Способ диагностики состояния посадочной части бандажных колец и массивного сердечника ротора электрической машины и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники, а именно технологии электромашиностроения, в частности, к контролю состояния посадочной части бандажных колец и сердечника роторов крупных электрических машин, например, турбогенераторов. Сущность изобретения заключается в том, что по изменению тангенциальной деформации внутренней посадочной поверхности бандажного кольца определяется наличие трещин на внутренней посадочной поверхности бандажного кольца, износа посадочных поверхностей, изменения посадочного натяга и остаточной радиальной деформации зубцов ротора. Тангенциальная деформация внутренней посадочной поверхности бандажного кольца определяется с помощью устройства, состоящего из нескольких датчиков измерения деформаций (тензодатчиков), закрепленных на внутренней посадочной поверхности бандажного кольца после сборки бандажного узла. Для возможности установки датчиков предусмотрены продольные каналы в концевых пазовых клиньях ротора. Внешние измерительные контакты, соединенные с выводами датчиков, предназначены для съема информации с датчиков и закрепляются в продольных каналах концевых пазовых клиньев ротора или в концевых частях ротора. Технический результат - повышение надежности электрических машин, а также снижение затрат на осуществление диагностических и ремонтных работ. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технологии электромашиностроения, в частности, к контролю состояния посадочной части бандажных колец и сердечника роторов крупных электрических машин, например, турбогенераторов.

Известен способ контроля состояния посадочной части бандажных колец и сердечника ротора, приведенный в [1]. Для такого контроля требуется полная разборка бандажного узла, его визуальный осмотр, измерение диаметров сопрягаемых деталей и сравнение полученных результатов с заводскими размерами. Способ, весьма трудоемкий, и не всегда осуществим по условиям эксплуатации электрической машины и экономическим возможностям.

Наиболее близким аналогом-прототипом изобретения является способ диагностики состояния посадочной части бандажных колец, включающий выявление трещин на посадочной поверхности бандажных колец с использованием измерительной аппаратуры, до пуска электрической машины в эксплуатацию и в процессе эксплуатации при последующих периодических остановах для выполнения ревизии, приведенный в [2]. Согласно этому способу образование трещин и других повреждений на внутренней посадочной поверхности бандажных колец диагностируется без разборки бандажного узла ультразвуковым методом с использованием наклонного ультразвукового пьезопреобразователя, устанавливаемого на наружной поверхности бандажного кольца, а наличие трещины определяется дефектоскопом по отраженному от трещины эхосигналу. Недостатком этого метода является небольшие возможности дефектоскопии, которая ограничивается только выявлением дефектов на обследуемой доступной поверхности, а также конструктивные особенности бандажных узлов, не позволяющие в ряде случаев обеспечить необходимый плотный контакт датчика ультразвукового дефектоскопа с поверхностью бандажного кольца. Этих недостатков лишен предлагаемый способ диагностики с использованием достаточно простого устройства.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение надежности электрических машин, а также снижение затрат на выполнение диагностических и ремонтных работ за счет совершенствования методов их диагностики.

На фиг.1 изображен бандажный узел ротора электрической машины с устройством (1) для диагностики состояния посадочной части бандажных колец (2) и массивного сердечника (3), с зубцами (4) и пазами (5), в которых размещена обмотка (6), закрепленная в пазах клиньями (7), с изоляционными прокладками (8), а также соединительный провод (9) устройства с измерительными контактами (10), расположенными на концевой части ротора (11).

На фиг.2 и 3 показано расположение датчиков устройства для диагностики относительно объектов измерения, а также расположение дополнительных датчиков (12 и 13) на заплечиках под пазовыми клиньями и наружной поверхности зубцов под изоляционной прокладкой и измерительных контактов (14) устройства в пазовых клиньях ротора.

