Главные генераторы и ГЭД, как и все электрооборудование морского исполнения, должны надежно работать в условиях постоянной вибрации корпуса и частых сотрясений при ударах о лед, повышенной температуры и влажности окружающего воздуха, длительной качки судна, крена и дифферента. Значения этих величин, характеризующих условия работы электрооборудования на судах, установлены Правилами Регистра. Исполнение корпуса главных электрических машин должно обеспечивать надежную работу при наличии в окружающем воздухе паров воды, масла и топлива, а также при попадании на корпус брызг.
Главные генераторы постоянного тока в большинстве своем создаются на базе машин серийного исполнения, так как подобные дизель-генераторы устанавливаются на тепловозах. Морское исполнение предусматривает некоторые конструктивные изменения и снижение номинальной мощности для увеличения срока службы.
Сердечники якоря и главных полюсов изготавливают из листовой электротехнической стали, сердечники дополнительных полюсов — из литой стали. На главных полюсах размещается независимая обмотка, которая получает питание от возбудителя. В некоторых случаях на главных полюсах находится размагничивающая обмотка, включенная последовательно с обмоткой якоря.
В верхней части корпус генератора выполняется обычно брызгозащищенным, а в нижней части до плоскости лап — водозащищенным. Генератор имеет принудительную вентиляцию от специального электровентилятора, расположенного на корпусе машины. Используется замкнутый и разомкнутый цикл вентиляции.
В первом случае нагретый воздух, выходящий из машины, проходит между трубок воздухоохладителя, которые oхлаждаются забортной водой, через фильтры и нагнетается вентилятором снова в машину. Во втором случае воздух машинного отделения фильтруется и через воздухоохладитель поступает в вентилятор и нагнетается в машину; нагретый воздух выходит в машинное отделение. При замкнутом цикле вентиляции угольная пыль от щеток забивается в труднодоступные места внутри машины.
Обычно корпус генератора состоит из двух сварных станин с разъемом по горизонтальной плоскости и имеет съемные стальные щиты с откидными крышками для обслуживания коллектора. Генератор выполняется с поворотной траверсой для обеспечения доступа к щеточному аппарату. Конструкцией предусмотрено приспособление для подъема вала при выемке вкладышей подшипников. Кроме того, конструкция позволяет вынимать якорь при снятой верхней половине станины, не передвигая подшипники, и заменять полюсные сердечники вместе с их катушками, не вынимая якорь.
ГЭД чаще всего являются машинами индивидуального изготовления. Они рассчитываются на широкий диапазон регулирования частоты вращения, частые пуски, реверсы и стоянки под током с моментом порядка 1,5 номинального. ГЭД выполняются водозащищенными в нижней части корпуса до уровня лап и брызгозащищенными в верхней части.
На рис. 1 представлен продольный разрез ГЭД типа ПГ-146, установленного в носовой части портового ледокола. Мощность двигателя 1180 кВт, напряжение 800 В, частота вращения 212—266 об мин, общая масса 32 т. ГЭД имеет следующие габариты: длина между фланцем вала двигателя и концом упорного подшипника 3335 мм, максимальная ширина двигателя 2760 мм, высота между нижней частью корпуса и верхней частью улитки вентилятора (максимальная высота) 2660 мм.
Рис. 1. Продольный разрез ГЭД типа ПГ-146
Вал 1 ГЭД находится между опорным 2 и упорным 14 подшипниками скольжения. На валу крепится якорная звезда 6, на которой монтируются пакеты сердечника якоря, набранные из листовой электротехнической стали. Между пакетами небольшие расстояния образуют радиальные вентиляционные каналы. В пазы сердечника якоря уложена обмотка, концы каждой секции присоединяются к «петушкам» коллекторных пластин 10. На станине болтами крепятся главные и дополнительные полюсы по 8 шт.
В пазы главных полюсов уложена компенсационная обмотка, стержни ее соединяются между собой перемычками 9. На рис. 2 изображена нижняя часть станины ГЭД с главным и дополнительным полюсами. Вдоль главного полюса в десяти пазах уложены стержни компенсационной обмотки. Левый стержень главного полюса соединяется перемычкой с шинной обмоткой дополнительного полюса.
