Способ диагностики напряженного состояния валов роторов энергоагрегата с крупной электрической машиной и устройство для его осуществления
Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к технологии и конструированию крупных электрических машин, например турбогенераторов. Изобретение может быть использовано в теплоэнергетике, в частности в энергоагрегатах тепловых и атомных электростанций. Для диагностирования напряженного состояния валов роторов в процессе эксплуатации энергоагрегата с крупной электрической машиной производят расчетно-экспериментальное определение напряжений в опасных сечениях ротора под воздействием изгибающего момента от массы роторов по выявленным экспериментально отклонениям от базовых значений реакций соседних опор электрической машины и сопряженного агрегата, путем оценки изменения изгибающего момента, действующего в опасном сечении. Для определения изменения реакции опор электрической машины и сопряженных агрегатов под воздействием массы роторов в процессе эксплуатации между наружной поверхностью вкладышей, в колодках, и сопряженной поверхностью стульев - обойм опорных подшипников устанавливают датчики давления, например тензодатчики. Технический результат - повышение надежности и технологичности крупной электрической машины в составе энергоагрегата путем своевременного диагностирования в процессе эксплуатации чрезмерных изгибных напряжений в валах роторов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к технологии и конструированию крупных электрических машин, например турбогенераторов. Изобретение может быть использовано в теплоэнергетике, в частности в энергоагрегатах тепловых и атомных электростанций.
При вращении крупной электрической машины, сопряженной с другими агрегатами, в валу ротора возникают изгибные, часто весьма значительные напряжения от воздействия массы собственного ротора, а также масс роторов сопряженных агрегатов, воздействие которых увеличивается по мере расцентровки сопряженных агрегатов в процессе их эксплуатации.
Известен способ диагностики напряженного состояния валопровода турбоагрегата и установки высотного положения опор [1], при котором изгибные напряжения в валу выявляются при помощи силоизмерительных домкратов, восстанавливающих исходное положение ротора. При этом измеряют в этом положении нагрузку на опоры. По графику зависимости опорных нагрузок от расцентровок для измеренного значения нагрузки корректируют положение опорных подшипников до нормального уровня расцентровок валопроводов. Такой способ не позволяет контролировать напряженное состояние вала ротора в процессе эксплуатации, а лишь фиксирует величину нагрузок, воздействующих на вал ротора после останова электрической машины и частичной ее разборки.
Наиболее близким к предложенному является другой известный способ диагностики напряженного состояния валов роторов [2], заключающийся в том, что измеряют изгибные напряжения в консолях с помощью тензометрии и принимают за косвенный параметр, характеризующий расцентровку, определяют последнюю, исходя из разности между заданным и измеренным напряжением. Затем при помощи гидроцилиндров перемещают подшипники таким образом, чтобы изгибные напряжения в консолях были равны заданным. Однако такое решение неточно в случае установки тензодатчиков на консольных участках вала ротора, так как тензодатчики работают в области малых приращений деформации. Кроме того, как показывает практика, в таких крупных энергоблоках, как, например, турбогенератор Т3В-800-2 - турбина К-800-240, мощностью 800 МВт максимальное отклонение вертикального положения опор валопровода от исходного положения при пуске происходит после набора номинальной нагрузки через 10-15 суток, что при отсутствии возможности диагностики напряженного состояния вала в процессе эксплуатации [2] теряет смысл.
Цель изобретения состоит в повышении надежности и технологичности крупной электрической машины в составе энергоагрегата путем своевременного диагностирования в процессе эксплуатации чрезмерных изгибных напряжений в валах роторов, которые могут привести к их разрушению.
На фиг.1 изображен ротор 1 крупной электрической машины, с консольными 2 и массивной срединной 3 частями, опорные подшипники 4 со стульями 5, крышками (обоймами) 6 и вкладышами 7 с колодками 8, сопряженный с помощью муфт 9 с роторами 10 других агрегатов, установленными в собственных опорных подшипниках 11.
На фиг.2 изображен поперечный разрез Б-Б по опорному подшипнику, в котором показана установка датчиков давления (тензодатчиков) 12 в колодках 8. Буквами Р1, Р2 и Р3 обозначены реакции опоры от воздействия массы ротора, причем реакции опоры Р1 и Р2 действуют на нижнюю часть вкладыша под углом α (угол расположения колодок в нижней половине вкладыша) относительно вертикальной оси.
