Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на составные части ротора электрической машины и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники и касается технологии электромашиностроения, в частности к контролю величин натягов горячей посадки бандажных колец роторов крупных электрических машин, например турбогенераторов. Сущность изобретения заключается в том, что величина посадочного натяга и его изменение диагностируются путем сравнительного измерения радиальных расстояний между наружной поверхностью бочки ротора в фиксированных зонах ее концевой части и наружной кольцевой поверхностью бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки, с использованием достаточно простого устройства в виде кронштейна. В качестве фиксированных (реперных) зон, являющихся базовыми для измерений, могут быть приняты фиксированные зоны, выполненные на наружных поверхностях зубцов или пазовых клиньев ротора. Устройство дли измерения посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора выполняется в виде кронштейн Г-образной формы, одна ножка которого (базовая) закрепляется в фиксированных зонах на наружной поверхности концевых частей бочки ротора, а вторая ножка (измерительная) нависает над кольцевой поверхностью бандажного кольца, образуя с ней радиальный зазор, по величине и изменению которого судят о величине и изменении посадочного натяга. Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является диагностика состояния посадочных натягов в бандажном узле без его разборки с обеспечением повышения точности измерений, а также снижение затрат на выполнение диагностических и ремонтных работ. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к технологии электромашиностроения, в частности к контролю величин натягов горячей посадки бандажных колец роторов крупных электрических машин, например турбогенераторов.

Известен способ измерения натягов в бандажном узле, приведенный в [1]. Для определения посадочных натягов по этому методу требуется полная разборка бандажного узла, 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 посадочных натягов в бандажном узле, приведенный в [2]. Согласно этому способу, диагностика состояния посадочных натягов в зоне сопряжения бандажного кольца с ротором в его концевой части осуществляется без разборки бандажного узла и включает в себя оценку изменения натягов путем сравнительных измерений наружных диаметров бандажных колец в местах их посадки до пуска турбогенератора в эксплуатацию и в процессе проведения ремонтных работ. Недостатком этого метода является повышенная погрешность, связанная с необходимостью измерения больших диаметров бандажных колец для определения изменения посадочных натягов, величина которых на несколько порядков меньше базовых измеряемых величин. Кроме того, дополнительную погрешность вносит также необходимость учета различных соотношений расчетных податливостей сопрягаемых горячей посадкой составных, частей ротора: бандажного кольца и концевой части бочки ротора.

Этих недостатков лишен предлагаемый способ диагностики с использованием достаточно простого устройства в виде кронштейна. Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является диагностика состояния посадочных натягов в бандажном узле без его разборки с повышением точности измерений и снижением затрат на выполнение диагностических и ремонтных работ.

На фиг.1 изображен бандажный узел ротора турбогенератора с установленным устройством (1) для диагностики посадочного натяга бандажного кольца (2) на концевую часть бочки (3) ротора, на фиг.2 показано расположение этого устройства относительно объектов измерения, а на фиг.3 - то же, устройство в варианте наклонного исполнения его измерительной части, профиль которой повторяет наклон образующей конусной части бандажного кольца. На фиг.2 приведены следующие обозначения: D - внутренний посадочный диаметр бандажного кольца, L - расстояние между парой диаметрально расположенных фиксированных точек (зон) на концевой части бочки ротора, b - толщина бандажного кольца, замеренная в плоскости упомянутой ранее наружной кольцевой окружности бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки

Общеизвестно, что наиболее нагруженным в механическом отношении узлом турбогенератора является бандажный узел (фиг.1), удерживающий лобовые части обмотки (4), закрепленные на вращающейся бочке ротора, в радиальном направлении от действия центробежных сил за счет бандажного кольца и в осевом направлении от действия сил, возникающих в результате теплового расширения обмотки ротора, с помощью центрирующего (упорного) кольца (5).

В двухпосадочном исполнении бандажного узла бандажное кольцо (2) посажено на концевую часть (3) бочки ротора, представляющую чередующийся в тангенциальном направлении ряд зубцов (6) и пазовых клиньев (7), через изоляционную прокладку (8).

Устройство для диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора (фиг.2) выполнено в виде кронштейна (9) с двумя ножками, одна из которых - базовая (10) - устанавливается на наружные части зубцов или пазовых клиньев, расположенных в концевой части бочки ротора, а вторая - измерительная (11) - нависает над наружной поверхностью бандажного кольца так, что ее концевая часть (12) располагается над кольцевой поверхностью (окружностью) (13) бандажного кольца в зоне его посадки. Устройство устанавливается на единожды выбранные, равномерно по окружности ротора распределенные зубцы (пазовые клинья), наружные поверхности которых определяются как фиксированные (реперные) зоны (14), относительно которых и проводится измерение радиального положения бандажного кольца. Устройство может плотно устанавливаться на фиксированные зоны, крепиться к ним болтовым соединением (15), либо выполняться единым целым с концевым пазовым клином (фиг.4).