Рис. 2. Нижняя часть станины ГЭД
Стержни соседних полюсов также соединяются перемычками. Электрически компенсационная обмотка, цепь якоря и обмотка дополнительных полюсов соединяются последовательно.
Динамическое действие тока может вызвать выгибание перемычек между стержнями, поэтому между перемычками установлены изоляционные распорки.
Компенсационная обмотка устанавливается на машинах, которые работают в тяжелых режимах частых пусков, реверсов и перегрузок. Действие реакции якоря при перегрузках искажает магнитное поле машины, и перепады напряжения между отдельными коллекторными пластинами могут быть различные.
При напряжении между пластинами более 25 — 28 В для машин большой мощности может возникнуть явление кругового огня, которое влечет за собой тяжелую аварию машины. Компенсационная обмотка уничтожает действие реакции якоря полем своих стержней, которое направлено встречно полю обмотки якоря и компенсирует его.
Защищенность корпуса от попадания посторонних предметов и брызг создается передним 3 и задним 11 щитами (см. рис. 1). На корпусе устанавливается два нагнетательных вентилятора с улиткой 4 и электродвигателем 5. Воздух через фильтр забирается из помещения ГЭД, проходит внутри машины (как показано стрелками) и через воздухоохладитель 13 снова выбрасывается в помещение. Контроль температуры выходящего воздуха производится датчиком 12. Коробка выводов находится в корпусе и имеет соединительные выводы 7. Устройство опорного подшипника скольжения показано на рис. 3.
Рис. 3. Опорный подшипник скольжения
Вкладыш 4 подшипника для удобства монтажа ротора выполняют разъемным по горизонтальной плоскости. В корпусе вкладыша по его внутренней поверхности для более прочного соединения с баббитовой заливкой делают канавки трапецеидальной формы. Наиболее употребительными являются баббиты Б-83 и Б-16, причем баббит Б-83, как обладающий лучшими механическими свойствами, используют в ГЭД.
Верхняя половина вкладыша 4 прижимается к нижней съемной крышке головки подшипника 3, скрепляемой со стояком болтами 5. В средней части вкладыша по наружной поверхности выполнен поясок 9 со сферической поверхностью, которым вкладыш опирается на шаровую поверхность головки подшипника, что обеспечивает возможность самоустановки вкладыша по направлению осевой линии вала. Для предохранения вкладыша от поворота служит стопорный болт 7, концевая часть которого, не имеющая резьбы во фрезерованную во вкладыше продольную
Смазка подшипника осуществляется смазывающими кольцами 6, входящими в прорези вкладыша. Глубина прорези должна быть такой, чтобы кольца ложились на шейку вала. Ширина прорезей вкладыша примерно в 1,5 раза шире смазочного кольца. Диаметр смазочного кольца составляет полтора-два диаметра вала и рассчитан так, чтобы нижняя часть кольца была погружена в масло, находящееся в камере 10.
При неподвижной машине смазочные кольца свободно лежат в прорезях вкладыша, опираясь на шейку вала. Во время вращения вал силой трения увлекает за собой смазочные кольца и приводит их во вращение.
Прилипающее к кольцу масло непрерывным потоком подается в прорези и растекается по внутренней поверхности вкладыша. На концах вкладыша имеются канавки 8, служащие для улавливания масла, в нижней части которых просверлены отверстия для стока масла в камеру подшипника. Для определения уровня масла в камере служит маслоуказатель 2, снабженный стеклянной трубкой с отметкой уровня. Слить масло для замены можно через отверстие 2, закрытое пробкой.
Опорный подшипник крепят к фундаментной плите болтами, входящими в отверстия 11. Для точного фиксирования положения стояка на фундаментной плите служат отверстия 12, через которые после окончательной сборки и установки стояков просверливают в плите отверстия, разворачивают их конусной разверткой и забивают в них контрольные штифты.
