УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМЕРА АМПЛИТУД КОЛЕБАНИЙ БАНДАЖИРОВАННЫХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ДИСКРЕТНО-ФАЗОВЫМ МЕТОДОМ Российский патент 1999 года по МПК G01H11/06 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано, например, в паровых турбинах. Известны различные методы регистрации колебаний рабочих лопаток турбомашин. Одним из наиболее эффективных методов является дискретно-фазовый, при котором используются неподвижные индукционные или емкостные датчики, установленные в корпусе турбомашины /оборотный датчик, корневой и периферийный/ и регистрирующая аппаратура, например, типа ЭЛУРА [1; стр. 27, 97]. К недостаткам методики, описанной в [1] , относится невозможность ее использования для замера амплитуд колебаний бандажированных лопаток, получающих все большее распространение в паровых турбинах в связи с их высокой экономичностью и надежностью. Это объясняется тем, что при использовании методики [1] входной сигнал периферийного датчика создается при прохождении мимо него торцов вращающихся лопаток, которые для бандажирования лопаток попросту отсутствуют, будучи "закрыты" бандажными полками.

Свободным от этого недостатка и наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для замера колебаний рабочих лопаток турбомашины дискретно-фазовым методом [2]. Для замера амплитуд колебаний бандажированных лопаток в пределах их бандажных полок размещаются магниты в немагнитных корпусах, а поперечное сечение сердечника периферийного датчика, выполненного из ферромагнитного материала, имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон 10 ≥ b/a ≥ 3, где a и b - соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника, причем угол α между осью наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника и осью турбины заключен в диапазоне 30^o ≤ α ≤ 60^o.

Однако как при использовании методики [1], так и при использовании методики [2] замер амплитуды кратных колебаний, когда лопатки совершают целое число (k) колебаний за оборот, оказывается возможен только на "проходе", при медленном изменении оборотов турбины [1; стр. 42]. Важность замера амплитуд кратных колебаний объясняется тем, что их частным случаем являются резонансные колебания, при которых возможен опасный рост динамических напряжений в лопатках. К сожалению, после синхронизации паровых турбин скорость их вращения не может быть изменена, так как определяется практически неизменной частотой сети.

Задачей изобретения является обеспечение возможности замера амплитуд как срывных, так и кратных колебаний бандажированных лопаток при постоянных оборотах турбины. Эта задача решается в устройстве для замера амплитуд колебаний бандажированных рабочих лопаток турбины дискретно-фазовым методом, содержащем магниты в немагнитных корпусах, расположенные в пределах бандажных полок лопаток, а также связанные с регистрирующей и анализирующей аппаратурой три неподвижных индукционных датчика, один из которых оборотный, второй - периферийный, установленный над бандажными полками лопаток, причем поперечное сечение сердечника второго датчика имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон 10 ≥ b/a ≥ 3, где a и b - соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника, а угол α между осью наименьшей жесткости поперечного сечения и осью турбины заключен в диапазоне 30^o ≤ α ≤ 60^o, и третий датчик, по конструкции аналогичный периферийному и также установленный над бандажными полками лопаток, при этом согласно изобретению угол между осью наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника третьего датчика и осью турбины равен - α, а окружное расстояние между вторым и третьим датчиками меньше шага рабочих лопаток.

Для возможности замера как изменения амплитуды кратных колебаний, так и осевого смещения ротора турбины по отношению к датчикам, над бандажными полками лопаток установлены дополнительно две пары датчиков, аналогичных по конструкции первой паре датчиков, причем окружное расстояние между соседними парами датчиков составляет 1/3k длины окружности, где k - кратность колебаний (число колебаний лопатки за оборот). Для того чтобы отделить амплитуды колебаний от осевых перемещений вершин лопаток, вызванных вибрацией ротора, имеющего различную податливость опор в вертикальном и поперечном направлениях, над бандажными полками по окружности колеса установлены дополнительно две пары датчиков, аналогичных по конструкции с остальными парами, на расстоянии 1/k и 2/k длины окружности от первой пары датчиков при k ≥ 3.

