Способ диагностики состояния посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора электрической машины (варианты)
Изобретение относится к технологии электромашиностроения. Способ диагностики состояния посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора электрической машины с газовым или жидкостно-газовым охлаждением, содержащей ротор с концевыми частями, опирающимися на подшипники, и центральной частью - бочкой с пазами под обмотку, удерживаемую в пазах клиньями, лобовые части которой удерживаются бандажными кольцами, включает выявление дефекта ротора методами вибродиагностики с замерами величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора. Этот факт диагностируют при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, колеблющегося с двойной оборотной частотой в процессе изменения нагрева составных частей ротора электрической машины по сравнению с теми же показателями, при работе электрической машины в режиме, при котором бандажные кольца имеют наименьшую температуру (базовый режим). В другом варианте способа диагностики этот факт диагностируют при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, колеблющегося с двойной оборотной частотой в процессе изменения нагрузки электрической машины от режима холостого хода до номинального при работе электрической машины с номинальным давлением газа по сравнению с теми же показателями, при работе электрической машины в процессе изменения нагрузки электрической машины от режима холостого хода до максимально допускаемой при минимальном давлении газа (базовый режим). В третьем варианте используется и газовое и водяное охлаждение, при этом этот факт диагностируют при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, колеблющегося с двойной оборотной частотой в процессе изменения нагрузки электрической машины от режима холостого хода до номинального, при работе электрической машины с нормальным функционированием жидкостной системы охлаждения составных частей ротора по сравнению с теми же показателями при работе электрической машины в режиме с минимальной нагрузкой и без циркуляции либо с минимальной циркуляцией охлаждающей жидкости (базовый режим). В результате можно провести диагностику состояния посадочного натяга в бандажном узле без его разборки. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к технологии электромашиностроения, в частности к контролю величин натяга горячей посадки бандажных колец роторов крупных электрических машин, например турбогенераторов.
Известен способ диагностики состояния посадочного натяга, описанный в [1]. Диагностика по этому способу требует полной разборки бандажного узла, измерения диаметров сопрягаемых деталей и сравнения полученных результатов с заводскими размерами. Способ весьма трудоемкий и не всегда осуществим по условиям эксплуатации электрической машины и экономическим возможностям.
Наиболее близким аналогом-прототипом является способ диагностики, отраженный в [2], который позволяет обеспечить возможность диагностики состояния посадочных натягов в бандажном узле ротора электрической машины без его разборки. Способ включает оценку изменения натягов в местах посадки бандажного кольца на бочку ротора и на центрирующее кольцо. При этом изменение натягов определяется путем сравнительных измерений диаметра бандажного кольца в местах его посадки до пуска электрической машины в эксплуатацию и после ее останова. Этим способом невозможно оценить достаточность нормативной, например, установленной заводом-изготовителем величины посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора.
Однако указанный способ диагностики не всегда способен уловить ослабление посадочного натяга в процессе эксплуатации электрической машины, в том числе и при ее пуске и изменении теплового состояния, если этот натяг восстанавливается после останова и не создает достаточного эксцентриситета бандажного узла относительно продольной оси ротора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является диагностика состояния посадочного натяга в бандажном узле без его разборки, включая фиксацию недопустимого изменения посадочного натяга бандажного кольца в процессе эксплуатации электрической машины при номинальном числе оборотов ротора и различных условиях нагрузки электрической машины.
На фиг.1 схематически изображен ротор электрической машины с концевыми частями 1, опирающимися на подшипники 2, и центральной частью-бочкой 3 с пазами 4 под обмотку 5, удерживаемую в пазах клиньями 6, а в лобовые частях бандажными кольцами 7.
На фиг.2 изображено поперечное сечение ротора в месте посадки бандажного кольца на бочку с пазами 4 под обмотку 5 и малыми зубцами 8 между ними, вентиляционными пазами 9 в больших зубцах 10, образующих совместно в данном случае двухполюсную электрическую машину с неявно выраженными полюсами. На фиг.2 и 3 изображено поперечное сечение АА бандажного узла соответственно в положении ротора, когда ось его полюсов расположена вертикально и горизонтально, а на фиг.3 показано также смещение центра тяжести бандажного узла на величину ν. Пазы в бочке ротора с обмоткой обозначены порядковыми цифрами по направлению движения часовой стрелки, а стрелками указаны направления действия центробежных сил массы обмотки на бандажное кольцо, возникающих при вращении ротора.
