опыте, однако сам факт влияния расстояния между щетками па величину из из­ носа следует считать экспериментально доказанным.

При использовании колец с винтовой нарезкой суще­ ственную роль играет правильный выбор размера щеток, особенно их ширины. Желательно, чтобы ширина щетки выбиралась кратной шагу винтовой линии. Если это условие не соблюдается, контактная поверхность каждой щетки постоянно изменяется между двумя пределами, что вызывает изменение удельного давления на щетку и увеличивает неравномерность распределения тока. Это положение подтверждается при рассмотрении рис. 5-1,а.

Схема расположения щеток, принятая заводом «Элек­

тросила», имеет некоторое преимущество в отношении пределов колебания реальной контактной поверхности и равномерности распределения тока. Как показывают

расчеты, колебания тока под щетками здесь составляют 6—9%, в то время как при схеме расположения завода «Электротяжмаш»— 10—15%.

В настоящее время для контактных колец турбогене­ раторов применяют щеткодержатели с цилиндрической пружиной сжатия. Эти щеткодержатели сравнительно легко доступны для обслуживания, поэтому в процессе

работы по мере износа щетки имеется возможность под-

58

регулировки нажимного усилия путем перемещения пру­ жины вдоль зубчатой рейки. Однако щеткодержатели

такой конструкции обладают одним существенным недо­

статком: по мере износа щетки нажимное усилие цилин­

дрической пружины сжатия значительно уменьшается

(рис. 5-2).

ДА

59

Следствием снижения нажимного усилия в этих щет­ кодержателях является нарушение стабильности токо­ съема, сопровождающееся - повреждением поверхности контактных колец, что при определенных условиях мо­ жет привести к повышению вибрации щеток и их сколам. Слишком низкое давление является также причиной

возникновения искрения щеток, что приводит к повышен­

ному износу щеток. Результатом непостоянства нажим­ ного усилия, создаваемого цилиндрическими пружинами сжатия, являются различная скорость изнашивания от­

дельных щеток и как следствие этого крайне неравно­ мерное давление на щетки, что в свою очередь приво­ дит к неодинаковой токовой нагрузке параллельно рабо­ тающих щеток при значительной разнице нажатия,

к выходу из строя щеток, наиболее перегруженныхто­ ком.

Исследования, проведенные на стенде, воспроизводя­ щем в натуральную величину контактные кольца турбо-

вой на все щетки при различной установке, регулирующей нажатие планки на ступенях регулирования. В результа­ те проведенных работ было установлено, что последнее обстоятельство связано с наличием различных зазоров

в обойме, неправильного зазора между щеткой и внут­

ренней обоймой и перегрева пружины в результате про­ хождения через нее тока.

60