В комплекс мероприятий технической эксплуатации входит вахтенное и техническое обслуживание. Вахтенное обслуживание включает проверку главных электрических машин перед пуском, пуск, остановку, набор требуемых режимов, наблюдение во время работы за состоянием коллекторов главных машин, состоянием щеточного аппарата, коммутацией, системой охлаждения и смазки подшипников. Задачей технического обслуживания является поддержание главных электрических машин в хорошем техническом состоянии. Для этой цепи производят планово-предупредительные осмотры и ремонты, чистки, промывки, измерения сопротивления изоляции, зазоров между статором и ротором, выработки вкладыша подшипника и просадки вала и т. д.
Специального ухода требуют коллектор и щеточный аппарат. В процессе работы машины (особенно генератора) из-за трения о щетки коллектор по длине принимает ступенчатую форму. Наличие зазора в подшипниках скольжения придает коллектору в незначительной степени форму эллипса. Все это может вызвать появление искрения под щетками. Ступенчатость коллектора легко устранить специальными камнями. Для этого генератор отключают, запускают первичный двигатель, камень прижимают к щеткодержателям с набегающей стороны и производят шлифовку, передвигая камень вдоль коллектора. Лучше всего, если при этом камень перекрывает по длине коллектора расстояние в три щетки. Сначала выработку снимают грубым камнем, затем между коллекторными пластинами выбирают миканит («продораживают»), подправляют или заново создают фаску; после этого коллектор полируют полировочным камнем или шлифовальной бумагой, закрепленной на колодке. Шлифовальную бумагу предварительно покрывают вазелином.
Проточка, шлифовка и полировка коллектора производятся при зачехленных «петушках».
Удобнее всего иметь для этой цели чехол, который завязывают на коллекторе и на обмотке якоря в месте пайки к «петушкам» шпагатом. Неравномерный износ коллектора вызывает значительную вибрацию щеток, а это, в свою очередь, приводит к разрушению нажимного пальца щеткодержателя и его осей. Если этот дефект не будет устранен вовремя, разрушенные детали могут попасть на коллектор и вызвать его механическое повреждение или замыкание пластин.
Эллипсность коллектора устраняется проточкой. На главных генераторах механизм для проточки устанавливается вместо одного из щеткодержателей. Температура коллектора при проточке не должна превышать 25°C. После проточки коллектор «продораживают» и полируют. Фаска по радиусу должна быть 1 -1,5 мм.
В процессе эксплуатации коллектор покрывается защитной пленкой фиолетового цвета, полировка коллектора применяется только при наличии царапин и подгаров. Лишняя полировка приводит к удалению защитной пленки. При сильном загрязнении коллектор протирают бензином или спиртом. Пыль и грязь между коллекторными пластинами удаляют сухими кистями, затем коллектор вдоль пластин протирают чистой ветошью, смоченной растворителем.
Эксцентриситет и биение коллектора после обработки проверяют индикатором, закрепленным на одном из щеткодержателей. Основное требование к коллектору состоит в том, чтобы при вращении и нагреве он сохранял точную цилиндрическую форму и пластины не выступали и не западали.
Щетки в зависимости от их марки должны иметь определенное нажатие, которое указывается в инструкции завода-изготовителя. Давление щетки определяется динамометром. Зазор между нижней кромкой щеткодержателя и коллектором должен быть от 2 до 4 мм. Для того чтобы коллектор по длине срабатывался равномерно, щетки одних и других пальцев сдвигаются и перекрывают весь коллектор. При разрушении крепления жгутиков щетки необходимо заменять, так как нарушается токоотвод данной щетки. Ток может пойти через пружину щеткодержателя, что приводит к ее нагреванию и ослаблению.
Сопротивление изоляции главных электрических машин измеряется переносным мегаомметром. Если номинальное напряжение машины менее 1000 В, используется мегаомметр на 1000 В, при напряжении больше 1000 В напряжение мегаомметра должно быть 2500 В. При использовании мегаомметра на 1000 — 2500 В необходимо соблюдать правила техники безопасности. Норма сопротивления изоляции устанавливается Правилами Регистра. Минимальное сопротивление изоляции во время освидетельствования электрических машин от 100 до 1000 кВт (кВ* А) с частотой вращения 1000 об/мин должно быть в холодном состоянии 3 МОм, в горячем - 1 МОм. Для электрических машин напряжением выше 500 В и мощностью выше 1000 кВт минимальное сопротивление изоляции особо оговаривается Регистром.
