Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя

Анализируются виды повреждений и причины выхода из строя мощных турбогенераторов. Приведены результаты численных расчетных исследований распределения термомеханических напряжений в элементах верхнего стержня обмотки статора турбогенератора ТВВ-1000-2У3 в номинальном режиме при нормальном и сниженном...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Authors:	Ключников, А.А., Кучинский, К.А., Федоренко, Г.М.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України 2009
Subjects:	Проблеми безпеки атомних електростанцій
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7442
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя / А.А. Ключников, К.А. Кучинский, Г.М. Федоренко // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 12. — С. 49-59. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860269110708928512
author	Ключников, А.А. Кучинский, К.А. Федоренко, Г.М.
author_facet	Ключников, А.А. Кучинский, К.А. Федоренко, Г.М.
citation_txt	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя / А.А. Ключников, К.А. Кучинский, Г.М. Федоренко // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 12. — С. 49-59. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Анализируются виды повреждений и причины выхода из строя мощных турбогенераторов. Приведены результаты численных расчетных исследований распределения термомеханических напряжений в элементах верхнего стержня обмотки статора турбогенератора ТВВ-1000-2У3 в номинальном режиме при нормальном и сниженном расходе дистиллята. Показано, при каких расходах воды величины этих напряжений достигают опасных значений. Аналізуються види ушкоджень і причини виходу з ладу потужних турбогенераторів. Наведено результати чисельних розрахункових досліджень розподілу термомеханічних напруг в елементах верхнього стержня обмотки статора турбогенератора ТВВ-1000-2В3 в номінальному режимі при нормальній і зниженій витраті дистиляту. Показано, при яких витратах води величини цих напруг досягають небезпечних значень. Kinds of damages and the reasons of failure of powerful turbogenerators are analyzed. Results of numerical settlement researches of distribution of thermomechanical stress in elements of the top core of a winding stator turbogenerator ТВВ-1000-2У3 in a nominal mode are resulted at the normal and reduced charge of distillate. It is shown, at what charges of water of size of that stress reach dangerous values.
first_indexed	2025-12-07T19:04:24Z
format	Article
fulltext	ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 49 УДК 621.313.322 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕРЖНЯ ОБМОТКИ СТАТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА ТИПА ТВВ-1000-2У3 ПРИ СНИЖЕНИИ РАСХОДА ОХЛАДИТЕЛЯ А. А. Ключников, К. А. Кучинский, Г. М. Федоренко Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Киев Анализируются виды повреждений и причины выхода из строя мощных турбогенераторов. Приведены результаты численных расчетных исследований распределения термомеханических нап- ряжений в элементах верхнего стержня обмотки статора турбогенератора ТВВ-1000-2У3 в номиналь- ном режиме при нормальном и сниженном расходе дистиллята. Показано, при каких расходах воды величины этих напряжений достигают опасных значений. Ключевые слова: турбогенератор, охлаждение, термомеханические напряжения. Атомные электростанции Украины оснащены турбогенераторами типа ТВВ с водо- родно-водяным охлаждением. Достаточно известным является тот факт, что генератор имеет совершенную систему защиты по электрическим параметрам. Вместе с тем характер повреждений основных систем турбогенератора - обмотки статора, ротора, активной стали, бандажных колец, отклонения в работе систем охлаждения и щеточного аппарата - обусловлены термомеханическими про- цессами. С этой стороны действия существующих систем мониторинга технического состоя- ния турбогенератора в работе, выводе его из работы и защиты оказываются явно неудов- летворительными [6]. Наиболее частыми причинами отказов в процессе эксплуатации турбогенератора серии ТВВ мощностью 1000 МВт двухполюсного исполнения на атомных электростанциях (АЭС) были следующие [3]: возникновение течей водяного тракта обмотки статора; возникновение трещин в сварных соединениях коллекторов водяного охлаждения обмотки статора; нарушение целостности крепления лобовых частей обмотки, что связано с неблаго- приятными вибродинамическими характеристиками узла «коллектор дистиллята – патрубки – внешние трубопроводы» конструкции лобовых частей, а также нарушением эксплуатацион- ных режимов, в частности частыми сбросами и набросами