Необходимость использования отличительных признаков изобретения объясняется следующими причинами.

1. Теоретически существует возможность замера изменения амплитуд кратных колебаний при размещении нескольких периферийных датчиков по окружности колеса. Как правило, известна "опасная" кратность колебаний лопаток на рабочих оборотах (k), но неизвестен начальный фазовый угол колебательного процесса (α₁). В этом случае для определения амплитуды и фазового угла достаточно установить два периферийных датчика на окружном расстоянии, меньшем того, при прохождении которого лопатка совершает половину периода колебаний [1; с. 49] . На практике, однако, изменение амплитуд кратных колебаний может происходить в течение часов, суток или даже недель эксплуатации (а определенное изменение собственных частот лопаток, сопровождающееся изменением амплитуд кратных колебаний, может происходить в течение нескольких лет эксплуатации). Естественно, что за это время произойдет - целый ряд других изменений параметров работы турбины, влияние которых на показания датчиков может быть неотличимо от влияния изменения амплитуд кратных колебаний лопаток. Например, при изменении мощности турбины произойдет закручивание участка вала между сечениями, где установлены корневые и периферийные датчики, а также статическая деформация ротора и деталей статора, к которым крепятся датчики; изменение температуры масла в подшипниках вызовет изменение всплытия ротора на масляной пленке, эквивалентное разному угловому смещению для корневых и периферийных датчиков, расположенных даже в одном поперечном сечении ротора, но на разных радиусах и т.д. Большая часть этих изменений не повлияет на показания датчиков, если вместо корневого использовать второй периферийный датчик, расположенный рядом с первым на окружном расстоянии, меньшем шага рабочих лопаток. При этом начало отсчета будет соответствовать прохождению мимо сердечника первого по вращению датчика магнита, расположенного в бандажной полке, например, n-й лопатки, а конец отсчета - прохождению этого магнита мимо сердечника второго датчика. Известно, что для бандажированных лопаток наибольшую опасность представляют совместные колебания лопаточного венца с различными числами узловых диаметров [3; с. 535, 653], при которых периферийные сечения лопаток перемещаются, в основном в аксиальном направлении. При таких колебаниях установка поперечного сечения сердечника одного из периферийных датчиков под углом α к оси турбины, а другого - под углом -α приведет к удвоению полезного сигнала как при замере срывных, так и кратных колебаний и, кроме того, при замере кратных колебаний будет ликвидировано влияние на показания датчиков изменения закрутки ротора турбины, его всплытия на масляной пленке и статической деформации ротора и деталей статора, на которых закреплены датчики.

2. Хотя установка второго периферийного датчика вместо корневого устранит вредное влияние изменения большинства параметров турбины, не связанных с колебаниями лопаток, однако на результаты измерений даже в этом случае, помимо изменения амплитуд кратных колебаний лопаток, может повлиять осевое смещение ротора относительно датчиков, а также изменение оборотной вибрации ротора (если угол наклона упругой оси ротора при колебаниях в месте установки исследуемого лопаточного венца не равен нулю). Если за нулевые принять первоначальные показания датчиков (например, при расчетном режиме работы хорошо отбалансированной турбины или на проходных оборотах), то при изменении режима работы турбины изменение осевого положения магнита, расположенного в бандажной полке n-й лопатки, в различных точках окружности будет описываться формулой A(ϕ) = A₀+A₁sin(kϕ+α₁), где A₀- определяется осевым смещением ротора относительно датчиков за время после первого замера и изменением за это же время оборотной вибрации ротора, если его центр тяжести в сечении, где установлены лопатки, описывает круговую траекторию [4, с. 309]; A₁- определяется изменением амплитуды колебаний лопаток с частотой kω, ω - частота вращения ротора турбины, α₁ - начальная фаза колебаний, ϕ - угол, отсчитываемый в окружном направлении от произвольного начального радиуса ( 0≤ϕ≤2π при совершении ротором одного полного оборота). Как видно, при заранее известной кратности колебаний k имеются три неизвестные величины (A₀, A₁, α₁ ) и для их нахождения необходимо определить осевое отклонение магнита (т.е. бандажной полки n-й лопатки) в трех точках окружности, при прохождении которых лопатка совершает менее чем одно полное колебание. Именно это обстоятельство объясняет необходимость установки трех пар периферийных датчиков в точках окружности, указанных в формуле изобретения. Для того чтобы найти изменение уровня оборотной вибрации ротора, необходимо определить изменение величины A₀ для различных лопаток на колесе.