На фиг.1 и 2 приняты также следующие обозначения:

D_б1(2); D_с1(2) - соответственно наружные диаметры бандажного кольца и сердечника ротора в зоне их сопряжения;

(индекс 2) - диагностируемый, (индекс 1) - базовый периоды проводимых измерений.

Общеизвестно, что наиболее нагруженным в механическом отношении узлом таких электрических машин как турбогенераторы является бандажный узел, удерживающий лобовые части обмотки, закрепленные на вращающемся сердечнике ротора за счет бандажного кольца.

В части бандажного кольца, посаженного горячей посадкой на сердечник ротора, возникают значительные напряжения от посадки, от центробежных сил, а также знакопеременные напряжения, которые могут приводить к возникновению на посадочной поверхности бандажного кольца трещин.

В процессе эксплуатации в зоне посадки бандажного кольца на сердечник ротора в ряде случаев наблюдается износ сопряженных посадочных поверхностей за счет механических и электрических повреждений, а также фретинг коррозии. Особенно значителен износ изоляционных прокладок, иногда устанавливаемых в этой зоне, за счет расслоения изоляции, а также выжигания горючих составляющих при высоких температурах нагрева бандажных колец. В этих случаях возможно прослабление натяга, ведущее к появлению значительных дополнительных напряжений в посадочной части бандажного кольца.

Поэтому крайне важно без разборки бандажных узлов своевременно диагностировать ослабление натяга между бандажным кольцом и сердечником ротора и появление трещин на посадочной поверхности бандажных колец, которые могут быть причиной разрушения ротора.

Предлагаемый способ диагностики состояния посадочной части бандажных колец и массивного сердечника ротора электрической машины основан на выявлении зависимости появления и проявления дефектов узла сопряжения бандажного кольца с сердечником ротора на тангенциальную деформацию внутренней посадочной части бандажного кольца, изменение которой можно уловить, используя датчики измерений деформаций, например, тензодатчики. При этом учитывается то обстоятельство, что посаженные горячей посадкой бандажные кольца на сердечник ротора на остановленной электрической машине в холодном состоянии растянуты относительно сердечника в тангенциальном направлении на величину, определяемую простым геометрическим соотношением разницы длин окружности посадочных поверхностей сердечника ротора и бандажного кольца, диаметры которых в разобранном состоянии бандажного узла отличаются друг от друга величиной посадочного натяга.

Поэтому диагностирование состояния посадочной части бандажных колец и массивного сердечника ротора электрической машины можно производить путем сравнительных измерений тангенциальных деформаций внутренней посадочной поверхности бандажных колец, проведенных при гарантированном отсутствии износа и трещин в бандажном кольце (Δ₁=0) (начальная деформация до пуска электрической машины в эксплуатацию после ее изготовления или капитального ремонта - базовый период) и деформации в диагностируемый период в процессе эксплуатации при последующих ее остановах (Δ₂). Здесь под тангенциальной деформацией внутренней посадочной поверхности бандажных колец имеется в виду не деформация какого-то конкретного участка посадочной поверхности бандажного кольца, а суммарная тангенциальная деформация всей внутренней посадочной поверхности бандажного кольца.

Образование трещин, износ, изменение посадочного натяга и остаточную радиальную деформацию зубцов определяют по изменению тангенциальной деформации внутренней посадочной поверхности бандажных колец на остановленной электрической машине (Δ₂-Δ₁). При этом, если величина (Δ₂-Δ₁) отрицательная, т.е. фиксируется деформация сжатия, то этим определяется ослабление посадочного натяга бандажного кольца на сердечник ротора, за счет износа и вероятного образования трещин на внутренней посадочной части бандажных колец, если же величина (Δ₂-Δ₁) положительная, т.е. фиксируется деформация растяжения, то это свидетельствует о том, что электрическая машина работала в анормальном режиме, например, со сверхноминальной частотой вращения, что привело к остаточной радиальной деформации растяжения зубцов сердечника ротора и, возможно, к остаточной тангенциальной деформации бандажного кольца.