Понижение сопротивления изоляции в ряде случаев является следствием образования токопроводящих мостиков из-за загрязнения щеточной угольной пылью, смешанной с маслом, попадающим через плохие уплотнения на валу со стороны дизеля, а также из-за низкого качества изоляции компенсационной обмотки и втулки коллектора, катушек возбуждения дополнительных полюсов.
При длительной эксплуатации электрических машин наблюдается планомерное снижение сопротивления изоляции, прогрессирующее со временем. Такое снижение может быть вызвано накоплением внутри машины угольной пыли, масла, а также естественным старением изоляции.
При систематическом снижении сопротивления изоляции электрическую машину необходимо чистить, не дожидаясь сроков, установленных графиком профилактических осмотров и ремонтов.
Сушка машины производится для удаления влаги из изоляции машины. В судовых условиях наиболее распространена сушка от постороннего источника тепла, сушка током обмоток возбуждения и током обмотки якоря.
Сушка от постороннего источника тепла производится грелками, лампами и другими нагревателями, помещенными внутри машины, а также переносными калориферами. При наличии замкнутой системы вентиляции вместо калорифера можно использовать стационарную вентиляционную систему, в которую монтируются грелки. Чтобы обеспечить нормальное повышение температуры для машин с замкнутой системой вентиляции, необходимо иметь нагреватель мощностью не менее 0,5—2 Вт на 1 кг массы машины (верхний предел относится к крупным машинам).
Сушка током обмоток возбуждения применяется в том случае, если обмотки незначительно отсырели и сопротивление изоляции снизилось до 1 МОм (этот метод используется в редких случаях). При такой сушке вентилятор включается периодически. При этом в начале сушки необходим контроль за сопротивлением изоляции, так как в это время возможно его снижение.
Поскольку обмотка периодически отключается для проведения измерений, параллельно ей должен быть включен разрядный резистор для защиты от пробоя изоляции в момент отключения.
Сушка током якоря производится при работающем первичном двигателе в режиме короткого замыкания при пониженном возбуждении. Сила тока не должна превышать номинального значения и контролируется по амперметру на щите. Вентиляция включается на все время сушки.
Для получения размагничивающей реакции якоря траверсу нужно сдвинуть по вращению на две-три пластины коллектора. В противном случае поток реакции якоря окажется подмагничивающим и ток короткого замыкания может достигнуть номинального значения при токе возбуждения, равном нулю.
Сушка ГЭД производится при отключенном возбуждении машины и называется сушкой током от постороннего источника. Через цепь якоря, в которую входят обмотки добавочных полюсов и компенсационная обмотка, пропускают ток от генератора с пониженным напряжением. Ток номинального значения устанавливается постепенным увеличением напряжения генератора от нуля. Во время сушки периодически якорь проворачивается валоповоротным устройством.
Вентиляция включается на все время сушки.
Сушка током якоря производится при сопротивлении изоляций не менее 0,2 МОм. Температура должна повышаться на 5 °С в час для крупных машин. Предельная температура воздуха должна быть ниже допустимой для данного класса изоляции. Машину нагревают до 110—120 °С и выдерживают при этой температуре 4 — 6 ч, а затем охлаждают до 40 — 45 °С. Если многократная сушка не дает положительного результата, машину необходимо тщательно промыть.
Продувка и протирка машины производятся в сроки, установленные графиком профилактических осмотров. Практически эти сроки колеблются от 1 до 3 мес. С машины снимают кожуха и ограждения, производят общий осмотр, затягивают контактные соединения, проверяют состояние коллектора, щеток и щеткодержателей. Износившиеся детали заменяют. Машину продувают при включенной вентиляции сухим сжатым воздухом и давлении не более 29*104 — 39*104 Па. Наконечники на шланге с диаметром не менее 10 мм должны быть неметаллические. После продувки меряют сопротивление изоляции.
Машину протирают чистой ветошью, смоченной моющим составом (бензин Б-70, спирт и др.), количество которого должно быть минимальным. В труднодоступных местах используют кисти, палочки После протирки промывают коллектор. Контроль за изменением сопротивления изоляции во время протирки следует вести регулярно, чтобы можно было определить место с пониженным сопротивлением изоляции. Обычно это компенсационная обмотка и места входа охлаждающего воздуха в машину.