3. При неравной жесткости опор ротора в поперечном и вертикальном направлениях центр тяжести поперечного сечения вибрирующего ротора описывает эллиптическую траекторию [4; с. 315]. При переходе к системе координат, связанной с вращающимся ротором, легко показать, что различные точки ротора (и в том числе лопатки) в данном случае будут иметь составляющую колебаний с частотой 2ω. Если, как это обычно бывает, угол наклона упругой оси колеблющегося ротора в сечении, где расположен диск с исследуемыми бандажированными лопатками, отличен от нуля, то колебания с частотой 2ω будут сопровождаться осевыми смещениями бандажных полок лопаток, изменяющимися при перемещении n-й лопатки по окружности колеса по закону A₂sin(2ϕ+α₂). Т.о., полное изменение осевого положения магнита, расположенного в бандажной полке n-й лопатки, в различных точках окружности при k ≥ 3 будут описываться формулой: A(ϕ) = A₀+A₁sin(kϕ+α₁)+A₂sin(2ϕ+α₂) и для определения 5 неизвестных величин (A₀, A₁, A₂ α₁,α₂ ) необходимо произвести замеры в 5 точках по окружности, т.е. установить 5 пар периферийных датчиков, как и указано в п. 3 формулы изобретения.

Оптимальность предлагаемых в изобретении углов установки поперечных сечений сердечников периферийных датчиков, числа пар датчиков и мест их расположения объясняются следующими причинами.

1. В [2] была обоснована оптимальность установки периферийного датчика таким образом, чтобы угол α между осью наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника датчика и осью турбины заключался в диапазоне 30^o ≤ α ≤ 60^o. При установке сердечника второго периферийного датчика под углом -α к оси турбины и смещении бандажной полки лопатки с магнитом на величину ΔA в осевом направлении изменение пути, проходимого магнитом между сердечниками периферийных датчиков (ΔU) составит ΔU = 2ΔAtgα (фиг. 3). Если бы ось наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника второго датчика совпадала с осью турбины (α = 0) или использовался корневой датчик, то величина ΔU оказалась бы равной ΔU = ΔAtgα, т.е. указанная в формуле изобретения установка поперечного сечения сердечника второго датчика под углом -α к оси турбины приводит к увеличению полезного сигнала в 2 раза, что особенно важно для повышения точности замеров при относительно малых амплитудах колебаний лопаток. Если же, как это предполагается в [2] для замера взаимного тангенциального смещения соседних лопаток, установить оба периферийных датчика таким образом, чтобы оси наименьшей жесткости поперечных сечений сердечников совпадали с осью турбины, то величина ΔU оказалась бы равной нулю, т.е. полезный сигнал вообще бы не был зарегистрирован. К такому же результату, как следует из фиг. 3, привела бы и установка поперечных сечений сердечников обоих датчиков под одинаковым углом α к оси турбины.