На фиг.4 схематически изображен ротор электрической машины с бандажным узлом в двухпосадочном исполнении, когда бандажное кольцо 7 помимо посадки на торцевую часть бочки ротора имеет также жесткое соединение с концевой частью ротора 1 через центрирующее кольцо 11, посаженное на эту концевую часть.
Известно, что наиболее нагруженным в механическом отношении узлом в такой электрической машине, как турбогенератор, является бандажный узел, удерживающий лобовые части обмотки, закрепленные на вращающейся бочке ротора в радиальном направлении от действия центробежных сил за счет бандажного кольца, соединенного с бочкой ротора горячей посадкой с натягом. Применение горячей посадки обусловлено необходимостью плотного соединения деталей бандажного узла, прежде всего, на рабочей частоте вращения. Нарушение плотности соединения деталей бандажного узла при вращении ротора может привести к повреждению мест соединения в узле, а также к смещению обмоток и, как следствие, к изменению вибрационного состояния машины.
Последнее наиболее существенно для бандажных узлов консольного исполнения, когда тыльная часть бандажного кольца жестко не центрируется (центрирующим кольцом) относительно концевой части бочки ротора.
В консольной конструкции бандажного узла горячая посадка бандажного кольца предназначена для закрепления лобовой части обмотки в радиальном и осевом направлениях, которое может быть успешно реализовано только при посадке бандажного кольца на торцевую часть бочки ротора с гарантированным натягом, создающим монолитное соединение, не позволяющим превратить эту посадку в скользящую при любом, в том числе и анормальном режиме работы турбогенератора.
Известно, что бандажное кольцо, посаженное на бочку ротора с натягом, создает на обжимающей посадочной поверхности усилие, которые зависят от частоты вращения ротора и соотношения температур бочки ротора и бандажного кольца. В результате этого обжатия на посадочной поверхности бандажного кольца возникают силы трения, определяющие удерживающий момент, препятствующий его перекосу. Поскольку сопрягаемые детали имеют правильную цилиндрическую форму, удельное давление бандажного кольца на посадочную поверхность бочки ротора одинаково по всей окружности посадки, а следовательно, и удерживающий момент одинаков для любого направления действия перекашиваюшего момента. При вращении ротора положение изменяется. Несимметричная относительно оси полюсов и нейтральной оси ротора конфигурация лобовых частей обмотки при вращении ротора вызывает несимметричную нагрузку на бандажное кольцо, особенно в зоне его посадки на бочку ротора. В этой зоне нагрузка изменяется по форме эллипса (фиг.2), малая ось которого направлена вдоль оси полюсов. Бандажное кольцо, деформируясь под действием появившихся в нем тангенциальных напряжений, также стремится принять форму эллипса. При этом в соответствии с характером нагрузки от лобовых частей обмотки ротора большая ось эллипса бандажного кольца будет совпадать с нейтральной осью ротора, перпендикулярной оси полюсов, в зоне которой натяг бандажного кольца на бочку ротора окажется минимальным, а при первоначальной недостаточности натяга в этой зоне может образоваться зазор между посадочными поверхностями бочки ротора и бандажного кольца.
Для каждого ротора при определенном состояния уравновешенности бандажного узла и степени неравномерности распределения нагрузки от действия центробежных сил массы лобовых частей обмотки ротора на бандажное кольцо в месте его посадки на бочку ротора существует частота вращения, при которой посадочный натяг бандажного кольца на бочку ротора ослабляется настолько, что бандаж находится в состоянии неустойчивого равновесия. При дальнейшем увеличении оборотов величина перекашиваемого момента может превысить стабилизирующий момент от действия посадочного натяга и бандаж начнет перекашиваться относительно начального соосного положения на угол ϕ (фиг.1).