Промывка машины производится только в том случае, если сушка и протирка не дают положительного результата. При нормальном сопротивлении изоляции промывку производят во время заводского ремонта раз в четыре года. Машину открывают, чтобы обеспечить доступ к обмоткам и коллектору, траверсу снимают. Перед промывкой производят продувку сжатым воздухом. В воздушный зазор в нижней части машины вводят листовой прессшпан для защиты от стока грязи. Машину промывают из пульверизатора или поливают тонкой струей и затем протирают сухой ветошью. При этом используют рекомендованные службой судового хозяйства или заводом-изготовителем моющие средства, соблюдая меры безопасности в случае их токсичности или пожароопасности.
По окончании промывки места с поврежденной изоляцией прокрашивают эмалью воздушной сушки: сопротивление изоляции перед покрытием должно быть не менее 5 МОм при температуре 25 — 30°С. При промывке необходима хорошая вентиляция рабочего места и машинного отделения.
Пропитка электрических машин производится для восстановления прочности изоляции, которая нарушается в результате естественного старения. Обычно пропитка производится прямо на судне силами судоремонтного завода по специально разработанной для данной машины технологии.
Восстановление сопротивления изоляции после затопления машины забортной водой — один из наиболее трудоемких процессов технического обслуживания. Так как вода обычно поступает из льял судна, то, кроме солей в ней имеются топливо, масло и грязь. Поэтому сначала производят сушку и осмотр залитых частей машины (после полного затопления производится капитальный ремонт машины в заводских условиях). Масло и топливо удаляют специальными растворителями, соли — промывкой горячим (50 — 70 °С) дистиллятом. Машину промывают в несколько этапов, затем вентилируют в течение 2 —3 ч и сушат калориферами, постепенно повышая температуру. Скорость повышения температуры не должна быть более 5°С в час после нагрева на 50 - 60°С. При сушке должен работать вентилятор. При сопротивлении изоляции свыше 1,0 МОм можно применять сушку током якоря.
После первой сушки машину охлаждают до 40-45°С и производят необходимую сушку. Если при сушке сопротивление изоляции не повышается, необходимо повторить промывку машины горячей пресной водой и снова сушить. По окончании сушки и охлаждения до 25 — 30 °С обмотки машины покрывают эмалью из пульверизатора и сушат в течение 8 ч.
Одним из наиболее характерных признаков неисправности машины постоянного тока является искрение щеток. Поэтому подбору щеток по заводской инструкции, проверке силы нажатия, расположению вдоль коллектора следует уделять особое внимание. Чистота и правильность обработки коллектора также влияют на искрение машины. Положение траверсы и взаимное расположение пальцев щеткодержателей по окружности коллектора в мощных машинах строго фиксируется.
При номинальном режиме нагрузки машина должна работать со степенью искрения не выше 1,5 балла, т. е. при слабом точечном искрении под небольшой частью щетки. При кратковременных перегрузках из-за ударов винта о лед или быстром манипулировании рукояткой поста управления допускается степень искрения до 2 баллов (под всем краем щетки).
Искрение может сопровождаться сильным местным перегревом обмотки якоря. В данном случае причиной может быть замыкание нескольких секций через коллекторные пластины или «петушки» между собой, а также междувитковое замыкание внутри одной или нескольких секций, что чаще всего бывает в лобовых частях обмотки и при выходе секции из паза.
Замкнутые накоротко секции образуют контур, в котором э. д. с., наводимая при вращении якоря, создает ток. Сила тока в контуре может достигать большого значения, так как сопротивление мало, поэтому секции и ближайшие зубцы перегреваются. Если вовремя дефект не будет обнаружен, то прогреются рядом лежащие в пазах секции и их изоляция также обуглится. Секции с междувитковыми замыканиями заменяют запасными. Эту работу обычно выполняет заводская бригада, которая разбирает машину и поднимает верхнюю часть станины.
