Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины
Изобретение относится к области электротехники, а именно - к технологии электромашиностроения, и касается, в частности, осуществления с использованием методов вибродиагностики контроля величин посадочных натягов бандажных колец роторов крупных электрических машин, например турбогенераторов. Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение надежности электрической машины путем обеспечения контроля состояния посадочных натягов в бандажном узле методами вибродиагностики с применением уточненных алгоритмов, присущих исследуемому состоянию посадочных натягов в бандажном узле. Недостаточность или ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора согласно данному изобретению определяют по изменению вектора вибросмещения (виброскорости) вала ротора (опорных подшипников) в процессе изменения частоты вращения ротора или изменения теплового состоянии бандажного кольца и бочки ротора электрической машины. При этом в случае ослабления посадочного натяга изменение вектора вибросмещения (виброскорости) вала ротора будет иметь направление, эквивалентное направлению, создаваемому неуравновешенностью бандажного узла в зоне, перпендикулярной оси полюсов ротора. Наиболее четко этот алгоритм недостаточности посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины проявляется при режимах эксплуатации электрической машины, когда, хотя бы кратковременно, разница температур бандажного кольца и бочки ротора является наибольшей, например, при развороте и в начальной стадии работы электрической машины в режиме холостого хода. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технологии электромашиностроения, в частности к контролю методами вибродиагностики величин посадочных натягов бандажных колец роторов крупных электрических машин, например, турбогенераторов.
Известен способ контроля натягов в бандажном узле, приведенный в [1]. Согласно этому способу диагностика состояния посадочных натягов в зоне сопряжения бандажных колец с ротором 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 невозможность выявить на ранней стадии возникновения ослабленного натяга в процессе эксплуатации, не останавливая электрическую машину.
Наиболее близким аналогом-прототипом изобретения является способ диагностики состояния посадочных натягов в бандажном узле, приведенный в [2], по которому оценка посадочных натягов в бандажном узле методом сравнительных измерений радиального местоположения фиксированных участков бандажных колец в разновременные периоды эксплуатации электрической машины предваряется и завершается вибрационной диагностикой вала ротора по показателям, характеризующим ослабленный посадочный натяг бандажных колец на бочку ротора. Однако приведенные в этом способе алгоритмы вибродиагностики не всегда однозначно характеризуют появление именно ослабленного натяга.
Этих недостатков лишен предлагаемый способ диагностики.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение надежности электрической машины за счет контроля состояния посадочных натягов в бандажном узле методами вибродиагностики с применением уточненных алгоритмов, присущих исследуемому состоянию посадочных натягов в бандажном узле.
На Фиг.1 схематически изображен ротор электрической машины с концевыми частями (1), опирающимися на подшипники (2), и центральной частью-бочкой (3) с обмоткой (4), удерживаемой в пазах клиньями (5), а в лобовых частях - бандажными (6) и упорными (центрирующими) (7) кольцами. На Фиг.2 изображено поперечное сечение ротора (А-А) с монолитным соединением бандажного кольца и бочки ротора в месте посадки, а на Фиг.3 - с ослабленным посадочным натягом, когда произошло отделение бандажного кольца от посадочной поверхности бочки ротора со смещением центра тяжести бандажного узла на величину (υ). На Фиг.2 и 3 показаны также пазы с обмоткой (4), малыми зубцами (8) между ними и вентиляционными пазами (9) в больших зубцах (10).
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 турбогенератора. Это существенно для двухпосадочного исполнения бандажного узла, когда бандажное кольцо опирается на торцевую часть бочки ротора и на концевую часть ротора через центрирующее кольцо, но наиболее важно для бандажных узлов консольного исполнения, когда тыльная часть бандажного кольца жестко не центрируется относительно концевой части бочки ротора. В таких конструкциях бандажных узлов горячая посадки бандажного кольца предназначена для его закрепления в радиальном и осевом направлениях, которое может быть успешно реализовано только при плотной посадке бандажного кольца на торцевую часть бочки ротора с гарантированным натягом, не позволяющим превратить эту посадку в скользящую при любом, в том числе и анормальном, режиме работы турбогенератора.
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 существуют частота вращения и разность температур бандажного кольца и бочки ротора, при которых посадочный натяг бандажного кольца на бочку ротора ослабляется настолько, что бандажное кольцо находится в состоянии неустойчивого равновесия. При дальнейшем увеличении оборотов или разности температур величина перекашиваемого момента может превысить стабилизирующий момент от действия посадочного натяга, и бандаж начнет перекашиваться относительно начального соосного положения O-O на угол ϕ (Фиг.1), или происходит смещение центра тяжести бандажного узла в радиальном направлении на величину (υ). Это происходит, как видно на Фиг.2 и 3, в связи с неравномерностью распределения пазов с обмоткой и вентиляционных пазов по периферийной части бочки ротора.
