СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ВАЛА РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2005 года по МПК H02K15/00 H02K15/02 

Изобретение относится к технологии электромашиностроения, диагностике электрических машин в процессе их эксплуатации, в частности к контролю целостности валов роторов турбогенераторов.

Известен способ диагностики состояния валов роторов электрических машин, например, синхронных компенсаторов [1], при котором оценка технического состояния ротора производится по результатам вибрационных исследований работающей электрической машины при номинальном числе оборотов, при варьировании ее электромагнитной нагрузки путем сравнения вибросмещений (s) и фазы вибрации (ϕ ) опорных подшипников с соответствующими показателями, полученными опытным путем в предшествующее время. Такой способ, позволяя оценить общее вибрационное состояние ротора и выделить отклонения, главным образом, связанные с его электромагнитным и тепловым состоянием, не дает возможности своевременно выделить из данных виброизмерений диагностирующих показателей, характеризующих нарушение целостности вала ротора, особенно для гибких роторов турбогенераторов, у которых номинальная частота вращения (n) близка ко 2-ой критической.

Наиболее близким аналогом-прототипом изобретения является способ вибродиагностики состояния ротора электрической машины на основе анализа кривой вибрации при переменной частоте вращения s=f(n) [2]. Основой этого способа диагностики состояния ротора турбогенератора является положение о том, что вибросмещение вала ротора пропорционально возмущающейся силе (F), а последняя при наличии небаланса ротора электрической машины определяется из известного соотношения: F=m· r· ω ², где m - неуравновешенная масса, r - радиус приложения центра тяжести неуравновешенной массы, ω - угловая скорость вращения ротора.

Принимая во внимание, что вибросмещение вала ротора под действием неуравновешенности изменяется пропорционально квадрату угловой скорости (частоты вращения) ротора в рассматриваемом способе любое отклонение от параболической зависимости s=f(n) диагностируется как неисправность, исключающая неуравновешенность ротора. Недостаток этого способа диагностики заключается в том, что в нем не детализируются признаки, характеризующие дефекты вала ротора электрической машины, появляющиеся, например, при образовании поперечной трещины, влияние которой на изменение вибросмещения вала ротора в процессе увеличения частоты вращения также пропорционально квадрату угловой скорости ротора.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является диагностика состояния целостности валов роторов турбогенераторов в процессе эксплуатации для предупреждения их разрушения.

На Фиг.1 схематически изображен ротор турбогенератора с бочкой 1 в центральной части, концевыми частями 2, бандажными узлами 3, опирающийся на подшипники 4, и графическое изображение его динамического прогиба при измерении колебаний в вертикальном и поперечном направлениях под действием сил неуравновешенности и воздействии массы ротора. При этом приняты следующие обозначения параметров колебаний вала:

S₁ - динамический прогиб ротора турбогенератора при 1-ой форме неуравновешенности;

SI2

, SII2, SIII2, SIV2 - динамический прогиб ротора под действием веса ротора соответственно при положении I, II, III и IV поперечного сечения (А-А) вала ротора с трещиной (фиг.2);

L₁ и L₂ - расстояние от поперечной оси опорного подшипника соответственно до торцевой части и середины бочки ротора турбогенератора;

На Фиг.2 показано положение поперечного сечения А-А ротора с трещиной в 4-х положениях, зафиксированных в процессе вращения, при: максимальном раскрытии трещины (I), отсутствии раскрытия трещины (II, IV), частичного смятия периферийной зоны трещины (III).

υ - смещение центра массы вала ротора в вертикальном направлении от оси вращения вала.

На Фиг.3 приведены зависимости вибросмещения (s) и фазы вибросмещения (ϕ ) от частоты вращения ротора; s=f(n) и ϕ =f(n) и приняты следующие обозначения:

s, ϕ , n - соответственно вибросмещение, фаза и частота вращения ротора;

s₁, s₂, - вибросмещение вала ротора (подшипников) турбогенератора соответственно для неуравновешенности ротора первого рода (небаланс) и от воздействия массы ротора:

s₃ - суммарное максимальное вибросмещение в вертикальном направлении при совпадении фаз вибросмещения s₁ и s₂;

ϕ I2

, ϕ II2, ϕ III2 - зависимость фаз вибросмещения вала ротора (подшипников) турбогенератора соответственно по мере раскрытия трещины в валу ротора, градус.

n11

- 1-я критическая частота вращения ротора первого рода.

n12

- тоже второго рода.

В практике изготовления и эксплуатации турбогенераторов при диагностировании технического состояния роторов методами вибродиагностики производятся измерения вибросмещения (виброскорости) и фазы вибросмещения с использованием общедоступных приборов, стационарными видами которых оснащено большинство крупных турбогенераторов. При этом производятся измерение вибрации вала ротора в вертикальном и поперечном направлениях, а опорных подшипников также и в осевом направлении, которые являются результатом, например, неуравновешенности роторов, вызывающей динамический прогиб S₁, приведенный на Фиг.1. Следует отметить, что максимальный прогиб вала и соответственно величина вибросмещения подшипников в поперечном и вертикальном направлениях изменяются пропорционально величинам неуравновешенности и квадрату частоты вращения, отличаясь друг от друга лишь за счет различной жесткости (податливости) подшипников и масляного слоя между подшипником и валом ротора соответственно в вертикальном и поперечном направлениях.