Если учесть, что нагрузка от действия центробежных сил массы лобовых частей обмотки ротора в месте посадки бандажного кольца на бочку ротора в момент неустойчивого равновесия распределяется по окружности (фиг.3) так, что уменьшает значение посадочного натяга до нуля (большая ось эллипса деформации бандажного кольца) в направлении нейтральной оси обмотки ротора, а в направлении оси полюсов ротора (малая ось эллипса деформации бандажного кольца) наоборот увеличивает величину посадочного натяга, то можно сделать вывод о том, что в момент появления неустойчивого равновесия бандажный узел под воздействием своей массы начнет колебательный процесс второго рода относительно продольной оси бочки ротора с двойной оборотной частотой, следствием которого явится возрастание вибросмещения вала ротора и подшипников также с двойной оборотной частотой.
Несколько иной характер воздействия на колебательный процесс ротора электрической машины имеет ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора в двухпосадочной конструкции бандажного узла (фиг.4). В двухпосадочном исполнении бандажного узла бандажное кольцо плотно посажено с одной стороны на бочку ротора, а через центрирующее кольцо 11 на концевую часть вала ротора. Весь физический процесс деформации бандажного кольца в месте его посадки на бочку ротора и взаимодействия перекашивающего и удерживающего моментов аналогичен описанному для бандажного узла консольного исполнения. При плотной посадке бандажного кольца на бочку ротора все его составные части, включая бандажный узел, под воздействием массы ротора участвуют в колебательном процессе, как единое целое. При этом жесткость ротора за счет укрепления концевых частей вала монолитным бандажным узлом увеличивается, а прогиб вала соответственно уменьшается. При ослаблении посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора происходит снижение жесткости ротора за счет уменьшения момента инерции фактического поперечного сечения концевой части вала с бандажным узлом, которые перестают препятствовать увеличению прогиба ротора. Ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора происходит главным образом в области расположения малых зубцов, т.е. в области, перпендикулярной оси большого зуба. Поэтому упомянутое изменение момента инерции ротора и соответствующее максимальное увеличение прогиба вала ротора на угол ϕ (фиг.4) будет происходить в направлении, перпендикулярном оси большого зуба, в момент, когда в процессе вращения ротора эта ось занимает вертикальное положение. Поскольку посадочный натяг бандажного кольца на бочку ротора в зоне большого зуба уменьшается менее интенсивно, чем в зоне, перпендикулярной оси большого зуба, то это вызовет увеличение вибросмещения, виброскорости подшипников в колебательном процессе второго рода с двойной оборотной частотой. Причем это увеличение параметров вибросмещения и виброскорости, как правило, совпадает по направлению с вибросмещением и виброскоростью вала ротора и подшипников, являющихся следствием неравножесткости ротора из-за несимметричного расположения пазов под обмотку и в большом зубе.
Упомянутые выше проявления ослабления посадки бандажного кольца на бочку ротора можно обнаружить методом вибродиагностики, для чего необходимо отделить признаки, присущие ослаблению посадочного натяга, от параметров вибродиагностики, характерных для других дефектов ротора. Так как колебания роторов второго рода с двойной оборотной частотой вращения от воздействия сил притяжения массы ротора к земле вызываются главным образом асимметрией поперечного сечения бочки ротора, которая не зависит от изменения нагрузки электрической машины и ее теплового состояния, то основные диагностические признаки проявления ослабления посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора могут быть основаны на выявлении зависимости вибросмещения, виброскорости и фазы вибрации вала и подшипников с двойной оборотной частотой вращения от нагрузки и теплового состояния составных частей ротора и, в первую очередь, от теплового состояния бандажного узла. Кроме того, следует иметь в виду, что ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора происходит, при прочих равных условиях, тем медленнее и на более поздней стадии тогда, когда имеет место меньшая разница нагрева бандажного кольца в месте посадки по отношению к усредненному нагреву бочки ротора в этом месте.
Именно эти режимы работы электрической машины можно назвать "базовыми режимами", то есть режимами, при которых показатели вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения становятся базовыми для сравнения с измерениями вибродиагностических показателей, характеризующими состояние посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора в менее благоприятных условиях эксплуатации при больших значениях разности нагрева бандажного кольца и металла бочки ротора.
