Устройство для замера амплитуды колебаний рабочих лопаток турбомашины дискретно-фазовым методом

 

Использование: в устройствах для замера амплитуд колебаний лопаток турбомашины дискретно-фазовым методом. Сущность изобретения: устройство содержит регистрационную и анализирующую аппаратуру, периферийный, корневой датчики и датчик оборотной частоты. Сердечник датчика выполнен ид ферромагнитного материала, поперечное сечение сердечника имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон больше/равно в/а больше/равно 3, где а и в - соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника. Изобретение позволяет производить замеры колебаний рабочих лопаток, закрытых бандажными полками. При этом для замера тангенциальной и аксиальной составляющей амплитуды колебаний угол альфа между минимальной осью инерции сердечника датчика и осью турбины выбирается в диапазоне 30^o, меньше/равно альфа меньше/равно 60^o, а для замера тангенциальной составляющей амплитуды ось инерции периферийного датчика совпадает с осью турбомашины.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано, например, в паровых турбинах.

Известны различные способы регистрации колебаний рабочих лопаток турбомашин. Одним из эффективных способов является дискретно-фазовый, при котором амплитуды колебаний замеряются с помощью приборов типа ЭЛУРА, ЭЛИА, ЦИКЛ /1/. Для замера амплитуд вращающихся рабочих лопаток используются неподвижные индукционные или емкостные датчики, установленные в корпусе турбомашины (датчик оборотной частоты, корневой и периферийный). К недостаткам измерительных комплексов типа ЭЛУРА относится ограниченная точность определения амплитуд колебаний из-за разброса меток от вершин лопаток на экране осциллографа, вызванного технологическими различиями в величинах шагов лопаток. Наличие подобного разброса не позволяет в значительной степени увеличить масштаб измерения амплитуд на экране осциллографа, что снижает точность замеров.

Свободным от этого недостатка и наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для регистрации амплитуд колебаний лопаток, содержащее микропроцессорный измеритель колебаний (МИК) с регистрационным и анализирующим блоками, предусматривающий автоматическую корректировку различий в величинах шагов лопаток и индукционные или емкостные датчики (датчик оборотной частота, корневой, периферийный), подключенные на входы микропроцесорного измерителя колебаний [2] Однако, как приборы типа ЭЛУРА, так и приборы типа МИК, не дают возможности определить амплитуды колебаний бандажированных лопаток (выполненных заодно с бандажными полками), которые в последние годы получают все большее распространение в стационарном турбостроении. Это связано с тем, что входной сигнал для указанных выше приборов создается при прохождении торцов вращающихся лопаток мимо неподвижного периферийного датчика, а для бандажирования лопаток свободные торцы попросту отсутствуют, будучи "закрыты" бандажными полками.

Изобретение служит обеспечению возможности замера амплитуд колебаний бандажированных лопаток. Эта задача решается в заявленном устройстве, содержащем периферийный корневой и оборотный индукционные датчики, связанные с регистрационным и анализирующим блоками, при этом устройство снабжено постоянными магнитами, каждый из которых размещен в немагнитном корпусе, установленном в бандажной полке лопатки, а сердечник периферийного датчика выполнен из ферромагнитного материала, причем поперечное сечение сердечника имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон 10≥в/а≥3, где "а" и "в" соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника. Для одновременного замера тангенциальной и аксиальной составляющей амплитуды колебаний и уменьшения погрешности замера аксиальной составляющей угол установки между минимальной осью инерции сердечника периферийного датчика и осью турбины заключен в диапазоне 10^o≥в/а≥3, где "а" и "в" соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника. Для одновременного замера тангенциальной и аксиальной составляющей амплитуды колебаний и уменьшения погрешности замера аксиальной составляющей угол установки между минимальной осью инерции сердечника периферийного датчика и осью турбины заключен в диапазоне 30^o≅α≅60^o. Для замера только тангенциальной составляющей амплитуды минимальная ось инерции периферийного датчика совпадает с осью турбомашины.

Необходимость использования отличительных признаков изобретения объясняется следующими причинами: 1. В большинстве случаев бандажированные лопатки паровых турбин выполняются из ферромагнитного материала, поэтому при установке постоянного магнита непосредственно в бандажную полку произойдет замыкание магнитных силовых линий почти полностью через материал лопатки, а интенсивность их в зазоре между торцом лопатки и периферийным датчиком будет весьма мала и недостаточна для устойчивой регистрации колебаний датчика; в случае установки постоянного магнита в неферромагнитный (например, титановый) корпус магнитные силовые линии в значительно большей степени будут проходить через радиальный зазор между датчиком и бандажной полкой и устойчивая регистрация колебаний будет обеспечена.

