УДК 620.179.147
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА
ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОБМОТОК ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ
А.И. Потапов, В.А. Сясько, М.Ю. Коротеев, П.В. Соломенчук
Рассмотрены вопросы применения моделирования и расчета методом конечных элементов параметров экранных преобразователей вихретокового контроля паяных соединений обмоток статоров турбогенераторов. Обоснован выбор информативного параметра и исследовано влияние мешаюшдх параметров, приведены основные характеристики разработанных преобразователей и результаты их испытаний на реальных изделиях.
Ключевые слова: конечно-элементное моделирование, вихретоковый контроль, паяное соединение, турбогенератор.
Статорные обмотки турбогенераторов, используемых на ТЭС и АЭС, состоят из медных многожильных стержней, проходящих сквозь турбогенератор вдоль его оси, соединенных друг с другом вилочным паяным соединением в лобовой части турбогенератора. По этим обмоткам протекает весь вырабатываемый турбогенераторами ток. При некачественной пайке соединения обмоток возникают дополнительные потери энергии, может произойти локальный перегрев и возгорание [1].
Конструкция вилочного паяного соединения представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция вилочного паяного соединения статорных обмоток турбогенератора. Внешний вид лобовой части трубогенератора (а); спаянные проводники стержня в хомуте в вилке (б); проводники стержня статорной обмотки в хомуте (до запайки) (в): 1 — вилка; 2 — хомут; 3 — проводники стержня статорной обмотки.
Элементарные проводники стержня обмотки, не изолированные возле концов, соединяются друг с другом хомутом и пропаиваются газовой горелкой с применением жидкого флюса и твердого припоя. Затем два спаянных хомута впаиваются в вилку, тем самым замыкая цепь [2].
Объект контроля (ОК) — паяное соединение, может быть полностью пропаянным или с дефектами. В качестве контрольного образца (КО) пол-
Анатолий Иванович Потапов, доктор техн. наук, зав. кафедрой приборостроения Национального минерально-сырьевого университета "Горный", г. Санкт-Петербург. Тел. (812) 9556085. E-mail: apot@mail.ru
Владимир Александрович Сясько, доктор техн. наук, генеральный директор ЗАО "Константа" (г. Санкт-Петербург). Тел. (812) 3722903, 9334343. E-mail: office@constanta.ru
Михаил Юрьевич Коротеев, аспирант кафедры приборостроения Национального минерально-сырьевого университета "Горный", г. Санкт-Петербург. Тел. (812) 3722903. E-mail: office@constanta.ru
Павел Валентинович Соломенчук, канд. техн. наук, начальник сектора приборов электромагнитного контроля ЗАО "Константа", г. Санкт-Петербург. Тел. (812) 3722903. E-mail: office@constanta.ru
А а *
Л Чч <ч ?Ч <ч«ч 0
............. «««
- -
; ^ ^; ^; ^;
А
Б
А—А
Б
Б—Б
1 — хомут; 2 -
Рис. 2. Контрольные образцы. КО 0 % (а); КО 100 % (б):
- диэлектрические прокладки; 3 — элементарные проводники; 4 — клеевые соединения.
ностью непропаянного соединения (КО 0 %) используется клееное соединение аналогичной конструкции, представленной на рис. 2а, с диэлектрическими прокладками, изолирующими элементарные проводники друг от друга. В качестве идеально пропаянного соединения (КО 100 %) - монолитный медный брусок, размеры и форма внешней поверхности которого идентичны контролируемому соединению, рис. 2б [3].
На рис. 3 представлен эскиз ОК и применяемого для проведения контроля первичного измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) экранного типа, обмотки которого имеют с внешних сторон стальные экраны.
На обмотку Ж подается синусоидальное напряжение возбуждения нв(0 частотой 50 Гц. Выбор частоты обусловлен совпадением с частотой тока, протекающего в штатном режиме работы по статорной обмотке турбогенератора, элементом которой является ОК. Напряжение от обмотки Жи подается на вторичный измерительный преобразователь. Для анализа задачи контроля, а также для проведения моделирования методом конечных элементов КО 100 % имитируется монолитным образцом с удельной электропроводностью см = 58,8 МСм/м (рис. 4а). Для имитации КО 0 % предложено рассмотреть возможность замены набора изолированных элементарных про-
б
1
4
<
ГХ11
N N
—Т^
л
к
\\\\ •
-
-
пнг
5
6
Рис. 3. Положение ОК и ВТП при проведении контроля: 1 — обмотка возбуждения 2 — стальной экран обмотки возбуждения; 3 — измерительная обмотка Жи; 4 — стальной экран измерительной обмотки; 5 — хомут ОК; 6 — элементарные
проводники ОК.
водников однородным телом с меньшей удельной электропроводностью с (рис. 4б). Это обусловлено тем, что, несмотря на относительно малые размеры изолированных элементарных проводников, вихревые токи в них наводятся и они оказывают влияние на сигнал ВТП.
а
Б—Б
Б—Б
Б—Б
Г
Рис. 4. Модель КО 100 % (а); модель КО 0 % (б); модель ОК (в). Т — толщина тела, имитирующего дефект; Г — глубина залегания тела, имитирующего
дефект.
а
д
С7
м —
д
Поскольку дефектом пайки ОК являются неспаянные друг с другом элементарные проводники, то для его имитации, аналогично как и для имитации набора изолированных проводников КО 0 %, занимаемую им область в модели предлагается заменить однородным телом с меньшей удельной электропроводностью сд (рис. 4в). На этом же рисунке показаны геометрические переменные, используемые в модели, описывающие размеры тела, имитирующего дефект.