В момент появления неустойчивого равновесия в бандажном узле под воздействием собственной массы может начаться колебательный процесс бандажного узла второго рода относительно продольной оси бочки ротора с двойной оборотной частотой. Однако, этого, как правило, не происходит, так как в связи с существующей остаточной неуравновешенностью подбандажного содержимого величина перекашивающего момента превышает стабилизирующий момент, и бандажное кольцо перекашивается относительно начального соосного положения в направлении действия этой остаточной неуравновешенности так, что происходит смещение центра тяжести бандажного узла. Нагрузка от действия центробежных сил массы лобовых частей обмотки ротора в месте посадки бандажного кольца на бочку ротора распределяется по окружности 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.
При этом если учесть описанные выше особенности распределения нагрузок на бандажные кольца, то можно утверждать, что направление перекоса бандажного кольца относительно первоначального соосного положения будет практически совпадать с направлением нейтральной оси обмотки ротора, т.е. с тем направлением, где образовалась возможность свободного радиального перемещения посадочной поверхности бандажного кольца. Это основной характерный признак недостаточности или ослабления посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора, который можно определить методами вибродиагностики, измеряя фазу вибросмещения ротора. Иными словами, недостаточность или ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора можно определить по изменению вектора вибросмещения (виброскорости) вала ротора (опорных подшипников) в процессе изменения частоты вращения ротора или теплового состоянии бандажного кольца и бочки ротора электрической машины, которое имеет направление, эквивалентное направлению, создаваемому неуравновешенностью бандажного узла, расположенной в зоне, перпендикулярной оси полюсов (нейтральной оси обмотки ротора).
Значительные неуравновешенные силы, связанные с появлением эксцентриситета бандажного узла [(υ) Фиг.3], относительно продольной оси ротора при временном ослаблении посадочного натяга, проявляются при режимах работы электрической машины, когда температурное состояние бандажных колец наибольшее при наименьшем нагреве бочки ротора в месте его посадки, а это чаще всего имеет место в анормальном режиме работы электрической машины, либо в специально созданных экспериментальных режимах. Зафиксировать этот всплеск изменения вибросмещения вала ротора (опорных подшипников) в эксплуатационных режимах работы турбогенератора, включая анормальные, и идентифицировать его как показатель проявившегося дефекта бандажных узлов по признакам вибродиагностики возможно, но вызывает определенные затруднения, что связано с многочисленными проявлениями нестабильности вибрационного состояния ротора под воздействием изменяющихся условий его охлаждения, нагрева, витковых замыканий, а также загрязнения проходных сечений системы охлаждения обмотки, диагностические признаки которых идентичны вибрационным признакам, характеризующим ослаблению посадочного натяга. Поэтому с наибольшей степенью достоверности идентификацию и диагностирование ослабление посадочного натяга и связанного с ним появления эксцентриситета бандажного узла можно проводить, создавая наиболее благоприятные для этого условия, например, по сравнительному анализу векторов вибросмещения вала ротора (опорных подшипников) в процессе запуска электрической машины ее хотя бы кратковременной устойчивой работы при номинальной скорости вращения без возбуждения ротора, чтобы исключить какое-либо влияние тепловой, электромагнитной неуравновешенности и других причин. В этом случае при наличии недостаточного посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора возможен всплеск вибросмешения вала ротора с оборотной частотой (50 герц) на период прохождения переходного процесса нагрева холодной бочки ротора с обесточенной обмоткой потерями трения, например, бандажного кольца об охлаждающий газ в воздушном зазоре. При этом фаза вибросмещения будет определяться указанным выше признаком, Таким образом, ко второму признаку ослабления посадочного натяга бандажных колец на бочку ротора, определяемому методами вибродиагностики, можно отнести значимое изменение вектора вибросмещения (виброскорости) вала ротора (опорных подшипников) с оборотной частотой, определяемого при режимах эксплуатации электрической машины, когда, хотя бы кратковременно, разница температур бандажного кольца и бочки ротора была бы наибольшей, например, при развороте и в начальной стадии работы электрической машины в режиме холостого хода.
Ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора можно определять так же, как при нормальных режимах эксплуатации электрической машины, так и при анормальном температурном состоянии бандажного узла, если будет зафиксировано в процессе нагружения электрической машины изменение вектора вибросмещения (виброскорости) вала ротора (опорных подшипников) не на всем диапазоне нагрузок, а лишь по мере приближения к номинальному режиму эксплуатации электрической машины. Как правило, этот алгоритм вибродиагностики проявляется при измерении вектора вибросмещения (виброскорости) на том опорном подшипников, который расположен ближе к бандажному узлу с ослабленным посадочным натягом.
При этом следует учесть, что перекос (радиальное смещение) бандажных колец ротора в случае ослабления посадочного натяга и связанное с этим перемещение неуравновешенных масс подбандажного содержимого эквивалентно образованию типовой неуравновешенности в концевых частях ротора. Поэтому, если перекос (радиальное смещение) остается зафиксированным в процессе останова электрической машины, то в дальнейшем для ее вибрационного состояния будет характерен:
- рост вектора вибросмещения вала ротора (опорных подшипников) на первой критической скорости вращения - при появлении эксцентриситета на одном из бандажных узлов либо одинаково ориентированных эксцентриситетов на обоих бандажных узлах;
- рост либо значительное векторное изменение кососимметричного вибросмещения вала ротора (опорных подшипников) турбогенератора, вращающегося с номинальной скоростью без возбуждения - при появлении эксцентриситетов бандажных узлов относительно продольной оси вала ротора с ориентацией эксцентриситетов каждого из них в направлении, близком к диаметрально противоположному.
В этом случае алгоритм недостаточности или ослабления посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора достаточно четко проявляется по превышению нормативного (обычного) всплеска вибросмещения вала ротора (опорных подшипников), по первой форме неуравновешенности, при прохождении первой критической скорости вращения ротора или рост либо значительное векторное изменение кососимметричного вибросмещения вала ротора (опорных подшипников) при работе электрической машины вблизи второй критической скорости ротора.
Как отмечено выше, один из характерных признаков недостаточности или ослабления посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора проявляется при развороте и в начальной стадии работы электрической машины в режиме холостого хода, т.е. в режимах, при которых производятся работы по балансировке роторов в собственных подшипниках.
В этом случае, если в процессе выполнения работ по уравновешиванию не будет своевременно обнаружен ослабленный посадочный натяг, то связанный с ним перекос (эксцентриситет) бандажного узла может быть уравновешен балансировочными грузами, что может вызвать недопустимую вибрацию вала ротора в режимах, когда посадочный натяг восстановится.
Источники информации
1. Патент на изобретение РФ "Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на составные части ротора электрической машины (варианты)", №2145144, 09.02.1999 г.
2. Патент на изобретение РФ "Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины", №2249899, 08.08.2003 г.
1. Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины, содержащей ротор с полюсами, с концевыми частями, опирающимися на подшипники, с центральной частью - бочкой, с обмоткой, удерживаемой в пазах клиньями, а в лобовых частях - бандажными и упорными (центрирующими) кольцами, согласно которому выявляют дефект в роторе путем сравнительного измерения вибросмещения (виброскорости) вала ротора (опорных подшипников) электрической машины в различных режимах ее эксплуатации, отличающийся тем, что недостаточность или ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора определяют по изменению вектора вибросмещения (виброскорости) вала ротора (опорных подшипников) при оборотной частоте в процессе изменения частоты вращения ротора или изменения теплового состоянии бандажного кольца и бочки ротора электрической машины, при этом изменение упомянутого вектора должно иметь направление, эквивалентное направлению, создаваемому неуравновешенностью бандажного узла в зоне, перпендикулярной оси полюсов ротора.
2. Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины по п.1, отличающийся тем, что недостаточность или ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора определяют при режимах эксплуатации электрической машины, когда хотя бы кратковременно разница температур бандажного кольца и бочки ротора является наибольшей, например при развороте и в начальной стадии работы электрической машины в режиме холостого хода.
3. Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины по п.1, отличающийся тем, что недостаточность или ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора определяют при эксплуатации электрической машины, когда в процессе нагружения электрической машины изменение вектора вибросмещения (виброскорости) вала ротора (опорных подшипников) происходит не на всем диапазоне нагрузок, а лишь по мере приближения к номинальному режиму.
4. Способ диагностики состояния посадочных натягов бандажных колец на бочку ротора электрической машины по п.1, отличающийся тем, что недостаточность или ослабление посадочного натяга бандажного кольца на бочку ротора определяют по превышению нормативного всплеска вибросмещения вала ротора (опорных подшипников) по первой форме неуравновешенности при прохождении первой критической скорости вращения ротора или по росту, либо значительному векторному изменению кососимметричного вибросмещения вала ротора (опорных подшипников) при работе электрической машины вблизи второй критической скорости вращения ротора.
