„Hägglunds to the Core”- bezpośredni napęd, bezpośrednie wyniki

Analiza zjawiska powstawania „duchów” na pierścieniach ślizgowych turbogeneratorów

Zjawisko powstawania „duchów” na pierścieniach ślizgowych turbogeneratorów zasilających systemy elektroenergetyczne ma negatywny wpływ na poprawność pracy wspomnianych maszyn. Przyczynia się do degradacji zestyków ślizgowych układu wzbudzenia, co w konsekwencji w krótkim czasie powoduje intensywne iskrzenie w pobliżu generatora i wymusza nieplanowane przestoje zespołu wytwórczego. Problem wydaje się być o tyle istotny, gdyż niesie ryzyko pożaru generatora, a jednocześnie jest niedostatecznie opisany w literaturze. Zespół badawczy Elektrometal Energetyka S.A., lidera polskich producentów Elektroenergetycznej Automatyki Zabezpieczeniowej, we współpracy z jednostkami naukowymi jako pierwszy dostrzegł problem i podjął się analizy tego zagadnienia, by w przyszłości pomóc zidentyfikować i oszacować zagrożenie występującym zjawiskiem, opracowując odpowiedni algorytm zaimplementowany w sterowniku polowym e²TANGO.

Keywords—turbogenerator, styk ślizgowy, pierścienie ślizgowe, ghosting

I. Wprowadzenie

Praca klasycznych turbogeneratorów w systemie elektroenergetycznym, czyli generatorów synchronicznych wiąże się z potrzebą ich wzbudzenia. Realizowane jest to przez ślizgowy układ stykowy, który pozwala na doprowadzenia napięcia stałego z układu wzbudzenia do uzwojenia wzbudzenia zlokalizowanego w wirującym z dużą prędkością wirniku- przeważnie 3000 lub 1500 obrotów na minutę. Styk ślizgowy składa się ze szczotek w szczotkotrzymaczach, umieszczonych na trawersie wokół wału wirnika i pierścieni ślizgowych

Rys. 2. Zdjęcie śladu szczotki na pierścieniu ślizgowym generatora Rys. 1. „Duchy” na pierścieniu ślizgowym [2]

Rys. 3. Wyładowania iskrowe pomiędzy powierzchniami stykowymi zestyku ślizgowego

osadzonych na wirniku, do których podłączone są końce uzwojenia wzbudzenia. [1] Terminem „duchów” na pierścieniach turbogeneratorów określa się ślady szczotek odciśnięte na powierzchni pierścieni, wraz ze smugą ciągnącą się za tym odciskiem w kierunku obrotu wirnika. Zjawisko to ma negatywny wpływ na poprawność pracy turbogeneratorów, a dokładniej na jakość pracy zestyków ślizgowych. Producent ślizgowych układów stykowych, firma Morgan, podaje dwie przyczyny powstawania tego zjawiska [2]: 1. Wywołane stanami awaryjnymi (zwarcie, asynchronizm, itp.) ekstremalnie wysokich pików prądu wzbudzenia (duże di/dt), których właściwe przeniesienie przez punkty styczności zestyku szczotka-pierścień nie jest możliwe, skutkuje gwałtownym przepływem prądu z silną jonizacją i wyładowaniami łukowymi, a w konsekwencji — wypaleniem śladu szczotki na pierścieniu. 2.Utlenianie pierścienia ślizgowego pod szczotką na zasadzie elektrolizy przy zatrzymanym nieruchomo turbozespole na okres kilku tygodni bez usunięcia bądź uniesienia szczotek nad powierzchnię pierścienia. Pojawienie się tego zjawiska oraz dalsza eksploatacja maszyny przyczynia się do dalszego rozwoju tego zjawiska powodując poważniejsze uszkodzenia pierścieni ślizgowych w postaci nierówności na skutek iskrzenia. Pierścień z powstałą skazą nie ulegnie samoczynnej regeneracji. Istnieją jednak metody pozwalające na poprawę stanu pierścienia ślizgowego w postaci wykorzystania szczotek czyszczących. Jednak by wyeliminować efekty tego zjawiska konieczne jest przeszlifowanie, a nawet czasem ponowne przetoczenie pierścienia ślizgowego. Na rysunku 1 przedstawiono rozwijanie się zjawiska duchów na pierścieniu ślizgowym. Jest ono podkreślone widoczną wypukłością. Rysunek 2 przedstawia ślad szczotki po powierzchni pierścienia ślizgowego. Iskrzenie na zdegradowanym zestyku ślizgowym pokazano na rysunku 3.