Предлагаемая конечно-элементная модель ВТП и ОК построена в соответствии с [5]. Графическое изображение конечно-элементной модели представлено на рис. 5.
Рис. 5. Конечно-элементная модель ВТП и ОК, расположенного между его обмотками:
1 — ОК; 2 — измерительная обмотка ВТП с экраном; 3 — обмотка возбуждения с экраном; 4 — область
пространства расчета поля модели.
Электромагнитные параметры материалов модели
№ Наименование Удельная электропроводность, с Относительная магнитная проницаемость, ц
1 Хомут ОК 58,8 МСм/м 1
2 Однородное тело, заменяющее набор изолированных элементарных проводников в области дефекта Переменная 1
3 Стальные экраны обмоток ВТП 2 МСм/м 100
4 Обмотка возбуждения ВТП 58,8 МСм/м 1
5 Обмотка измерительная ВТП 2 См/м 1
Электромагнитные параметры материалов модели приведены в таблице.
По границе области пространства расчета модели напряженность магнитного поля модели приравнивается к нулю, размеры области превышают габаритные размеры модели на 50 мм (с тыльной стороны ВТП напряженность магнитного поля пренебрежимо мала).
Обмотка возбуждения имитируется медным кольцом, без учета влияния вихревых токов на распределение плотности тока возбуждения в сечении медного кольца.
Измерительная обмотка реального ВТП подключается через пассивный фильтр к входу операционного усилителя с высоким входным сопротивлением. Для ее имитации в конечно-элементной модели применяется кольцо из материала, электропроводность которого минимально возможная для электропроводящего тела, применяемого в данной среде моделирования, си = 2 См/м. При среднем диаметре обмотки Ви = 50 мм и площади сечения обмотки S = 27 мм2 сопротивление составит Я = В /(£ с ) = 2,9 кОм.
г и ^ и иуии/ '
Ток возбуждения модели ВТП задается в сечении обмотки возбуждения, выходной сигнал моделируется током, протекающим через сечение измерительной обмотки (рис. 6).
1
гН^ X
Рис. 6. Ток модели обмоток возбуждения и измерительной:
1 — обмотка возбуждения; 2 — сечение обмотки возбуждения, в котором задан ток возбуждения; 3 — измерительная обмотка; 4 — сечение измерительной обмотки, в котором измеряется ток измерительной обмотки; 5 — ОК.
Выходным сигналом модели является ток измерительной обмотки, протекающий через ее сечение. Вычисление комплексных составляющих тока измерительной обмотки 1и производится по формулам (1, 2) [6]:
Яе(/и) = ||Яе ^х)dydz; (1)
1ш(/и) = jjlm J )dydz, (2)
Л zi
где Jx — составляющая плотности тока в сечении измерительной обмотки, параллельная оси x.
Эквивалентная удельная электропроводность тела, имитирующего дефект КО 0 %, определена по следующей методике. Изготовлен реальный ВТП, описанный в конечно-элементной модели, а также ряд монолитных образцов. Материал монолитных образцов: медь М1Е см1е = 58,6 МСм/м,
алюминиевый сплав АК6 с = 26,5 МСм/м, латунь ЛМЦ с = 9,79 МСм/м.
ал ^ лат
Измерено комплексное напряжение измерительной обмотки реального ВТП, в магнитное поле которого поочередно установлены монолитные образцы и КО 0 %. Аналогичный эксперимент проведен в среде моделирования, при этом удельная электропроводность однородного тела, имитирующего дефект, выбрана в виде переменной в диапазоне от 0,1 до 58 МСм/м.
Поскольку выходным сигналом модели ВТП является ток в сечении измерительной обмотки, а выходным сигналом реального ВТП — напряжение измерительной обмотки, их непосредственное сравнение некорректно. Для сравнения результатов моделирования с результатами испытаний реального ВТП вычисляется падение напряжения на кольце, моделирующем измерительную обмотку. Полученное напряжение, как и напряжение реального ВТП, нормировано по сигналу с ВТП без внесенных в его магнитное поле электропроводящих объектов ("на воздухе") [7]
U = , (3)
U í )
и(возд)
где U — падение напряжения на кольце, моделирующем измерительную обмотку (для модели ВТП) или_ напряжение на измерительной обмотке ВТП (для реального ВТП); Ц,возд)—Uи без внесенных в его магнитное поле электропроводящих объектов ("на воздухе").
Годографы нормированных сигналов реального ВТП и рассчитанных сигналов модели ВТП представлены на рис. 7.
Из рис. 7 видно, что сигнал реального ВТП с КО 0 % (точка 4) наиболее близок к сигналу реального ВТП с латунным монолитным образцом слат = 9,79 МСм/м (точка 9). Амплитуда сигнала реального ВТП с КО 0 % составляет 83 % амплитуды сигнала реального ВТП с латунным монолитным образцом. Аналогичное соотношение амплитуд наблюдается в модели в случае, если удельная электропроводность тела, имитирующего дефект, соответствует 3 МСм/м. Это значение применяется для дальнейшего моделирования тела, имитирующего дефект КО 0 % и ОК.
Исследовано влияние удельной электропроводности монолитного образца, а также размеров и расположения тела, имитиру
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.