Искрение щеток при исправном щеточном аппарате и хорошем состоянии коллектора, а также при нагреве обмотки якоря может быть вызвано междувитковыми замыканиями в катушках главных полюсов. При этом катушки полюсов нагреваются неравномерно. Катушки с междувитковым замыканием имеют замкнутый контур, по которому ток возбуждения не проходит. Эти катушки нагреваются слабее и создают меньший магнитный поток. Магнитное поле машины становится искаженным, э. д. с. в проводниках якоря, находящихся в одинаковом положении под полюсами, будут различны. По параллельным ветвям обмотки якоря будут замыкаться уравнительные токи, которые в одних ветвях складываются с током нагрузки, а в других вычитаются. Отсюда возникает нагрев обмотки и искрение под щетками из-за неравномерной плотности тока.
Если якорь сильно нагревается даже у ненагруженной машины и щетки одного полюса искрят сильнее щеток других полюсов, то причиной неисправности является проседание якоря из-за выработки вкладышей подшипников. Неравномерность воздушного зазора между статором и ротором вызывает сильное искажение магнитного поля машины, и обмотка якоря может перегружаться только уравнительными токами. Перезаливку вкладышей подшипников скольжения производит машинная команда.
Допустимый нагрев машины и отдельных ее частей зависит от класса изоляции обмоток. При температуре окружающей среды + 45 °С допустимое превышение температур для сердечников и других стальных частей, соприкасающихся с обмотками, должно составлять для класса изоляции В 75 °C, для класса F 95 °С и для класса Н 120 °С. О степени нагрева машины можно судить по температуре выходящего из нее воздуха, которая не должна превышать 70 °С. Температурные датчики сигнализации регулируют на эту величину.
Равномерный перегрев машины обычно бывает следствием перегрузки или дефектов вентиляции. Если машина долгое время не подвергалась чистке, то вентиляционные каналы могут быть засорены, а активная сталь обмотки покрыты сдоем мелких волокон и пыли. Причиной перегрева машины могут быть неисправности воздухоохладителя или засорение фильтров.
Перегрев обмотки якоря при наличии искрения может возникнуть как следствие междувитковых замыканий в обмотке или появление замкнутых контуров при дефектах коллектора и загрязнении.
В крупных электрических машинах могут возникать паразитные токи, которые замыкаются по цепи: вал машины, рабочий подшипник, станина, холостой подшипник. Причиной появления паразитных токов могут быть асимметрия магнитного поля машины, наличие электростатических зарядов, пробой на корпус в якоре машины при наличии заземления одного из полюсов.
Асимметрия магнитного поля машины может быть результатом неудовлетворительного состояния стыков стали статора, если статор состоит из верхней и нижней частей. Симметрия магнитного ноля может быть нарушена вследствие междувитковых замыканий в катушках главных полюсов или проседания вала.
Во всех случаях вращения якоря в несимметричном магнитном поле в стали вала будет индуктироваться э. д. с., которая может достигать нескольких вольт. Вызываемый этой э. д. с. ток замыкается по пути наименьшего сопротивления через вал, подшипник и станину машины и может достигать значения, опасного для работы подшипника.
При плотности тока менее 1 А/см2 происходит электрохимическое разложение масла, вызывающее его почернение, увеличение нагрева подшипников (сигнализация срабатывает при температуре 75 °С). При плотности тока свыше 1 А/см2 между поверхностями вкладыша и цапфы образуются микроскопические электрические дуги, которые интенсивно разъедают эти поверхности вызывая на них появление глубоких раковин.
Для ограничения паразитных токов применяется разрыв цени, по которой они замыкаются. Для этой цели один из подшипников машины изолируется от фундаментной плиты. Вместе с подшипником должны быть изолированы его установочные шпильки и ближайший к нему фланец; маслопровода (при циркуляционной смазке). Сопротивление изоляции подшипниковой стойки должно быть не ниже 1 МОм при полностью собранных маслопроводах.
Все работы по вахтенному и техническому обслуживанию главных электрических машин должны проводиться в соответствии с графиком профилактических осмотров и чистки, который составляется старшим электромехаником и утверждается электрогруппой. Наименования выполненных работ и результаты осмотров вносят в электротехнический журнал и в формуляры на генераторы и ГЭД. Сведения об отказах, неисправностях и дефектах вносят в специальный журнал отказов.