Известно, что одним из наиболее нагруженным в механическом отношении узлом энергоблоков является валопровод, через который передается вырабатываемая мощность, он подвержен крутильным и изгибным колебаниям. Особенно опасны знакопеременные изгибные колебания роторов турбогенератора и сопряженных агрегатов под действием собственной массы, т.к. практически только эти изгибные напряжения вызывают со временем появление поперечных трещин усталостного характера, приводящих к разрушению роторов. Возникновению усталостных трещин в значительной степени способствует имеющее место перераспределение массовых нагрузок роторов соседних агрегатов при изменении высотных положений рядом расположенных опорных подшипников, когда часть, а иногда и вся нагрузка перераспределяются так, что один из опорных подшипников воспринимает ее в большей степени или полностью, а на участке вала ротора, опирающемся на этот подшипник, возникают значительные, часто недопустимые знакопеременные изгибные напряжения, определение которых производится известным расчетным методом - путем деления изгибающего момента в опасном сечении вала на момент сопротивления этого сечения. Изменение же вертикального положения опорного подшипника часто непредсказуемое, происходит при эксплуатации энергоагрегата периодически в процессе изменения нагрузки за счет деформации фундамента, изменения теплового режима, набора вакуума в турбоагрегате, а также в зависимости от многих других факторов. Поэтому техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является организация диагностики напряженного состояния валов роторов энергоблоков с крупной электрической машиной в процессе их эксплуатации, своевременная фиксация появления недопустимо высоких знакопеременных изгибных напряжений в консольной 2 и срединной 3 (фиг.1) частях роторов, а также создание устройства, которое позволяет производить эту диагностику.
Для реализации поставленной задачи в процессе эксплуатации энергоагрегата с крупной электрической машиной производят расчетно-экспериментальное определение напряжений в опасных сечениях ротора (А-А, Б-Б, Г-Г, фиг.1) под воздействием изгибающего момента от массы роторов, по выявленным экспериментально отклонениям от нормативных базовых значений реакций соседних опор электрической машины 4 (фиг.1) и сопряженного агрегата 11, путем оценки изменения изгибающего момента, действующего в опасном сечении: в консольной части (сечения А-А и Б-Б), определяемого произведением разности реакции опоры сопряженного агрегата, ближайшей к электрической машине, относительно величин реакции этой опоры при нормативном базовом состоянии центровки валов роторов электрической машины и сопряженного агрегата, на расстояние от опорного подшипника соседнего агрегата до опасного сечения А-А и Б-Б. При диагностировании напряженного состояния срединной части вала прибавляют к этому изменению величины изгибающего момента дополнительный изгибающий момент, определяемый произведением такой же разности реакции соседней к сопряженному агрегату опоры электрической машины также соответственно замеренных в нормативно базовом и диагностируемом состоянии расцентровки валов на расстояние от этой опоры до опасного сечения в срединной части ротора. Математически указанные изменения изгибающих моментов в опасном сечении вала ротора определяются соотношением:
где Рэ.д. и Рад - соответственно реакции соседних опор роторов электрической машины и сопряженного агрегата в процессе эксплуатации (диагностируемый режим).
Рэ.д. и Ра.н - то же, для нормально отцентрованных валов электрической машины и соседнего агрегата (нормированный режим),
Loc - расстояние от опорного подшипника сопряженного агрегата до опасного сечения (на фиг.1 это сечения А-А и Б-Б),
Loc.cp - расстояние от опоры электрической машины до опасного сечения в срединной части вала ротора (на фиг.1 это сечения В-В).
При этом экспериментальная область диагностирования напряженного состояния валов роторов заключается в определении изменения реакции опор электрической машины и сопряженных агрегатов под воздействием массы роторов в процессе эксплуатации. Для чего между наружной поверхностью нижних половин вкладышей (в колодках) и сопряженной поверхностью стульев (обойм) опорных подшипников устанавливают датчики давления, например тензодатчики. Для повышения уровня надежности работы датчиков давления (тензодатчиков) их предпочтительно устанавливать между вкладышем и колодками 12 (фиг.2), которые скреплены болтовым соединением и в процессе эксплуатации энергоагрегата неподвижны друг относительно друга.
В некоторых случаях датчики давлений можно устанавливать в любой зоне тела вкладыша опорного подшипника, например, запаяв их в рабочую баббитовую поверхность. Однако в любом случае число устанавливаемых датчиков давления и площадь, на которые они устанавливаются, должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить минимальную погрешность измерения реакции опорных подшипников. В этом плане установка датчиков давления (тензодатчиков) на поверхностях или в углублениях колодок 12, фиг.2 предпочтительна.
Первоначально на собранном энергоагрегате фиксируются базовые значения реакции опорных подшипников, определяемых воздействием массы роторов при нормально отцентрованных валах электрической машины и сопряженных агрегатов. За базовые реакции опор принимают реакции опор, полученные при нулевой расцентровке валов, либо при заранее выбранной расцентровке, обеспечивающей минимальные изгибные напряжения в валах при наибольшей нагрузке, либо наиболее длительном режиме эксплуатации энергоагрегата.