Сопряжение бандажного кольца с бочкой ротора осуществляется горячей посадкой с натягом (δ), величина которого определяется механическим расчетом. 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 ухудшению вибрационного состояния машины.

При этом при посадке бандажного кольца на концевую часть бочки ротора через многослойную изоляционную прокладку за счет ее расслоения, а также за счет выжигания горючих составляющих изоляционной прокладки при высоких температурах нагрева бандажных колец возможно прослабление натяга. Это отклонение натягов бандажного кольца очень важно своевременно диагностировать.

Кроме того, известно, что наиболее нагруженной частью бандажного кольца является его носиковая часть, посаженная на бочку ротора, в которой помимо постоянных напряжений от посадки и центробежных сил возникают знакопеременные напряжения. Вышеназванные знакопеременные напряжения возникают в двухпосадочном бандаже из-за прогиба ротора под действием собственных сил тяжести. Изгиб ротора вызывает в бандаже усилия, стремящиеся изогнуть бандаж в плоскости оси вала и изменить соосность посадочных поверхностей кольца и бочки ротора. Возникающие при этом напряжения носят знакопеременный характер и вызывают в двухпосадочном бандаже наиболее опасные повреждения. Длительное воздействие знакопеременных напряжений приводит к износу зоны посадки.

Учитывая, что материал бандажных колец, как правило, имеет более высокие механические свойства по сравнению с материалом ротора и центрирующих колец, пластическая остаточная деформация материала с образованием наклепов происходит, главным образом, на посадочных поверхностях ротора и центрирующего кольца. Поэтому в случае появления вышеназванных дефектов в посадочных зонах бандажного узла происходит ослабление натяга с уменьшением наружного диаметра бандажного кольца в зоне горячей посадки на бочку ротора, а при повреждении и разрушении изоляционной прокладки под носком бандажного кольца не только уменьшение наружных диаметров, но и нарушение цилиндрической формы.

Указанное изменение наружных диаметров бандажных колец предлагается определять не путем прямого их измерения и сравнения, что чревато большими погрешностями (температурными и метрическими), а также ошибками при учете различий в податливостях сопрягаемых деталей, а путем сравнительного измерения радиальных расстояний между наружной поверхностью бочки ротора в его концевой части и наружной кольцевой поверхностью (окружностью) бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки, и об изменении посадочного натяга судят по величине разности этих радиальных расстояний. Для повышения уровня достоверности в получении сведений об изменении посадочных натягов бандажного кольца на бочке ротора выполняются несколько фиксированных (реперных) точек (зон), расположенных на наружной поверхностью бочки ротора в непосредственной близости от места посадки.

Изменение посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора можно определять путем сравнительного измерения радиальных расстояний между несколькими фиксированными (реперными) точками (зонами) и наружной кольцевой поверхностью (окружностью) бандажного кольца, расположенной в пределах длины посадки, по формуле:

где: δ_кон и δ_нач - радиальные расстояния между фиксированными точками (зонами) на бочке ротора и наружной поверхностью бандажного кольца, измеренные в одних и тех же местах, соответственно в текущем времени по сравнению с ранее выполненными замерами;

n - число фиксированных точек (зон).

При этом оценку изменения натягов можно проводить при расположении фиксированных точек (зон) как на наружных поверхностях зубцов, так и на наружных поверхностях пазовых клиньев.

Предложенный способ позволяет диагностировать места износа (повреждения) посадочных поверхностей бандажного кольца, зубцов бочки ротора и изоляционной прокладки по изменению радиальных расстояний между каждой фиксированной точкой (зоной) на бочке ротора и поверхностью бандажного кольца (δ_кон и δ_нач), измеренных в одних и тех же местах, соответственно в текущем времени по сравнению с ранее выполненными замерами.

Предложенный способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на составные части ротора электрической машины обеспечивает также возможность с большой степенью достоверности, диагностировать фактические посадочные натяги в процессе и после насадки бандажного кольца на бочку ротора.