нагрузки, превышающими норма- тивы. Опыт эксплуатации турбогенератора серии ТВВ-1000-2У3 мощностью 1000 МВт, 24 кВ, cos φ = 0,9, 3000 об/мин с водородно-водяным охлаждением на Ровенской, Хмель- ницкой и Южно-Украинской АЭС выявили необходимость реконструкции узлов крепления водяных коллекторов и лобовых частей ОС генератора [9]. В случаях быстрого (до 5 лет наработки) отказа генераторов из-за раскрепления стержней в пазах сердечника [16] главной причиной повреждения изоляции и пазового крепления считается воздействие термомеханических напряжений, возникающих в обмотке статора, жестко связанной с сердечником, при многократных изменениях нагрузки. Важней- шим условием сохранения работоспособности крупных машин является обеспечение необхо- димой свободы аксиального перемещения обмотки относительно нажимной плиты для компенсации неравномерного теплового расширения сердечника и пазовой части обмотки. Выполнение этого условия решает также проблему ремонтопригодности обмотки [2]. Тематический диапазон исследований охватывает электромагнитную, теплогидравли- ческую и механическую проблематику, при этом вызывают все больший практический инте- рес "сопряженные" задачи, в которых процессы различной физической природы взаимообус- ловлены и требуют комплексного изучения. К важнейшим вопросам, подлежащим экспери- А. А. КЛЮЧНИКОВ, К. А. КУЧИНСКИЙ, Г. М. ФЕДОРЕНКО ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 50 ментальному исследованию в ближайшие годы, относится термомеханический аспект живучести генераторов большой мощности при их работе в маневренных режимах [5]. На АЭС Украины в последние годы все чаще происходят отказы турбогенератора двухполюсного исполнения типа ТВВ-1000-2У3, первопричиной которых становится появ- ление и постепенное увеличение повышенных вибраций выводных шин обмотки статора, в результате чего имеют место механические повреждения и дальнейшие сопутствующие факторы, которые могут приводить к авариям [7, 8] (например, выход из строя и аварийное отключение ТГ-3 энергоблока № 3 Южно-Украинской АЭС 19 сентября 2006 г.). Вследствие истирания изоляции в зоне лобовых частей обмотки (в основном со стороны возбудителя) достаточно часто при эксплуатации генераторов ТВВ-1000-2У3 про- исходит электрический пробой на землю. Из общего количества всех отказов относительный вклад данного вида повреждений ТВВ-1000-2У3 на протяжении 2003–2006 гг. составил 45,5 % (по диаграмме Парето [7, 15]). Анализ же диаграммы распределения общего недопроизводства электроэнергии в 2003–2006 гг. (3418,71 млн кВт·ч), вызванного по причине отказов турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 в зависимости от всех указанных выше видов повреждений [15], показал, что наиболее значимыми с точки зрения восстановления технического состояния являются трещины в полых элементарных проводниках стержней обмотки статора (72,5 %). Расследование аварий турбогенераторов ТВВ-1000-2У3, связанных с нарушением гер- метичности тракта охлаждения обмотки статора, выявило недостатки оперативных методов контроля и диагностики системы охлаждения обмотки. Основной причиной низкой надежности работы генераторов ТВВ-1000-2У3 на АЭС Украины является тот факт, что «эти генераторы, спроектированные и изготовленные в габа- ритах генераторов мощностью 800 МВт (таблица), не прошли в свое время обязательного для всех генераторов нового типа цикла доводки конструкции на электростанциях, который практикуется всеми фирмами мира» (протокол заседания НТС Минтопэнерго Украины от 26 июня 2006 г.). При этом напряжение обмотки статора осталось неизменным (24 кВ), ток статора увеличился на 25 %, а динамические усилия возросли в 1,56 раза. Мировой опыт изготовления турбогенератора такой мощности свидетельствует, что время на доводку их конструкции обычно занимает 7-8 лет. В результате конструкция машины оказалась «сырой» и ее доводка осуществляется параллельно с коммерческой эксплуатацией, хотя с момента пуска первой машины прошло уже более 20 лет. Основные геометрические и электромагнитные параметры турбогенераторов ТВВ-800-2, ТВВ-1000-2 и ТВВ-1000-4 Параметр ТВВ-800-2 ТВВ-1000-2 ТВВ-1000-4 Диаметр расточки статора, мм 1400 1400 1970 Диаметр бочки ротора, мм 1200 1200 1800 Длина бочки ротора, мм 7200 7200 7200 Линейная нагрузка статора, А/см 2045 2550 2296 Плотность тока статора, А/мм2 8,36/9,65 11,2 9,34/10,07 Плотность тока ротора, А/мм2 9,58 11,0 8,41 Индукция в воздушном зазоре, Тл 0,965 0,984 0,976 Переход на изготовление и внедрение в практику атомной энергетики турбогене- ратора типа ТВВ-1000-2У3 на базе ТВВ-800-2 обусловил существенное уменьшение «коэф- фициентов запаса» по целому ряду критических напряжений. В работе анализируются результаты численных расчетных исследований термомеха- нических напряжений на основе данных о параметрах температурных режимов работы турбогенератора при номинальном и уменьшенном расходе дистиллята в стержне обмотки статора. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕРЖНЯ ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 51 Методика исследований построена на основе численного математического модели- рования задачи термомеханики методом конечных элементов (МКЭ) в двумерной постанов- ке. В общем случае теория упругости МКЭ для решения задач механики деформируемого твердого тела достаточно подробно рассматривается в [13] и применительно к исследованию термомеханических процессов в элементах статора мощного турбогенератора изложена в [12]. МКЭ характеризуется значительной гибкостью в построении дискретной модели расчетной области и простотой задания граничних условий. Преимуществом такого подхода является также возможность получения термомеханических нагрузок не только средних по объему, а и максимальных величин в локальных точках области исследований и определить их местоположение в элементах стержня. По МКЭ отыскание поля перемещений связано с минимизацией потенциальной энер- гии упругого тела. После определения узловых значений вектора перемещений вычисляются компоненты деформаций и напряжений в элементах с учетом соответствующих начальных и граничных условий. В процессе минимизации потенциальной энергии упругого тела получаются интег- ралы, которые входят в уравнения для элементов ∫= V T dVBDBK ]][[][][ , (1) }{][}{][][][}{ 0 PdS P P P NdVDBdV Z Y X Nf V S z y x T V TT −           −−           −= ∫ ∫∫ ε , (2) где [B] - матрица градиентов, связывающая деформации и перемещения; [D] - матрица упругих констант, описывающая механические свойства; { }0ε - начальная деформация элемента, связанная с тепловым расширением; [N] - матрица функций формы; X, Y, Z - объ- емные силы; Px, Py, Pz - поверхностные нагрузки; {P} - вектор-столбец узловых сил; S - пло- щадь элемента; V - объем элемента. Для решения задачи используем треугольный симплекс-элемент с шестью компонен- тами узловых перемещений. Каждый из элементов характеризуется координатами вершин (узлов) i, j, m в декартовой системе координат, которые могут выбираться произвольно, толщиной t, свойствами материала - модулем упругости E, коэффициентами теплового расширения α и Пуассона µ, а также отклонением температуры от некоторого равновесного значения T∆ . Матрица упругих характеристик, описывающая механические свойства, в случае плоского напряженного состояния записывается как [ ]               − ⋅ − = 2 1 00 01 01 1 2 µ µ µ µ E D . (3) В результате матрица жесткости элемента (левая часть системы уравнений) записы- вается как [ ] [ ] [ ] [ ] StBDBk Т ⋅⋅⋅⋅= . (4) Начальная деформация элемента, связанная с тепловым расширением, { }           ⋅∆⋅= 0 1 1 0 Tαε . (5) А. А. КЛЮЧНИКОВ, К. А. КУЧИНСКИЙ, Г. М. ФЕДОРЕНКО ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 52 Вектор нагрузки элемента, обусловленный тепловым воздействием (правая часть системы уравнений), описывается уравнением { } [ ] [ ] { } ( )                     ⋅ −⋅ ∆⋅⋅⋅= =⋅⋅⋅⋅= m m j j i i Т c b c b c b TtE StDBf µ α ε 12 0 . (6) Полная система уравнений для элемента записывается как [ ] { }f U U U U U U k m m j j i i =                     ⋅ − − − 2 12 2 12 2 12 . (7) Полученная система алгебраических уравнений большого порядка (равного удвоен- ному количеству узлов) разрешается методом блочного исключения по Гауссу. После определения перемещений в узлах компоненты деформации в элементе рассчи- тываются следующим образом: [ ]                     ⋅=           − − − m m j j i i xy y x U U U U U U B 2 12 2 12 2 12 ε ε ε . (8) Компоненты напряжений { }xyyx Т τσσσ ,,}{ = вычисляются по закону Гука [ ] { } [ ] { }0}{ εεσ ⋅−⋅= DD (9) либо через узловые перемещения [ ] [ ] { } [ ] { }0}{ εσ ⋅−⋅⋅= DUBD . (10) Теоретические положения реализованы в виде пакета прикладных программ для ПЭВМ на языке ФОРТРАН. Вследствие повышенного нагрева торцевой зоны сердечника статора и неравномер- ности температурного поля в его элементах в радиальном и аксиальном направлениях акту- альной становится проблема исследования влияния термомеханических напряжений на состояние и надежность обмотки статора в месте выхода ее из пазовой части и в различных местах изгибов стержней в лобовой части. Задача термомеханики решается для конструкции из двух сопряженных частей гене- ратора, обладающих различными коэффициентами линейного расширения (система "стерж- ни статора - железо статора"). Расчетной областью является наиболее нагретая половина верхнего стержня (пазовая и лобовая части) обмотки статора генератора мощностью 1000 МВт. На основе результатов расчета температурного поля и термомеханических свойств используемых материалов рассчитываются перемещения, деформации и напряжения в узлах указанной зоны. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕРЖНЯ ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 53 0 2 4 6 8 10 50 100 150 200 250 300 350 Х, см Y, см 1 2 3 Фрагмент дискретизации стержня в пазовой части отображает рис. 1. Верхний и нижний слои модели соответствуют изоляции, внутренние слои - чередующимся по высоте стержня элементарным сплошным и полым проводникам. При этом число конечных элемен- тов сетки составляло 1980, узлов - 1092 (т.е. решалась система из 2184 уравнений, поскольку в каждом расчетном узле определялись по две векторные величины - компоненты перемеще- ний по осям x и y декартовой системы координат), ширина ленты матрицы коэффициентов после ее оптимизации равна 28. Входными данными для расчета термомеханических характеристик в номинальном режиме и при снижении расхода воды в стержне являлись установившиеся распределения уровней нагревов основных узлов сердечника статора в радиальном и аксиальном направле- ниях по длине статора и высоте стержня от середины генератора до концевых зон со стороны турбины. В силу конструктивных особенностей принималось, что перемещения на левой верти- кальной границе (см. рис. 1) (оси симметрии модели - середине стержня в активной зоне паза статора) по оси х отсутствуют. На дне паза и на границе между стержнями обмотки статора (верхняя и нижняя горизонтальные линии на рис. 1) перемещения всех узлов модели по оси у также равны нулю. Здесь возможны перемещения только вдоль оси х. Рис. 1. Фрагмент дискретизации половины верхнего стержня обмотки статора ТВВ-1000-2У3 в пазовой части: 1 – изоляция стержня; 2 – сплошные проводники; 3 – полый проводник. Предварительно проводился численный термомеханический расчет половины сердеч- ника статора (от середины до торцевой зоны со стороны турбины) в аксиальном сечении на основе данных о его нагреве в номинальном режиме по результатам работы [14]. Получен- ные величины составляющих перемещений узлов статора по оси y задавались как граничные условия I рода в узлы модели стержня, в которых "осуществлялось" крепление лобовых частей бандажами. Номинальный режим в данном случае рассматривается как базовый, поскольку именно для него изначально определяются потери, нагревы элементов статора и расходы воды, водорода в системе охлаждения. В дальнейшем от параметров данного режима величи- ны тепловых нагрузок элементов стержня пересчитываются в отличных от номинального расхода воды режимах пропорционально в соответствии с уменьшением уровней расхода дистиллята и условий охлаждения во всех узлах по длине машины и задаются как правая часть системы уравнений в задаче термомеханики. Уменьшение расхода принято равно- мерным по всем охлаждающим каналам. А. А. КЛЮЧНИКОВ, К. А. КУЧИНСКИЙ, Г. М. ФЕДОРЕНКО ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 54 0 20 40 60 80 100 50 100 150 200 250 300 350 400 450 ∆T, °C 1/2L, см 2 3 1 Пазовая часть «Колено» Лобовая часть Рис. 2. Изменения превышений температур в элементах верхнего стержня обмотки статора ТВВ-1000-2У3 от середины активной зоны сердечника к торцевой части со стороны турбины при номинальном расходе дистиллята. Рис. 3. Изменения превышений температур в элементах верхнего стержня обмотки статора ТВВ-1000-2У3 от середины активной зоны сердечника к торцевой части со стороны турбины при 1/2 расхода дистиллята. Температуры хладагентов на входе (холодного дистиллята и водорода) принимались равными 35 °С. Величины нагревов сплошных и полых проводников стержня в номинальном режиме задавались на основе данных работы [14]. Закон изменения подогрева дистиллята по длине машины предполагался линейным. Температура изоляции в пазовой части стержня (активной зоне турбогенератора) в каждом расчетном узле принималась равной средним значениям между уровнями нагревов стали и меди в данном радиальном (поперечном) сечении модели, Нагрев в зоне лобовых частей приближался к нагреву меди стержня [10] на выходе со стороны турбины, где подо- грев дистиллята в полых элементарных проводниках достигает своего максимума. На рис. 2 - 4 показаны изменения превышений температур в характерных элементах половины верхнего стержня обмотки статора в аксиальном направлении в зависимости от расхода дистиллята – номинального, половинного и расходе воды, составляющем 1/3 от номинального. (В дальнейшем все результаты приводятся для слоя изоляции стержня, сплошного и полого элементарных проводников – соответственно кривые 1, 2, 3 или первые три слоя модели). Приближенное численное решение МКЭ задачи термоупругости имеет вид компакт- ного ряда значений узловых перемещений и напряжений в элементах. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 100 150 200 250 300 350 400 450 ∆T,°C 1/2L, см 2 1 3 Пазовая часть «Колено» Лобовая часть ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕРЖНЯ ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 55 На рис. 5 - 7 показано изменение термомеханических напряжений в аксиальном направлении вдоль указанных слоев модели 1 - 3 по оси х; рис. 8 - 10 отражают характер изменения и величины термомеханических напряжений в конечных элементах для тех же слоев по оси у в пазовой и лобовой частях стержня для соответствующих тепловых режимов. Рис. 4. Изменения превышений температур в элементах верхнего стержня обмотки статора ТВВ-1000-2У3 от середины активной зоны сердечника к торцевой части со стороны турбины при 1/3 расхода дистиллята. Входные данные для термомеханического расчета двух последних режимов показы- вают, что температура дистиллята на выходе из верхнего стержня обмотки статора достигает точки кипения воды. Теплообмен в каналах полых проводников стержней обмотки при таких условиях значительно усложняется. Поэтому принятые температуры проводников необходи- мо рассматривать как минимальные из возможных (равно как и полученные уровни термо- механических напряжений в элементах стержня), поскольку в таких режимах коэффициент теплоотдачи от элементарных проводников может снижаться в несколько раз [11]. Это ведет к ускоренному тепловому старению изоляции и повышению вибраций. Анализ полученных результатов показал, что изменение напряжений в зоне вылета лобовой части носит нелинейный характер, что обусловлено соответствующими начальными и граничными условиями в исследуемой области и уровнями нагрева стали зубца, меди стержня и его изоляции. В пазовой зоне величины напряжений монотонно увеличиваются от средней части сердечника статора к его торцу, что связано с подогревом хладагента по длине стержня. При этом по оси х они значительно меньше, чем по оси у, что объясняется предположением свободного аксиального перемещения стержней и ограничением радиаль- ных перемещений сверху за счет клина и снизу за счет прокладки и нижнего стержня. Рис. 5. Термомеханические напряжения по оси x в элементах на половине длины стержня при номинальном расходе дистиллята. 0 20 40 60 80 100 120 50 100 150 200 250 300 350 400 450 ∆T,°C 1/2L, см Пазовая часть «Колено» Лобовая часть 2 3 1 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 σx,МПа 1/2L , см 3 2 1 Пазовая часть Лобовая часть «Колено» А. А. КЛЮЧНИКОВ, К. А. КУЧИНСКИЙ, Г. М. ФЕДОРЕНКО ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 56 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 σx, МПа 1/2L, см Пазовая часть «Колено» Лобовая часть 3 2 1 Рис. 6. Термомеханические напряжения по оси x в элементах на половине длины стержня при 1/2 расхода дистиллята. Рис. 7. Термомеханические напряжения по оси x в элементах на половине длины стержня при 1/3 расхода дистиллята. Рис. 8. Термомеханические напряжения по оси y в элементах на половине длины стержня при номинальном расходе дистиллята. Для рассматриваемой математической модели при соответствующих граничных усло- виях компоненты напряжений в элементах изоляции вдоль длины стержня по осям х и у при номинальном расходе охлаждающего агента не превышают допустимых по пределу проч- ности материала, при 1/2 от номинального расхода близки к предельной величине (80 – 90 МПа) [1]), а при 1/3 от номинального расхода значительно превышают ее по оси у (около 150 МПа). -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 σx,МПа 1/2L, см Пазовая часть «Колено» Лобовая часть 2 3 1 3 1 2 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 2 3 σy,МПа 1/2L, см 1 3 2 Пазовая часть «Колено» Лобовая часть ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕРЖНЯ ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 57 «Пики» на выходе из паза и в месте начала креплений в лобовой части обусловлены резким изменением граничных условий (переход от «закрепленного» состояния к «сво- бодному») в этих «особых точках» и чисто методическими свойствами (уровнем триангуля- ции расчетной области) приближенного конечно-элементного подхода к решению задачи. Рис. 9. Термомеханические напряжения по оси y в элементах на половине длины стержня при 1/2 расхода дистиллята. Рис.10. Термомеханические напряжения по оси y в элементах на половине длины стержня при 