Для диагностирования образования трещин на внутренней посадочной части бандажного кольца из общей величины изменения тангенциальной деформации этой поверхности (Δ₂-Δ₁) исключается составная часть (Δ_{2износа}), обусловленная износом за время эксплуатации электрической машины сопрягаемых поверхностей бандажного кольца, зубцов сердечника ротора и изоляционных прокладок, определяемая изменением наружного диаметра бандажного кольца (ΔD_б=D_б2-D_б1) в диагностируемый период (D_б2) по сравнению с базовым периодом (D_б1) по формуле Δ_{2износа}=π·ΔD_б. Суммарная величина раскрытия трещин определяется соотношением: Δ_{2трещин}=|Δ₂-Δ₁|-|ΔD_б|.

Изменение величины посадочного натяга (Δб) бандажных колец на сердечник ротора в диагностируемый период производят по результатам изменения тангенциальных деформаций внутренней посадочной поверхности бандажных колец (Δ) и наружного диаметра сердечника ротора (ΔD_c=D_c2-D_с1), замеренного в зоне его сопряжения с бандажным кольцом, в сравнении с произведенными измерениями в базовом периоде, используя соотношение:

, при этом фактическая величина посадочного натяга определяется соотношением: δ_факт=δ_норм-Δδ, где:

б_факт - фактическая величина посадочного натяга бандажных колец;

б_норм - нормативная (первоначальная) величина посадочного натяга;

Δ₂ и Δ₁ - соответственно тангенциальные деформации внутренней посадочной поверхности бандажных колец в диагностируемом и базовом периоде.

Для жестких сердечников роторов электрических машин изменение величины посадочного натяга (Δб) бандажных колец на сердечник ротора в диагностируемый период в сравнении с произведенными измерениями в базовом периоде, можно определять с небольшой погрешностью, используя соотношение:

Существенное значение для реализации предложенного способа диагностики имеет использование предлагаемого устройства для обеспечения сравнительных измерений тангенциальных деформаций в посадочной части бандажного кольца до пуска электрической машины в эксплуатацию и в диагностируемый период в процессе эксплуатации при последующих ее остановах. Устройство представляет собой датчики измерения деформаций, например, тензодатчики, ширина которых для установки на внутреннюю поверхность бандажного кольца не должна превышать ширины паза сердечника ротора, а длина - ширины посадочной поверхности бандажных колец. Датчики, установленные на внутренней посадочной поверхности бандажных колец, располагаются в местах напротив пазов ротора. При этом, хотя бы в части концевых пазовых клиньев ротора выполнены продольные каналы, через которые устанавливаются датчики измерения тангенциальных деформаций и выполнена соединительная проводка к внешним измерительным контактам, которые закреплены в пазовых клиньях.

Такое конструктивное исполнение устройства позволяет устанавливать на посадочную часть бандажного кольца, собранного на сердечнике ротора, датчики измерения тангенциальных деформаций, не подвергая их механическому и тепловому воздействию, неизбежному в процессе горячей посадки бандажных колец. Кроме того, установка датчиков измерения деформаций, как заключительная операция сборки ротора в холодном состоянии, позволяет установить начальное расчетное значение тангенциальных деформаций посадочной части бандажного кольца равным нулю (Δ₁=0) при нормативной величине посадочного натяга.

В том случае, когда датчики измерения тангенциальных деформаций посадочной части бандажного кольца устанавливаются в свободных от обмоток пазах сердечника ротора, в которых отсутствуют пазовые концевые клинья, внешние измерительные контакты могут быть закреплены на наружной или боковой поверхностях зубцов ротора.

Для того чтобы обеспечить проведение измерений тангенциальных деформаций посадочной части бандажного кольца, не разбирая электрической машины, соединительные провода от датчиков измерения деформаций проводятся через пространство под бандажными кольцами к внешним измерительным контактам, установленным в концевых частях ротора.