2. Если опоры ротора обладают одинаковой жесткостью в вертикальном и поперечном направлениях и достаточно ограничиться установкой трех пар периферийных датчиков, то их размещение на расстоянии 1/3k длины окружности друг от друга позволит выделить постоянную составляющую осевого смещения бандажной полки n-й лопатки (A₀) без каких-либо пересчетов. Действительно, введя обозначение A(ϕ_i) = A₀+A₁sin(kϕ_i+α₁) и произведя замеры в точках ϕ₁= 0; ϕ₂= 2π/3k; ϕ₃= 4π/3k, легко показать что A₀= (A(ϕ₁)+A(ϕ₂)+A(ϕ₃))/3.
3. Если опоры ротора обладают различной жесткостью в вертикальном и поперечном направлениях и необходимо использовать показания пяти пар периферийных датчиков, то их размещение в местах, указанных в формуле изобретения, позволит значительно упростить вычисление искомых величин. Введя обозначения A(ϕ_i) = A₀+A₁sin(kϕ_i+α₁)+A₂sin(2ϕ_i+α₂) и используя результаты замеров в точках ϕ₁= 0; ϕ₂= 2π/3k; ϕ₃= 4π/3k; ϕ₄= 2π/k; ϕ₅= 4π/k, где k ≥ 3, легко показать, что величины A₂, α₂ и A₀ ^* = A₀ + A₁ sin α₁ могут быть найдены при использовании только значений A(ϕ₁),A(ϕ₄),A(ϕ₅). Затем, с учетом этих данных, величины A₀, A₁ и α₁ могут быть найдены по значениям A(ϕ₁),A(ϕ₂),A(ϕ₃).
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображены предлагаемое устройство и рабочее колесо с бандажированными лопатками; на фиг. 2 - бандажная полка лопатки с расположенным в ней магнитом в немагнитном корпусе; на фиг. 3 - схема расположения одной пары периферийных датчиков, а также исходное и измененное положение магнита; на фиг. 4 и 5 показано изменение за оборот осевого положения магнита, установленного в бандажной полке n-ой лопатки, при различном характере вибрации ротора, а также места расположения трех и пяти пар периферийных датчиков /на фиг. 1 и 5 в качестве примера показаны места расположения пяти пар периферийных датчиков, соответствующие случаю, когда лопатка совершает 4 колебания за оборот/.

Устройство для замера колебаний бандажированных лопаток турбины /фиг. 1/ содержит установленные в корпусе турбины оборотный датчик 1 и над бандажными полками 2 лопаток 3 два периферийных датчика 4, 5, регистрирующую и анализирующую аппаратуру 6, связанную с датчиками 1, 4, 5, магниты 7 /фиг. 2/ в немагнитных корпусах 8, размещенных в бандажных полках 2 лопаток 3. Датчики 4, 5, образующие первую пару периферийных датчиков, содержат соответственно сердечники 9, 10 и корпуса 11, 12 /фиг. 3/. Поперечное сечение сердечников 9, 10 имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон 10 ≥ b/a ≥ 3, где a и b - соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника. При этом угол α между осью наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника датчика 4 и осью турбины заключен в диапазоне 30^o ≤ α ≤ 60^o, а ось наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника датчика 5 расположена под углом -α к оси турбины. Окружное расстояние между датчиками 4 и 5 меньше шага рабочих лопаток 3. Кроме того, устройство содержит дополнительно четыре пары периферийных датчиков, аналогичных по конструкции и размещению датчиков в паре относительно друг друга первой паре датчиков 4, 5. При этом окружное расстояние от первой до второй, от второй до третьей пары датчиков составляет 1/3k длины окружности, от первой до четвертой пары датчиков - 1/k длины окружности, а от первой до пятой пары датчиков - 2/k длины окружности, при k ≥ 3.

Замер колебаний лопаток осуществляется следующим образом. Во время монтажа турбины или ее ремонта устанавливаются магниты 7 в немагнитных корпусах 8 в бандажных полках 2 лопаток 3 и, в общем случае, пят пар периферийных датчиков в корпусе турбины /на чертеже не показан/. Кроме того, устанавливают оборотный датчик 1 в корпусе турбины или в корпусе подшипника, конструкция и место расположения датчика описаны в [1, с. 97]. При вращении ротора турбины бандажные полки 2 лопаток 3 с расположенными в них магнитами 7 проходят мимо последовательно расположенных пар периферийных датчиков и с помощью регистрирующей и анализирующей аппаратуры 6 /например, типа ПОС [5]/ определяются исходные расстояния между двумя датчиками, составляющими каждую из пяти пар. При изменении режима работы турбины, сопровождающегося, в общем случае, изменением осевого положения ротора, а также амплитуд колебаний лопаток и ротора, каждая из этих трех составляющих может быть определена. Изменение показаний любой одной пары периферийных датчиков на протяжении нескольких оборотов может быть использовано для определения амплитуд срывных или автоколебаний лопаток, когда отношение частоты колебаний лопатки к частоте вращения ротора не составляет целого числа и за несколько последующих оборотов лопатка будет подходить к каждой паре датчиков с различными фазами колебаний. При этом величина полезного сигнала будет в два раза больше, чем при обычном методе замеров, а влияние изменения параметров работы турбины - меньше. Как ясно из изложенного выше, предлагаемое устройство может быть использовано не только для замера амплитуд колебаний бандажированных лопаток, но и для определения относительного осевого перемещения ротора в сечении, где установлены датчики, а также для контроля качества балансировки ротора путем замера амплитуды оборотной вибрации ротора в сечении, где расположены бандажированные лопатки.