1/3 расхода дистиллята. Как и следовало ожидать, в «свободной» зоне деформированного стержня (на его «колене») напряжения по оси у практически отсутствуют, а в лобовой части в зоне креплений они почти постоянны и определяются величинами накладываемых граничных условий по результатам термомеханического расчета сердечника статора(его узловых перемещений). Таким образом, значения термомеханических напряжений в изоляции стержня в аксиальном направлении значительно меньше предела ее прочности, а в радиальном при снижении расхода дистиллята близки к величине разрывной прочности, причем как в пазовой, так и в лобовой частях обмотки со стороны турбины и особенно в местах выхода стержня из паза. Особую опасность представляют термомеханические напряжения в узлах, расположенных в начале «свободной» зоны на выходе из паза. Для предотвращения перегрева стержней обмотки и возникновения опасных термо- механических напряжений в них систему термоконтроля необходимо существенно усовер- шенствовать путем непосредственного измерения расхода воды, проходящего через каждый стержень, и температуры «горячего» дистиллята на выходе из стержней обмотки. Для рассмотренного турбогенератора при перегреве дистиллята в стержне обмотки в номиналь- ном режиме свыше 80 °С токовая нагрузка должна быть снижена до величины, при которой перегрев дистиллята уменьшится до номинального значения. -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 σy,МПа 1/2L, см Пазовая часть «Колено» Лобовая часть 3 2 1 3 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 0 50 100 15 0 200 250 30 0 350 400 450 σ y,МПа 1 /2L , см Пазовая часть «Колено» Лобовая часть 3 1 2 3 2 1 А. А. КЛЮЧНИКОВ, К. А. КУЧИНСКИЙ, Г. М. ФЕДОРЕНКО ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 58 В России были проведены диагностические испытания, основанные на сборе и обработке информации применительно к различным системам теплового контроля (темпера- турные датчики на поверхности обмотки статора или на сливе дистиллята из отдельных стержней), на турбогенераторе мощностью от 165 до 1200 МВт на ряде тепловых и атомных электростанций (Новополоцкая ТЭЦ; ТЭЦ-22 и ГРЭС-19 Ленэнерго; Лукомльская, Славян- ская и Костромская ГРЭС; Игналинская, Нововоронежская и Балаковская АЭС) [4]. Ремонтно-восстановительные и реконструкционные работы для генератора типа ТВВ-1000-2У3 также были выполнены и на энергоблоке № 3 Калининской АЭС, в частности на статоре в следующем объеме [9]: крепление статорной обмотки в лобовых частях с помощью массивных стеклотексто- литовых колец конической формы, эпоксидной замазки, тяг и пружин; контроль теплового состояния обмотки статора с помощью термодатчиков, измеряю- щих температуру дистиллята, сливающегося из каждого стержня; установка датчиков для обеспечения дополнительного контроля нагрева и вибрации торцевых частей сердечника статора, нажимных колец и лобовых частей обмотки статора; разработка схемы системы водородного охлаждения с дополнением схемы ускорен- ного выброса водорода из генератора в аварийных ситуациях; дополнительный контроль над появлением водорода в системе охлаждения обмотки статора генератора и в газоохладителях. Проект «малой модернизации» предусматривает также предотвращение ослабления крепления лобовых частей обмотки статора на выходе из паза с переносом термосопро- тивлений с нижних стержней на арматуру сливных шлангов в месте их соединения со слив- ным коллектором. Проведение указанных конструктивных мероприятий подтверждает достоверность и научную обоснованность выводов, вытекающих из результатов расчетно-теоретических исследований данной работы. Отметим, что разработанная методика достаточно универсальна и может быть при- менена для исследования процессов в других конструктивных элементах машины и режимах, которые отличаются от рассмотренных выше (асинхронных, несимметричных, пусковых, при повышенной нагрузке, работе с потреблением реактивной мощности и т.д.). Необходимо только, чтобы перед обращением к программе была сформирована расчетная область (сетка конечных элементов), сформулированы начальные и граничные условия для соответствую- щего режима и конструкции, заданы величины нагрузок как правые части системы уравнений. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ваксер Б.Д., Житомирский А.А., Поляков Р.С., Преснов Ю.Л. Термоциклические испытания ста- торной изоляции // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. сем. "Вопросы старения статорной изоляции крупных электрических машин и способы ее профилактического обслуживания". (г. Счастье, Ворошиловградская ГРЭС, 11 - 14 сент. 1979 г.). - М.: Союзтехэнерго, 1979. - С. 85 - 89. 