Ii. Styk ślizgowy układu wzbudzenia generatora

Zrozumienie powstawania tego zjawiska ułatwi przedstawienie zasady pracy zestyku ślizgowego. Jego cechą jest występowanie na powierzchni pierścienia ślizgowego cienkiej warstwy powierzchniowej zwanej najczęściej „filmem”, „politurą” lub „patyną”. Tworzy się ona na skutek zjawisk fizyko-chemicznych takich jak tarcie, utlenianie, korozja, adhezja, adsorpcja, erozja elektryczna, elektroliza, itp. W przypadku prawidłowo pracujących zestyków ślizgowych generatorów warstwa powierzchniowa jest bardzo cienka, rzędu kilku, kilkunastu nanometrów i składa się z tlenków materiału (lub materiałów w przypadku stopów) pierścienia ślizgowego, wody (wilgoci) i grafitu (węgla). Jest ona bardzo pożądana, a wręcz niezbędna dla zapewnienia prawidłowej pracy zestyku, szczególnie szczotek, gdyż zmniejszając siłę tarcia szczotek o pierścienie zmniejsza się ich zużycie. [1] Odnosząc się do przepływu prądu pomiędzy szczotką a pierścieniem, odbywa się on przez niewielką liczbę ciągle zmieniających się punktów styczności, występujących w warstwie politury zwanych tunelami. Wskazana metodyka została przedstawiona na rysunkach 4 i 5. Istotnym aspektem wpływającym na poprawność pracy zestyku jest również wyróżnienie jego 3 możliwych stanów pracy, które zostały przedstawione na rysunku 6. I stan pracy zestyku - oznacza praktycznie bezpośrednie (galwaniczne) połączenie powierzchni stykowych charakteryzujące się korzystnym, małym spadkiem napięcia zestyku lecz jednocześnie znacznym zużyciem mechanicznym szczotek i pierścieni poprzez tarcie. Stan ten występuje w początkowym etapie pracy nowych lub przeszlifowanych pierścieni ślizgowych. II stan pracy zestyku - charakteryzuje się idealnymi warunkami pracy dla zestyku ślizgowego. Warstwa grafitowa stanowi dominującą część całkowitej grubości politury, co poprawia jej przewodność elektryczną i zmniejsza tarcie. Przewodzenie prądu odbywa się beziskrowo poprzez metalowe mostki tworzone w następstwie zjawiska frittingu. Zużycie powierzchni czynnych pierścieni ślizgowych oraz zużycie szczotek są w II stanie pracy zestyku najmniejsze. Jest to normalny stan pracy i utrzymywany jest tak długo, jak długo układ stykowy pracuje prawidłowo. III stan pracy zestyku – występuje przy zbyt grubej warstwie politury, która uniemożliwia występowanie zjawiska frettingu, przez co przewodzenie prądu odbywać się może jedynie przez plazmę tworzoną podczas wyładowań iskrowych i łukowych. Wyładowania te niszczą powierzchnie zestyku ślizgowego, sukcesywnie zwiększając ich chropowatość i współczynnik tarcia. Rośnie zużycie szczotek, a wyładowania iskrowe z czasem przeistaczają się w łuk elektryczny. Stan ten jest wynikiem zużycia układu stykowego, często wskutek niewłaściwej pracy lub wskutek pojawienia się „duchów”. Polaryzacja szczotki, a tym samym pierścienia w omawianym zestyku ślizgowym również posiada znaczny wpływ na jego charakter pracy. W pierwszej kolejności tego aspektu ko-

Rys. 4. Powierzchnia czynna szczotki węglowej z punktami styczności [2] Rys. 5. Dwuwarstwowa politura z zaznaczonym kanałem (mostkiem) przewodzenia prądu [2]