Источники информации
1. Заблоцкий И. Е., Коростлев А.Ю., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашин. - М.: Машиностроение, 1977, 160 с.

2. Патент РФ N 2063519, F 01 D 25/06, 1996.

3. Левин А.В., Боришанский К.Н., Консон Е.Д., Прочность и вибрация лопаток и дисков паровых турбин. - Л.: Машиностроение, 1981, 710 с.

4. Траупель В. Тепловые турбомашины. Т. II. - М.: Госэнергоиздат, 1963, 360 с.

5. Кулаичев А. П. Анализ сигналов в технических приложениях. Мир ПК. 1994, - N 2, с. 101-104.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано, например, в паровых турбинах. Устройство содержит магниты в немагнитных корпусах, расположенные в пределах бандажных полок лопаток, три неподвижных индукционных датчика: один - оборотный и два периферийных. Датчики связаны с регистрирующей и анализирующей аппаратурой. Поперечное сечение сердечника периферийных датчиков имеет форму вытянутого прямоугольного треугольника с соотношением сторон 10 ≥ b/а ≥ 3, где a и b - ширина и длина поперечного сечения сердечника. Угол между осью наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника одного периферийного датчика и осью турбины равен α, а между аналогичной осью другого периферийного датчика и осью турбины равен -α, где 30^o ≤ α ≤ 60^o. Окружное расстояние между периферийными датчиками меньше шага рабочих лопаток. Могут быть дополнительно установлены две или четыре пары аналогичных периферийных датчиков. В результате обеспечивается возможность замера амплитуд как срывных, так и кратных колебаний бандажированных лопаток при постоянных оборотах турбины. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для замера амплитуд колебаний бандажированных рабочих лопаток турбины дискретно-фазовым методом, содержащее магниты в немагнитных корпусах, расположенные в пределах бандажных полок лопаток, а также связанные с регистрирующей и анализирующей аппаратурой три неподвижных индукционных датчика, один из которых оборотный, второй - периферийный, установленный над бандажными полками лопаток, причем поперечное сечение сердечника второго датчика имеет форму вытянутого прямоугольника с отношением сторон 10 ≥ b/a ≥ 3, где a и b - соответственно ширина и длина поперечного сечения сердечника, а угол α между осью наименьшей жесткости поперечного сечения сердечника и осью турбины заключен в диапазоне 30^o ≤ α ≤ 60^o, и третий датчик, по конструкции аналогичный периферийному и также установленный над бандажными полками лопаток, отличающееся тем, что угол между осью наименьшей жесткости поперечного сердечника третьего датчика и осью турбины равен -α, а окружное расстояние между вторым и третьим датчиками меньше шага рабочих лопаток. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что над бандажными полками лопаток установлены дополнительно две пары датчиков, аналогичных по конструкции первой паре датчиков над бандажными полками, причем окружное расстояние между соседними парами датчиков составляет 1/3k длины окружности, где k - число колебаний лопатки за оборот. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что над бандажными полками лопаток установлены дополнительно две пары датчиков, аналогичных по конструкции остальным, на расстоянии 1/k и 2/k длины окружности от первой пары датчиков при k ≥ 3.