2. Ваксер Б.Д., Кийло О.Л., Перминов В.Л. и др. Исследование конструкции изоляции обмотки статора мощных турбогенераторов, изготавливаемой способом полной вакуум-нагнетательной пропитки // Сб. "Электросила". - СПб: Электросила, 2004. - № 43. – С. 65 – 71. 3. Горбатина Л.П., Жуков Д.В., Кади-ОглыИ.А. и др. Двухполюсные и четырехполюсные турбогенераторы мощностью 1000 МВт для АЭС. Описание конструкции, опыт эксплуатации и пути совершенствования // Приложение к сб. «Электросила» № 42. - СПб: Электросила, 2003. – С. 16 – 21. 4. Гуревич Э.И. Диагностические испытания турбогенераторов на тепловых и атомных электро- станциях: Тез. докл. конф. «Электросервис-2003» // Сб. «Электросила» № 43. - СПб: Электро- сила, 2004. – С. 187 – 188. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕРЖНЯ ______________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 12 2009 59 5. Гуревич Э.И. Натурные исследования генераторов для энергетики: Тез. докл. конф. «Электро- энерго-2002» // Приложение к сб. «Электросила» № 42. - СПб: Электросила, 2003. – С. 154 – 155. 6. Завидей В.И., Крупенин Н.В., Голубев А.В. и др. О поддержании эксплуатационной надежности турбогенераторов // Энергетик. - М., НТФ «Энергопрогресс», 2008. - № 2. - С. 44 - 45. 7. Звіт про науково-дослідну роботу «Збір та аналіз оперативної інформації щодо ушкодженості на протязі всього життєвого циклу турбогенераторів типу ТВВ-1000-2У3 АЕС України (побудова діаграми Парето для кожного турбогенератора)». (Заключний). № ДР 0107U010345. – Чорно- биль, 2007. 8. Звіт про науково-дослідну роботу «Підвищення надійності та навантажувальної здатності турбогенераторів потужністю 1000 МВт двополюсного виконання (аналіз, висновки, рекомен- дації, консалтингові послуги)». (Заключний). - № ДР 0108U004523. – К., 2008. 9. Иогансен В.И., Трофимов А.М. Модернизация турбогенератора ТВВ-1000-2У-3 Калининской АЭС // Сб. «Электросила». - СПб: Электросила, 2003. - № 42. – С. 92 – 94. 10. Карпенко В.Н., Политучий А.И. Моделирование процесса многоступенчатого нагрева электриче- ских машин // Техн. електродинамiка. - 2002. - Тем. вип. - Ч. 5. - С. 35 - 38. 11. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 216 с. 12. Кучинский К.А. Механические напряжения в элементах статора турбогенератора при работе с переменной тепловой нагрузкой // Техн. електродинамiка. - 2003. - № 4. - С. 46 - 49. 13. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир, 1979. - 392 с. 14. Численный анализ теплового состояния обмотки статора турбогенератора мощностью 1000 МВт для контроля и диагностики / Г. Г. Счастливый, Г. М. Федоренко, В. И. Выговский, А. В. Выгов- ский. - Киев, 1998. - 24 с. - (Препр. / НАН Украины. Ин-т электродинамики; № 812). 15. Шидловський А.К., Титко О.І., Федоренко Г.М. та ін. Електродинамічна стійкість з’єднувальних та вивідних шин обмотки статора та методи підвищення надійності турбогенераторів потуж- ністю 1000 МВт // Енергетика та електрифікація. - 2008. - № 9. - С. 22 - 27. 16. Griffith G., Tucker S., Milsom J., Stone G. Problems with Modern air-cooled Generation Stator Winding Insulation, Rep. 0883-7554, El. Ins. Mag., 2000. ТЕРМОМЕХАНІЧНИЙ СТАН ЕЛЕМЕНТІВ СТЕРЖНЯ ОБМОТКИ СТАТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА ТИПУ ТВВ-1000-2У3 ПРИ ЗНИЖЕННІ ВИТРАТИ ОХОЛОДЖУВАЧА О. О. Ключников, К. А. Кучинський, Г. М. Федоренко Аналізуються види ушкоджень і причини виходу з ладу потужних турбогенераторів. Наве- дено результати чисельних розрахункових досліджень розподілу термомеханічних напруг в елемен- тах верхнього стержня обмотки статора турбогенератора ТВВ-1000-2В3 в номінальному режимі при нормальній і зниженій витраті дистиляту. Показано, при яких витратах води величини цих напруг досягають небезпечних значень. Ключові слова: турбогенератор, охолодження, термомеханічні напруги. THERMOMECHANICAL CONDITION OF ELEMENTS OF THE CORE OF WINDING STATOR OF THE TURBOGENERATOR SUCH AS ТВВ-1000-2У3 AT DECREASE IN THE CHARGE OF THE COOLER О. О. Kljuchnikov, K. A. Kuchinsky, G. M. Fedorenko Kinds of damages and the reasons of failure of powerful turbogenerators are analyzed. Results of numerical settlement researches of distribution of thermomechanical stress in elements of the top core of a winding stator turbogenerator ТВВ-1000-2У3 in a nominal mode are resulted at the normal and reduced charge of distillate. It is shown, at what charges of water of size of that stress reach dangerous values. Keywords: a turbogenerator, cooling, thermomechanical stress. Поступила в редакцию 08.07.09
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7442
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1813-3584