Определение и последующий контроль фактических величин посадочного натяга (δ), возникшего в период первичной посадки бандажного кольца на бочку ротора, можно осуществлять путем сравнения радиальных расстояний, измеренных между фиксированной точкой (зоной), расположенной на наружной поверхностью бочки ротора в непосредственной близости от места посадки, и наружной кольцевой окружностью бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки, после посадки бандажного кольца (δ_кон), с величиной этого радиального расстояния (δ_нач), полученной по результатам измерений бандажного кольца до его посадки на бочку ротора, по формуле:

δ=2·(δ_кон.- δ_нач.),

где δ_нач.=¹/₂·(D+2·b-L);

D - внутренний посадочный диаметр бандажного кольца;

L - расстояние между парой диаметрально расположенных фиксированных точек (зон) на концевой части бочки ротора;

b - толщина бандажного кольца, замеренная в плоскости упомянутой ранее наружной кольцевой окружности бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки

Степень достоверности величин посадочных натягов, определяемых предлагаемым способом, возрастает с увеличением количества измерений, проведенных по различным фиксированным зонам, равномерно распределенным по окружности бочки ротора, соответствующих измерений параметров бандажного узла (D, b и L) и последующего определения их средних значений.

Существенное значение для реализации предложенного способа диагностики является использование устройства в виде кронштейна, обеспечивающего высокую степень достоверности определения состояния посадочных натягов бандажных колец на составные части ротора. Кронштейн выполняется Г-образной формы, одна ножка которого (базовая) устанавливается (закрепляется) в фиксированных точках (зонах) на наружной поверхности концевых частей ротора, а вторая ножка (измерительная) нависает над кольцевой поверхностью (окружностью) бандажного кольца, образуя с ней радиальный зазор, по величине и изменению которого судят о величине и изменении посадочного натяга.

Высокая степень достоверности диагностики состояния посадочных натягов в бандажном узле электрической машины с использованием предлагаемого устройства предопределяется тем, что:

- обеспечивается возможность производить сравнительные измерения посадочных натягов с помощью набора щупов или калибровочных пластин с высокой степенью точности за счет измерения малых зазоров между измерительной ножкой устройства и наружной поверхностью бандажного кольца, величина которых соизмерима с величинами посадочных натягов;

- обеспечивается возможность пренебречь вводом в результаты измерений поправок на различие температур объектов измерения и измерительных приборов, так как при диагностировании не применяются большеразмерные измерительные устройства, например, такие как микрометрические скобы и штихмасы для замера диаметров бандажных колец. Кроме того, в процессе измерений бандажное кольцо, бочка ротора и измерительное устройство является неразъемным узлом с одинаковой температурой в любое время года;

- представляется возможность при оценке изменения посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора в различные периоды эксплуатации электрической машины не учитывать влияние различия податливостей сопрягаемых составных частей на результаты измерений, учет которых необходим при определении посадочных натягов, основанных на принципах сравнения замеренных отдельно диаметров бандажного кольца и бочки ротора с последующим вычислением их разницы, как это делается, например, в [2]. В связи с тем, что в предлагаемом способе диагностики указанная разница определяется экспериментально, то автоматически учитывается как увеличение наружного диаметра бандажного кольца, так и уменьшение наружного диаметра посадочной поверхности концевой части бочки ротора. Последнее обеспечивается тем, что фиксированные (реперные) зоны, на которые устанавливается устройство, находятся в непосредственной близости от места посадки бандажного кольца.

Для упрощения процесса диагностирования состояния посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора рекомендуется установить или закрепить устройство так, чтобы кронштейн устройства торцовой частью базовой ножки был прижат к торцовой поверхности бандажного кольца. В этом случае измерительная ножка кронштейна, нависшая над поверхностью бандажного кольца, предопределит поверхностную зону или окружность бандажного кольца, относительно которой в последующем постоянно будут проводиться измерения.

Существует еще одна возможность повысить точность проводимых измерений при оценке состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора, если физически и функционально объединить конструкцию предлагаемого устройства с концевым пазовым клином, выполнив их из одной заготовки. Для этого торцовая часть концевого пазового клина, обращенная в сторону бандажного кольца, выполняется в виде наконечника, который нависает над фиксированной кольцевой поверхностью (окружностью) бандажного кольца, образуя с ней радиальный зазор. В этом случае помимо снижения погрешности измерений при проведении диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора создается возможность проводить эти измерения без вывода ротора из статора.

Отметим также, что в некоторых случаях, когда для реализации предложенного способа диагностики состояния посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора установка устройства на пазовые клинья или зубцы ротора затруднена, кронштейн устройства может быть установлен (закреплен) на наружной поверхности бандажного кольца, а измерительная ножка в этом случае, нависающая над концевой частью бочки ротора, образует с ней радиальный зазор, по величине и изменению которого судят о величине и изменении посадочного натяга.

Значимость предлагаемого способа диагностики посадочных натягов бандажных колец на составные части ротора электрической машины возрастает также в связи с тем, что способ может быть применен не только для оценки состояния посадочных натягов бандажного кольца на бочку ротора, но и также для оценки состояния посадочного натяга бандажного кольца на центрирующее кольцо. В этом случае необходимо базовую ножку устройства закрепить на фиксированной торцовой поверхности центрирующего кольца вблизи места посадки либо на свободной наружной цилиндрической поверхности центрирующего кольца, а измерительную ножку разместить над наружной поверхностью бандажного кольца в зоне его посадки.