Результаты измерения местных тангенциальных деформаций посадочной части бандажного кольца, полученные от датчиков, правомерно распространить на всю посадочную поверхность бандажного кольца путем интегрирования этих результатов по всей этой поверхности, если учесть, что остаточные посадочные натяги бандажных колец на сердечник ротора при работе электрических машин с номинальной частотой вращения ослабевают настолько, что не предотвращают выравнивания в бандажном кольце напряжений от посадочного натяга.

Для вычисления числовых значений натяга сопрягаемых горячей посадкой бандажного кольца и сердечника ротора, без использования для этих целей микрометрических измерительных скоб, либо каких-либо других устройств, позволяющих с высокой степенью точности измерять достаточно большие наружные диаметры бандажных колец и сердечника ротора электрической машины, как это требуется для определения упомянутых параметров в процессе диагностики состояния посадочной части бандажных колец и массивного сердечника ротора электрической машины рассматриваемым способом, в устройстве предусмотрена:

- установка датчиков измерения деформаций в зоне посадки бандажных колец на заплечики зубцов сердечника и закрепление их пазовыми клиньями;

- установка датчиков измерения деформаций в зоне посадки бандажных колец на наружной поверхности зубцов сердечника под изоляционной прокладкой.

В этом случае изменение величины посадочного натяга (Δб) бандажных колец на сердечник ротора, обусловленной износом поверхностей бандажного кольца, зубцов и изоляционных деталей сердечника ротора, а также появлением трещин за время эксплуатации электрической машины, производят по результатам изменения тангенциальных деформаций внутренней посадочной поверхности бандажных колец и наружной поверхности сердечника ротора, замеренных в зоне их сопряжения в сравнении с произведенными измерениями в базовом периоде по соотношению: , где:

Δ_сум.2 и Δ_сум.1 - соответственно суммарные тангенциальные деформации внутренней посадочной поверхности бандажных колец и наружной поверхности сердечника ротора в зоне их сопряжения в диагностируемом (индекс 1) и базовом (индекс 2) периодах проводимых измерений.

При установке датчиков измерения деформаций в зоне посадки бандажных колец на наружной поверхности зубцов сердечника под изоляционной прокладкой может быть реализована возможность определения изменения величины посадочного натяга (Δб) бандажных колец на сердечник ротора, обусловленного износом поверхностей бандажного кольца, зубцов и изоляционных деталей сердечника ротора, а также появлением трещин за время эксплуатации электрической машины, если в качестве датчиков применить тензодатчики, которые могут быть использованы для измерения механических напряжений (давлений). В этом случае изменение первоначально установленного (нормативного) посадочного натяга бандажного кольца на сердечник ротора оценивается пропорционально изменению напряжений, измеренных датчиком, установленным на наружной поверхности зубцов сердечника под изоляционной прокладкой.

Источники информации:

1. Справочник по ремонту турбогенераторов. (Под редакцией П.И.Устинова). - М., Энергия, 1978, с.258.

2. "Научно-техническое обеспечение ремонта генераторов в Ленэнерго по их техническому состоянию", Казаров С.А., "Электрические станции", №4, 1998 г.