При использовании предложенного способа диагностики необходимо устранить погрешности, наводимые в датчиках давления и измерительной аппаратуре, определяемые условиями сборки опорных подшипников и силовым воздействием на них неуравновешенного ротора. Так как в процессе сборки подшипников верхняя крышка может быть установлена с некоторым натягом по отношению к вкладышу, который передается на датчики давления в виде дополнительной нагрузки, изменяющейся в процессе эксплуатации турбоагрегата за счет ослабления болтового крепления крышки, то для учета этого дополнительного давления устанавливаются датчики давления (тензодатчики) в верхней части опорного подшипника. Эти датчики давления устанавливаются также между наружной поверхностью верхних половин вкладышей (в колодках) и сопряженной поверхностью верхней части крышек (обойм) опорных подшипников.
При закреплении крышки опорного подшипника на стуле с некоторым натягом возникающие внутренние усилия в одинаковой мере передаются на датчики давления, установленные как в верхних, так и в нижних частях опорного подшипника.
Для очистки величин реакции опор от этой погрешности необходимо вычесть из намеренных давлений датчиков, установленных в нижней зоне опорного подшипника, показания датчиков давления, установленных в верхней части опорного подшипника.
Те же действия необходимо производить для очистки замеренных величин опорных реакций от действия на опорные подшипники знакопеременных сил неуравновешенных роторов, периодически одинаково действующих в вертикальной плоскости. Это уточнение необходимо производить, если в измерительных схемах не предусмотрена фильтрация знакопеременных нагрузок.
Установка датчиков давления (тензодатчиков) в верхней половине опорных подшипников необходима также для измерения изменения реакции опор этого подшипника. когда вертикальные перемещения его или соседнего опорного подшипника в процессе эксплуатации турбоагрегата превзойдут существующий верхний зазор между рабочей внутренней поверхностью вкладыша и валом ротора. В этом случае вал будет воздействовать на верхнюю часть опорного подшипника, приподнимая его и отрывая от фундамента, что иногда имеет место в практике эксплуатации турбоагрегата. В этом случае реакция опоры изменится не только по величине, но и по направлению.
Предлагаемый способ диагностики напряженного состояния валов роторов энергоагрегата с крупной электрической машиной позволяет корректировать, при необходимости, центровку валов и, что весьма существенно, определять оптимальное значение расцентровок валов для обеспечения минимальных величин изгибающих напряжений валов роторов при наиболее тяжелых режимах работы энергоагрегата.
Источники информации:
1. Патент России №RU 2029101, кл. F 01 D 15/00, опубл. 20.02.95 №5 Способ установки опорных подшипников валопровода паровой турбины.
2. Патент США №4538455 кл. G 01 М 15/00, опубл. 1985.
1. Способ диагностики напряженного состояния валов роторов энергоагрегата с крупной электрической машиной, содержащей ротор с консольными и массивной срединной частями, опорные подшипники со стульями - обоймами, крышками - обоймами и вкладышами с колодками, соединенный с помощью муфт с роторами сопряженных агрегатов, установленными в собственных опорных подшипниках, включающий расчетно-экспериментальное определение напряжений в опасных сечениях ротора под воздействием изгибающего момента от массы упомянутых роторов, отличающийся тем, что диагностирование напряженного состояния вала ротора производят в процессе эксплуатации электрической машины по выявленным экспериментально отклонениям от базовых значений реакций соседних опор электрической машины и сопряженного агрегата путем оценки изменения изгибающего момента, действующего в опасном сечении в консольной части, определяемого произведением разности реакции опоры сопряженного агрегата, ближайшей к электрической машине, относительно величин реакции этой опоры при нормированном базовом состоянии центровки валов роторов электрической машины и сопряженного агрегата, на расстояние от опорного подшипника соседнего сопряженного агрегата до опасного сечения, а при диагностировании напряженного состояния срединной части вала прибавляют к этому изменению величину изгибающего момента, определяемую произведением такой же разности реакции соседней к сопряженному агрегату опоры электрической машины на расстояние от этой опоры до опасного сечения в срединной части ротора, при этом указанные изменения изгибающих моментов определяются соотношением:
где Рэ.д и Ра.д - соответственно реакции соседних опор роторов электрической машины и сопряженного агрегата в процессе эксплуатации (диагностируемый режим).
Рэ.н и Ра.н - то же для нормально отцентрованных валов электрической машины и соседнего агрегата (нормированный базовый режим),
Loc - расстояние от опорного подшипника сопряженного агрегата до опасного сечения,
Loc.cp. - расстояние от опоры электрической машины до опасного сечения в срединной части вала ротора.
2. Устройство для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что, с целью определения изменения реакции опор электрической машины и сопряженных агрегатов под воздействием массы роторов в процессе эксплуатации, между наружной поверхностью нижних половин вкладышей, в колодках, и сопряженной поверхностью стульев - обойм опорных подшипников устанавливают датчики давления, например тензодатчики.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что упомянутые датчики давления устанавливают между наружной поверхностью верхних половин вкладышей, в колодках, и сопряженной поверхностью верхней части крышек - обойм опорных подшипников.