Предложенный способ может быть использован для диагностики состояния посадочных натягов в других сопряженных горячей посадкой узлах электрической машины, например в узле контактных колец, когда последние посажены на вал ротора или металлическую втулку через изоляционный слой. Для диагностирования состояния посадочного натяга в этом случае базовая и измерительная ножки устройства устанавливаются соответственно на валу ротора и над любой, не соприкасающейся со щетками цилиндрической поверхностью контактных колец, а изменение состояния посадочных натягов (Δδ) и их абсолютное значение (δ) определяется по приведенным в формуле изобретения соотношениям.

Источники информации:

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

2. Патент на изобретение РФ "Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на составные части ротора электрической машины (варианты)" №2145144, 09.02.1999 г.

1. Способ диагностики состояния натягов бандажных колец на составные части ротора электрической машины, содержащей бочку ротора с зубцами и пазами, в которых уложена обмотка, закрепленная пазовыми клиньями, и центрирующее кольцо, включающий оценку изменения натягов в местах посадки бандажных колец путем сравнительного измерения разности наружных непосадочных диаметров бандажного кольца в этих местах до пуска электрической машины в эксплуатацию и в процессе эксплуатации во время ее последующих остановов, отличающийся тем, что оценку изменения натягов в местах посадки бандажных колец осуществляют путем сравнительного измерения радиальных расстояний между наружной поверхностью бочки ротора в его концевой части и наружной кольцевой поверхностью бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки, а об изменении посадочного натяга судят по величине разности этих радиальных расстояний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оценку изменения натягов в местах посадки бандажных колец осуществляют путем сравнительного измерения разности радиального расстояния между несколькими фиксированными зонами, расположенными на наружной поверхности бочки ротора в непосредственной близости от места посадки и наружной кольцевой поверхностью бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки, а величину изменения натяга Δδ определяют из выражения:

где δ_кон. и δ_нач. - радиальные расстояния между фиксированными зонами на бочке ротора и наружной поверхностью бандажного кольца, измеренные в одних и тех же местах, соответственно, в текущем времени по сравнению с ранее выполненными замерами;

n - число фиксированных зон.

3. Способ по п.1 отличающийся тем, что определение и последующий контроль фактических величин посадочного натяга (δ), возникшего в период первичной посадки бандажного кольца на бочку ротора, осуществляется путем сравнения радиальных расстояний, измеренных между фиксированной зоной, расположенной на наружной поверхности бочки ротора в непосредственной близости от места посадки, и наружной кольцевой поверхностью бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки, после посадки бандажного кольца (δ_кон.), с величиной этого радиального расстояния (δ_нач.), полученной по результатам измерений бандажного кольца до его посадки на бочку ротора, по формуле:

δ=2-(δ_кон.-δ_нач.),

где δ_нач.=1/2-(D+2·b-L);

D - внутренний посадочный диаметр бандажного кольца;

L - расстояние между парой диаметрально расположенных фиксированных зон на концевой части бочки ротора;

b - толщина бандажного кольца, замеренная в плоскости упомянутой ранее наружной кольцевой окружности бандажного кольца, зафиксированной в пределах длины посадки.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что диагностируют места повреждения посадочных поверхностей бандажного кольца, зубцов бочки ротора, и изоляционной прокладки по изменению радиальных расстояний между каждой фиксированной зоной на бочке ротора и поверхностью бандажного кольца (δ_кон. и δ_нач), измеренных в одних и тех же местах, соответственно, в текущем времени по сравнению с ранее выполненными замерами.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что оценку изменения натягов проводят, используя фиксированные зоны, выполненные на наружных поверхностях зубцов.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что оценку изменения натягов проводят, используя фиксированные зоны, выполненные на наружных поверхностях пазовых клиньев.

7. Устройство для осуществления способа по пп.1-6, выполненное в виде кронштейна, отличающееся тем, что кронштейн выполняется Г-образной формы, одна ножка которого (базовая) устанавливается в фиксированных зонах на наружной поверхности концевых частей ротора, а вторая ножка (измерительная) нависает над кольцевой поверхностью бандажного кольца, образуя с ней радиальный зазор, по величине и изменению которого судят о величине и изменении посадочного натяга.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что функцию базовой и измерительной ножек выполняет концевой пазовый клин, торцовая часть которого, обращенная в сторону бандажного кольца, выполняется в виде наконечника, который нависает над фиксированной кольцевой поверхностью бандажного кольца, образуя с ней радиальный зазор.