2. Для бандажированных лопаток (и в более общем случае лопаток, соединенных различными по конструкции замкнутыми на круг связями) наибольшую опасность представляют колебания с различными числами узловых диаметров /3, с. 535/, при которых периферийное сечение лопатки перемещается, в основном, в аксиальном направлении. Так как наиболее просто получить магнит круглого поперечного сечения, а его геометрические размеры должны быть весьма малы, то, учитывая отмеченный выше характер колебаний лопаток, использование обычного, применяемого в приборах МИН или ЭЛУРА круглого сердечника периферийного датчика /1, с. 64/ не дает возможности регистрировать аксиальные колебания лопаток. Этот недостаток устраняется с помощью использования предлагаемого в изобретении сердечника периферийного датчика с поперечным сечением в виде вытянутого прямоугольника.

3. При использовании бандажированных лопаток по достижении определенной амплитуды колебаний может начаться проскальзывание по контактным поверхностям полок /3, с, 663/, что приводит к резкому относительному возрастанию тангенциальной составляющей амплитуды колебаний и вызывает износ контактных поверхностей полок. Для определения режима работы турбомашины, при котором возникает проскальзывание по контактным поверхностям полок, служат предлагаемые в изобретении различные способы установки периферийного датчика, позволяющие определять как только тангенциальную составляющую амплитуды колебаний, так и обе составляющие тангенциальную и аксиальную.

Оптимальность предлагаемых в изобретении соотношений размеров сердечника периферийного датчика и угла установки сердечника по отношению к оси турбины объясняется следующими причинами: 1. Ширина поперечного сечения сердечника периферийного датчика "а" должна быть сравнительно небольшой для более резкого нарастания и убывания величины сигнала по мере прохождения мимо датчика постоянного магнита; длина поперечного сечения сердечника "в" должна существенно превосходить его ширину, т.к. во время проведения вибрационных испытаний возможно смещение ротора относительно статора в осевом направлении и значит смещение ротора относительно статора в осевом направлении и значит смещение постоянного магнита относительно сердечника датчика; кроме того, аксиальные колебаний лопатки также сопровождаются смещением постоянного магнита относительно сердечника в осевом направлении. Следует иметь в виду, что смещение постоянного магнита в осевом направлении к концу сердечника (и тем более "выход" постоянного магнита из-под сердечника в осевом направлении) приводят к смещению во времени момента достижения максимума сигнала периферийного датчика, т.е. к появлению систематической ошибки при замере амплитуды колебаний. С другой стороны, минимальный размер "а" ограничен уменьшением площади поперечного сечения сердечника (и связанного с этим уменьшением величины проходящего через сердечник магнитного потока), а максимальный размер "в" ограничен диаметром корпуса периферийного датчика, который может быть установлен в цилиндре турбины (например, в пределах козырька, размещенного над бандажными полками лопаток). Учитывая эти соображения, в изобретении и принято соотношение 10≥в/а≥3.

2. На фиг. 7, 9 пояснена связь между амплитудами колебаний лопатки в тангенциальном и аксиальном направлениях (А_танг, и А_акс) и изменением времени достижения максимума сигналом периферийного датчика из-за колебаний лопатки ((Δt)). Как следует из рис. 7-9 имеют место следующие формулы: , где Δt_танг. и Δt_акс. изменение времени достижения максимума сигналом датчика соответственно из-за тангенциальных и аксиальных колебаний лопатки; U окружная скорость периферийного сечения лопатки; α угол между минимальной осью инерции поперечного сечения сердечника датчика и осью турбины (угол установки датчика).

Как видно, независимо от угла установки датчика существует линейная связь между величинами Dt_танг. и А_танг. Что касается аксиальной составляющей амплитуды колебаний А_акс, то ее связь с замеряемым с помощью прибора МИК интервалом времени Δt_акс. более сложная и изменяется в зависимости от угла установки датчика.

При малых значениях угла α и определенной величине А_акс интервал времени Dt_акс., определяемый прибором МИК с высокой, но все же ограниченной точностью, уменьшается, что снижает точность замеров (при α= 0, т.е. когда минимальная ось инерции периферийного датчика совпадает с осью турбомашины, независимо от А_акс величина Dt_АКС. 0, т.е. при подобной установке сердечника датчика он вообще не регистрирует аксиальные колебания лопатки). При больших углах α величина Dt_акс. резко возрастает, однако уменьшается проекция сердечника на осевое направление (в_акс рис. 8) и при смещении ротора относительно статора в осевом направлении или при значительных амплитудах аксиальных колебаний лопатки возможен частичный или полный "уход" постоянного магнита из-под сердечника в аксиальном направлении, сопровождающийся возрастанием ошибки замеров или невозможностью их выполнения. Кроме того, при увеличении угла возрастает проекция ширины сердечника на окружное направление (a_танг рис. 8), что уменьшает скорость изменения сигнала датчика при прохождении постоянного магнита и тем самым снижается точность замеров /1, с. 59/. Указанные соображения и определяют диапазон изменения величины угла α, указанной в формуле изобретения для замера аксиальной составляющей амплитуды колебаний 30°≅ α≅ 60°.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена бандажная полка рабочей лопатки с установленным в ней постоянным магнитом, размещенным в неферромагнитном корпусе; на фиг. 2 сечение по фиг. 1; на фиг. 3 изображен вид с торца на периферийный индукционный датчик; на фиг. 4 разрез по фиг. 3 на фиг. 5 принципиальная схема заявленного устройства; на фиг. 6 взаимное расположение периферийного датчика и вращающейся лопатки с бандажной полкой, в которой установлен постоянный магнит в немагнитном корпуcе; на фиг. 7, 8 - схематически показана связь между амплитудой колебаний лопатки в аксиальном направлении (А_акс) и изменением времени достижения максимума сигналом периферийного датчика из-за колебаний лопатки (Δt_акс.) в зависимости от угла установки α сердечника датчика на фиг. 9 аналогичная связь показана для тангенциальной составляющей (в плоскости вращения) амплитуды колебаний (А_танг).