Таким образом, для раннего выявления недостаточности посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора этот факт можно диагностировать при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения или виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора или подшипников, колеблющихся с двойной оборотной частотой в процессе изменения нагрева составных частей ротора, например, за счет увеличение или снижение нагрузки электрической машины по сравнению с теми же показателями, при работе электрической машины в режиме, при котором бандажные кольца имеют наименьшую температуру (базовый режим).
Ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора не обязательно происходит на обоих бандажных кольцах одновременно в связи с имеющимися допусками на обработку посадочных поверхностей бандажных колец при их изготовлении, различному износу, а также не всегда симметричным температурным режимом. Поэтому ослабление посадочного натяга каждого из бандажных колец, установленных на бочке ротора с двух сторон, можно диагностировать дифференцированно по интенсивности изменения вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения в колебательном процессе вала ротора или подшипников с двойной оборотной частой соответствующих сторон по сравнению с базовым режимом.
Если в электрической машине в качестве охлаждающей среды используется газ, например водород, за базовый режим принимается режим работы электрической машины с изменением нагрузки электрической машины от режима холостого хода до максимально допускаемой при низком давлении газа, а ослабление посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора можно диагностировать по увеличению вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения колебаний вала ротора или подшипников с двойной оборотной частотой при работе электрической машины с максимальным, как правило, номинальным давлением газа и изменении нагрузки электрической машины от режима холостого хода до номинального.
Если же в электрической машине для охлаждения каких-либо составных частей ротора (обмотки, бочки, пазовых клиньев) используется жидкость, за базовый режим при диагностике состояния посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора принимается работа электрической машины при номинальной частоте вращения без циркуляции либо с минимальной циркуляцией охлаждающей жидкости, а ослабление посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора можно диагностировать по увеличению вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора или подшипников с двойной оборотной частотой при работе электрической машины с минимальной нагрузкой и нормальным функционированием жидкостной системы охлаждения составных частей ротора
Так как различная жесткость бочки ротора с неявно выраженными полюсами во взаимно перпендикулярных осях, вызывающая колебательный процесс ротора второго рода с двойной оборотной частой вращения, отличается от жесткости бандажного узла с отделившимся бандажным кольцом в направлении вдоль и поперек полюсов ротора, то очевидно, что каждому из этих колебательных процессов свойственна своя критическая частота вращения. Если учесть также то обстоятельство, что в процессе прохождения критических чисел оборотов фаза вибросмещения меняется на 180 градусов, то ослабление посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора можно диагностировать также по изменению фазы вибросмещения или виброскорости вала ротора или подшипников, колеблющихся с двойной оборотной частотой в диагностируемом режиме работы электрической машины по сравнению с базовыми.
При этом для любого варианта способа диагностики состояния посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора диагностирование выполняют при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора или подшипников, колеблющихся с двойной оборотной частотой, в процессе изменения нагрузки электрической машины, ее систем вентиляции и жидкостного охлаждения, что в конечном итоге приводит к изменению нагрева составных частей ротора по сравнению с теми же параметрами колебаний вала ротора или подшипников в базовых режимах, при которых бандажные кольца имеют наименьшую температуру, а бочка ротора в месте посадки наибольшую. Это обеспечивает максимальную монолитность бандажного узла в базовых режимах. Следует также иметь в виду, что большая интенсивность изменения величин вибросмещения и фазы вибросмещения подшипников не обязательно вызывается у подшипника, расположенного вблизи бандажного узла с ослабленным натягом. В некоторых случаях больший рост вибросмещения с двойной оборотной частотой может возникнуть у подшипника, расположенного на противоположной стороне от бандажного узла с ослабленным натягом, а при сопряжении электрической машины с другими агрегатами также на подшипниках этих агрегатов в том случае, если собственная частота колебаний этих подшипников будет близка к критической частоте колебаний ротора с бандажным узлом, в котором ослаблены посадочные натяги.