1. Способ диагностики состояния посадочной части бандажных колец и массивного сердечника ротора электрической машины, содержащего концевую часть и сердечник с зубцами и пазами, а также обмотку, закрепленную в пазах клиньями и изоляционными прокладками, включающий выявление трещин на посадочной поверхности бандажных колец, износа и натяга сопрягаемых горячей посадкой поверхностей бандажного кольца и сердечника ротора, а также остаточную радиальную деформацию зубцов без разборки бандажного узла с использованием измерительной аппаратуры до пуска электрической машины в эксплуатацию и в процессе эксплуатации при последующих периодических остановах для выполнения ревизии электрической машины, отличающийся тем, что диагностирование состояния посадочной части бандажных колец и массивного сердечника ротора электрической машины производят путем сравнительных измерений тангенциальных деформаций внутренней посадочной поверхности бандажных колец, проведенных при гарантированном отсутствии износа и трещин в бандажном кольце (Δ₁=0) (начальная деформация до пуска электрической машины в эксплуатацию после ее изготовления или капитального ремонта - базовый период) и деформации в диагностируемый период в процессе эксплуатации при последующих ее остановах (Δ₂), а образование трещин, износ, изменение посадочного натяга и остаточную радиальную деформацию зубцов определяют по изменению тангенциальных деформаций внутренней посадочной поверхности бандажных колец на остановленной электрической машине (Δ₂-Δ₁), при этом, если величина (Δ₂-Δ₁) отрицательная, т.е. фиксируется деформация сжатия, то этим определяется ослабление посадочного натяга бандажных колец на сердечник ротора за счет износа и вероятное образование трещин на посадочной части бандажных колец, если же величина (Δ₂-Δ₁) положительная, т.е. фиксируется деформация растяжения, то этим определяется остаточная радиальная деформации растяжения зубцов сердечника ротора и, возможно, остаточная тангенциальная деформации бандажного кольца, явившиеся результатом того, что электрическая машина работала в анормальном режиме, например, со сверхноминальной частотой вращения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при диагностировании образования трещин на внутренней посадочной части бандажного кольца из общей величины изменения тангенциальной деформации этой поверхности (Δ₂) исключается составная часть (Δ_{2износа}), обусловленная износом за время эксплуатации электрической машины сопрягаемых поверхностей бандажного кольца, зубцов сердечника ротора и изоляционных прокладок, определяемая изменением наружного диаметра бандажного кольца (ΔD_б=D_б2-D_б1) в диагностируемый период (D_б2) по сравнению с базовым периодом (D_б1) по формуле Δ_2изнoca=π·ΔD_б., а суммарная величина раскрытия трещин определяется соотношением Δ_{2трещин}=|Δ₂|-|ΔD_б|.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение величины посадочного натяга (Δ_б) бандажных колец на бочку ротора в диагностируемый период производят по результатам изменения тангенциальных деформаций внутренней посадочной поверхности бандажных колец и наружного диаметра сердечника ротора (ΔD_c=D_c2-D_с1), замеренного в зоне его сопряжения с бандажным кольцом, в сравнении с произведенными измерениями в базовом периоде, используя соотношение

при этом фактическая величина посадочного натяга бандажного кольца на сердечник ротора определяется соотношением

δ_факт.=δ_норм.-Δδ,

где б_факт. - фактической величины посадочного натяга бандажных колец;

б_норм. - нормативная (первоначальная) величина посадочного натяга;

Δ₂ и Δ₁ - соответственно тангенциальные деформации внутренней посадочной части бандажных колец в диагностируемом и базовом периоде.

4. Устройство для осуществления способа по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что для диагностирования состояния посадочной части бандажных колец и массивного сердечника ротора на внутренней посадочной поверхности бандажных колец, установленных на бочке ротора, в местах, расположенных напротив пазов ротора, закреплены датчики измерения деформаций, например тензодатчики.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что датчики измерения деформаций установлены также в зоне посадки бандажных колец на заплечиках зубцов сердечника и закреплены пазовыми клиньями.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что датчики измерения деформаций установлены также в зоне посадки бандажных колец на наружной поверхности зубцов сердечника под изоляционной прокладкой.

7. Устройство по любому из пп.4-6, отличающееся тем, что хотя бы в части концевых пазовых клиньев ротора выполнены продольные каналы, через которые устанавливаются датчики измерения тангенциальных деформаций в посадочной части бандажного кольца и выполнена проводка к внешним измерительным контактам, которые закреплены в пазовых клиньях.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что проводка от датчиков измерения тангенциальных деформаций проведена через пространство под бандажными кольцами к внешним измерительным контактам, установленным в концевых частях ротора.