Устройство содержит периферийный 1, корневой 2 и оборотный датчик 3 (соответственно Д_п, Д_к и Д_о), а также постоянный магнит 4, размещенный в немагнитном корпусе 5, предназначенном для установки в бандажной полке 6 рабочей лопатки 7. Датчики 1, 2 и 3 (Д_п, Д_к, и Д_о) проводами связаны со входом МИКа с регистрационным и анализирующим блоками. Периферийный датчик 1 содержит сердечник 8, обмотку 9, заполнитель 10, размещенные в корпусе 11. Поперечное сечение сердечника 8 периферийного датчика имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон 10≥в/а≥3, где "а" и "в" соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника.

Перед вибрационными испытаниями к бандажным полкам обследуемых лопаток крепятся постоянные магниты 4 в немагнитном корпусе 5, а периферийный 1, корневой 2 и оборотный 3 датчики крепятся в корпусе турбины. При этом датчик 1 устанавливается в цилиндре турбины против торцов вращающихся лопаток с небольшим радиальным зазором. В отличие от периферийного датчика 1, используемых в приборах ЭЛУРА или МИК, сердечник 8 периферийного датчика 1, хотя и выполнен из ферромагнитного материала, но не является постоянным магнитом. Это связано с тем, что переменный во времени магнитный поток создается в сердечнике периферийного датчика постоянными магнитами, установленными в бандажных полках вращающихся лопаток. Датчик 1 устанавливается в цилиндре либо с углом установки a между минимальной осью инерции сердечника датчика 1 и осью турбомашины в диапазоне 30°≅ α≅ 60° в случае замера тангенциальной и аксиальной составляющей амплитуды колебаний, либо таким образом, чтобы минимальная ось инерции датчика 1 совпадала с осью турбомашины в случае замера только тангенциальной составляющей амплитуды колебаний вершины лопатки.

При вращении ротора турбины постоянные магниты, расположенные на бандажных полках различных лопаток, последовательно проходят мимо периферийного датчика, вызывая изменение магнитного потока и появление ЭДС (электродвижущей силы) в обмотке сердечника датчика. Если лопатка не колеблется, то разница во времени прохождения лопаткой мимо периферийного и корневого датчиков сохраняется неизменной и на экране осциллографа приборов ЭЛУРА или МИН появится неразмытая яркая метка. Если лопатка колеблется с частотой, некратной оборотам, то интервал времени между прохождением лопатки мимо корневого и периферийного датчиков при различных оборотах турбины будет отличаться и произойдет размыв метки, пропорциональный амплитуде колебаний на экране осциллографа в приборе ЭЛУРА /1, с. 28/, или будет зарегистрирована величина, равная двойной амплитуде (размаху) в запоминающем устройстве прибора МИК. Если лопатка совершает целое число колебаний за оборот, то, как описано в /1, с. 42/, замер амплитуд может осуществляться "на проходе", т.е. при изменении оборотов турбины.

Предлагаемое устройство может быть использовано также для замера взаимного тангенциального смещения соседних лопаток при колебаниях, если вместо корневого датчика использовать второй периферийный датчик, отстоящий от первого на один шаг в тангенциальном направлении. Для замера крутильной составляющей колебаний могут быть использованы два постоянных магнита, установленные в различных точках бандажной полки: 1 вблизи центра кручения периферийного сечения лопатки, П вблизи входной или выходной кромки. 2 4

Формула изобретения

1. Устройство для замера амплитуды колебаний рабочих лопаток турбомашины дискретно-фазовым методом, содержащее периферийный, корневой и оборотный индукционные датчики, связанные с регистрационным и анализирующим блоками, отличающееся тем, что оно снабжено постоянными магнитами, каждый из которых размещен в немагнитном корпусе, установленном в бандажной полке лопатки, а сердечник периферийного датчика выполнен из ферромагнитного материала, причем поперечное сечение сердечника имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон 10 ≥ в/а ≥ 3, где а и в соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол между минимальной осью инерции сердечника периферийного датчика и осью турбомашины заключен в диапазоне 30⁰ ≅ α ≅ 60⁰. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что минимальная ось инерции периферийного датчика совпадает с осью турбомашины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9