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T19:04:24Z
publishDate	2009
publisher	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
record_format	dspace
spelling	Ключников, А.А. Кучинский, К.А. Федоренко, Г.М. 2010-03-30T13:30:28Z 2010-03-30T13:30:28Z 2009 Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя / А.А. Ключников, К.А. Кучинский, Г.М. Федоренко // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. — 2009. — Вип. 12. — С. 49-59. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7442 621.313.322 Анализируются виды повреждений и причины выхода из строя мощных турбогенераторов. Приведены результаты численных расчетных исследований распределения термомеханических напряжений в элементах верхнего стержня обмотки статора турбогенератора ТВВ-1000-2У3 в номинальном режиме при нормальном и сниженном расходе дистиллята. Показано, при каких расходах воды величины этих напряжений достигают опасных значений. Аналізуються види ушкоджень і причини виходу з ладу потужних турбогенераторів. Наведено результати чисельних розрахункових досліджень розподілу термомеханічних напруг в елементах верхнього стержня обмотки статора турбогенератора ТВВ-1000-2В3 в номінальному режимі при нормальній і зниженій витраті дистиляту. Показано, при яких витратах води величини цих напруг досягають небезпечних значень. Kinds of damages and the reasons of failure of powerful turbogenerators are analyzed. Results of numerical settlement researches of distribution of thermomechanical stress in elements of the top core of a winding stator turbogenerator ТВВ-1000-2У3 in a nominal mode are resulted at the normal and reduced charge of distillate. It is shown, at what charges of water of size of that stress reach dangerous values. ru Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України Проблеми безпеки атомних електростанцій Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя Термомеханічний стан елементів стержня обмотки статора турбогенератора типу ТВВ-1000-2У3 при зниженні витрати охолоджувача Thermomechanical condition of elements of the core of winding stator of the turbogenerator such as ТВВ-1000-2У3 at decrease in the charge of the cooler Article published earlier
spellingShingle	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя Ключников, А.А. Кучинский, К.А. Федоренко, Г.М. Проблеми безпеки атомних електростанцій
title	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя
title_alt	Термомеханічний стан елементів стержня обмотки статора турбогенератора типу ТВВ-1000-2У3 при зниженні витрати охолоджувача Thermomechanical condition of elements of the core of winding stator of the turbogenerator such as ТВВ-1000-2У3 at decrease in the charge of the cooler
title_full	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя
title_fullStr	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя
title_full_unstemmed	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя
title_short	Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя
title_sort	термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа твв-1000-2у3 при снижении расхода охладителя
topic	Проблеми безпеки атомних електростанцій
topic_facet	Проблеми безпеки атомних електростанцій
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7442
work_keys_str_mv	AT klûčnikovaa termomehaničeskoesostoânieélementovsteržnâobmotkistatoraturbogeneratoratipatvv10002u3prisniženiirashodaohladitelâ AT kučinskiika termomehaničeskoesostoânieélementovsteržnâobmotkistatoraturbogeneratoratipatvv10002u3prisniženiirashodaohladitelâ AT fedorenkogm termomehaničeskoesostoânieélementovsteržnâobmotkistatoraturbogeneratoratipatvv10002u3prisniženiirashodaohladitelâ AT klûčnikovaa termomehaníčniistanelementívsteržnâobmotkistatoraturbogeneratoratiputvv10002u3priznižennívitratioholodžuvača AT kučinskiika termomehaníčniistanelementívsteržnâobmotkistatoraturbogeneratoratiputvv10002u3priznižennívitratioholodžuvača AT fedorenkogm termomehaníčniistanelementívsteržnâobmotkistatoraturbogeneratoratiputvv10002u3priznižennívitratioholodžuvača AT klûčnikovaa thermomechanicalconditionofelementsofthecoreofwindingstatoroftheturbogeneratorsuchastvv10002u3atdecreaseinthechargeofthecooler AT kučinskiika thermomechanicalconditionofelementsofthecoreofwindingstatoroftheturbogeneratorsuchastvv10002u3atdecreaseinthechargeofthecooler AT fedorenkogm thermomechanicalconditionofelementsofthecoreofwindingstatoroftheturbogeneratorsuchastvv10002u3atdecreaseinthechargeofthecooler

Термомеханическое состояние элементов стержня обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-1000-2У3 при снижении расхода охладителя

Institution

Similar Items