Кроме того, в процессе диагностирования изменения посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора следует иметь также в виду, что при определенных условиях, например при эксплуатации турбогенераторов в анормальных режимах работы (асинхронный, несимметричная нагрузка и т.д.), возможен значительный нагрев зоны посадки бандажного кольца, при котором ослабление посадочного натяга будет настолько значительным, что произойдет снижение обжимающих усилий бандажного кольца по всей посадочной поверхности бочки ротора так и на столько, что появится односторонний перекашивающий момент значительно более высокий, чем удерживающий момент в плоскости оси полюсов, что будет сопровождаться ростом вибросмещения, виброскорости вала ротора и подшипников с оборотной частотой вращения в колебательном процессе первого рода, что может одновременно также привести к снижению величин вибросмещения вала ротора и подшипников с двойной оборотной частотой в колебательном процессе второго рода.
При диагностировании состояние посадочных натягов бандажного кольца на бочку ротора электрической машины по предлагаемому способу можно использовать как отдельные диагностические признаки проявления ослабления натяга, так и комплекс диагностических признаков, изложенных в четырех пунктах формулы изобретения, что повысит достоверность диагностики посадочного натяга и позволит оценить степень этого ослабления в различных режимах эксплуатации электрической машины, а отсутствие каких-либо признаков формулы изобретения при диагностировании посадочного натяга может лишь свидетельствовать о недостаточности проявления показателей вибродиагностики в базовом либо в диагностируемом режиме.
Источники информации
1. Справочник по ремонту турбогенераторов, (под редакцией П.И.Устинова), М., Энергия, 1978, с.258.
2. Аврух В.Ю. и Ростик Г.В. Патент на изобретение России №2145144. Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на составные части ротора электрической машины (варианты)" 09.02.1999.
1. Способ диагностики состояния посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора электрической машины с газовым или жидкостно-газовым охлаждением, содержащей ротор с концевыми частями, опирающимися на подшипники, и центральной частью - бочкой с пазами под обмотку, удерживаемую в пазах клиньями, лобовые части которой удерживаются бандажными кольцами, включающий выявление дефекта ротора методами вибродиагностики с замерами величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, отличающийся тем, что этот факт диагностируют при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, колеблющегося с двойной оборотной частотой в процессе изменения нагрева составных частей ротора электрической машины по сравнению с теми же показателями, при работе электрической машины в режиме, при котором бандажные кольца имеют наименьшую температуру (базовый режим).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ослабление посадочного натяга каждого из бандажных колец, установленных на бочке ротора с двух сторон, диагностируют дифференцировано по интенсивности изменения вибросмещения, виброскорости и фазы в колебательном процессе вала ротора с двойной оборотной частотой соответствующих сторон по сравнению с базовым режимом.
3. Способ диагностики состояния посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора электрической машины с газовым охлаждением, содержащей ротор с концевыми частями, опирающимися на подшипники, и центральной частью - бочкой с пазами под обмотку, удерживаемую в пазах клиньями, лобовые части которой удерживаются бандажными кольцами, включающий выявление дефекта ротора методами вибродиагностики с замерами величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, отличающийся тем, что этот факт диагностируют при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, колеблющегося с двойной оборотной частотой в процессе изменения нагрузки электрической машины от режима холостого хода до номинального при работе электрической машины с номинальным давлением газа по сравнению с теми же показателями, при работе электрической машины в процессе изменения нагрузки электрической машины от режима холостого хода до максимально допускаемой при минимальном давлении газа (базовый режим).
4. Способ диагностики состояния посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора электрической машины, содержащей ротор с концевыми частями, опирающимися на подшипники, и центральной частью - бочкой с пазами под обмотку, удерживаемую в пазах клиньями, лобовые части которой удерживаются бандажными кольцами, с газовым охлаждением и жидкостным охлаждением некоторых составных частей ротора (обмотки, бочки, пазовых клиньев), включающий выявление дефекта ротора методами вибродиагностики с замерами величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, отличающийся тем, что этот факт диагностируют при номинальной частоте вращения электрической машины по изменению величин вибросмещения, виброскорости и фазы вибросмещения вала ротора, колеблющегося с двойной оборотной частотой в процессе изменения нагрузки электрической машины от режима холостого хода до номинального, при работе электрической машины с нормальным функционированием жидкостной системы охлаждения составных частей ротора, по сравнению с теми же показателями при работе электрической машины в режиме с минимальной нагрузкой и без циркуляции, либо с минимальной циркуляцией охлаждающей жидкости (базовый режим).