На Фиг.1 прогибы (S₁) для фиксированной частоты вращения ротора изображены в поперечном и вертикальном направлениях одинаковыми для случая равнокруговой жесткости подшипника.

Практикуется также диагностирование с измерением вибросмещения вала ротора и подшипников турбогенератора в функции частоты вращения ротора s=f(n) с определением области возникновения и величин вибросмещения 1-ой и 2-ой критических частот вращения первого рода s₁ (Фиг.3). Однако диагностирование нарушения целостности вала ротора и факта появления трещины определяется лишь по возрастанию вибрации, в том числе и скачкообразному, подшипников, как правило, в процессе эксплуатации турбогенераторов при номинальной частоте вращения наравне с проявлением любых других менее значимых дефектов ротора, приводящих к ухудшению его вибрационного состояния. При этом следует отметить, что для большинства современных турбогенераторов с гибкими роторами появление трещины в концевых частях фактически не приводит к заметному повышению вибрации подшипников, т.к. трещина вызывает прогиб вала первой формы. который, как правило, не возбуждает колебаний подшипников т.к. при рабочей частоте вращения, близкой ко второй критической, они работают в зоне нечувствительности к колебаниям ротора по первой форме.

Сущность предлагаемого способа диагностирования состояния вала ротора заключается в фиксации вибрационных признаков, характерных для развития трещин в валу ротора по величине, фазе и направлению вибросмещения, ввиду зависимости вибросмешения и фазы вибрации вала ротора и подшипников от частоты вращения ротора, а также границ частот вращения ротора, в пределах которых происходит наиболее значительное изменение вибрации ротора, связанной с появлением поперечной трещины.

Известны два рода колебательных процессов роторов, возникающих при работе электрических машин и вызываемых действием сил, величина которых возрастает пропорционально изменению квадрата частоты вращения вала ротора:

- колебательный процесс ротора первого рода - пространственный, связан с неуравновешенностью ротора, которая при вращении вызывает его динамический прогиб, имеющий при определенных допущениях синусоидальную форму в виде полупериода синусоиды (1-я форма неуравновешенности), полного периода синусоиды (2-я форма неуравновешенности) и т.д.

- колебательный процесс ротора второго рода - происходит в вертикальной плоскости вдоль продольной оси ротора и связан с воздействием массы ротора на валопровод при наличии асимметрии любого поперечного сечения ротора, а превалирующий вил прогиба ротора - полупериод синусоиды.

Если учесть, что при колебательном процессе первого рода в валу ротора возникают только постоянные изгибные напряжения, а при колебательном процессе второго рола - наиболее опасные знакопеременные изгибные напряжения, вызывающие образование поперечных трещин, а также то обстоятельство, что образование трещин в валу приводит к асимметрии его поперечного сечения, то становится обоснованным использование при диагностике состояния вала ротора электрической машины признаков, характерных для колебательного процесса 2-го рода, предлагаемых в изобретении, отличающих их от признаков вибродиагностики, характерных для других видов дефектов ротора, влияющих на вибрационное состояние машины (механическая, тепловая и др. виды неуравновешенности, дефекты полумуфт, подшипников и т.д.)

Колебательному процессу ротору турбогенератора 2-го рода свойственны некоторые особенности.

Распределение массы ротора вдоль его продольной оси неравномерное. Большая часть массы сосредоточена в срединной части (бочке) ротора, особенно у роторов турбогенераторов, бандажные узлы которых 2 (Фиг.1) имеют консольное исполнение, а соотношение L₁/L₂ (Фиг.1) находится вблизи 0,5. Для таких роторов наиболее значимо влияние массы ротора, как фактора, вызывающего колебательный процесс второго рода с наибольшим значением величин статического прогиба вала, вызывающего увеличенные изгибные знакопеременные напряжения и создающего предпосылки для появления трещин в валу и возникновение динамических составляющих прогиба вала в колебательном процессе второго рода с перемещением центра массы ротора в вертикальной плоскости на величину υ (Фиг.2)

Известно, что образование трещин в валу ротора, как правило, процесс длительный, который может длиться несколько месяцев, а скорость ее роста зависит как от конструктивных особенностей ротора, так и от условий эксплуатации, например частоты пусков и остановов. Обследование валов роторов в месте излома показывает как минимум наличие трещины усталостного характера и периферийную зону притертости соприкасающихся соседних участков вала, составляющую, как правило, около 30% всей площади трещины. По мере изменения положения поперечного сечения вала с трещиной в процессе вращения ротора (Фиг.2) изменяются моменты инерции поперечного сечения вала с трещиной. Так наименьший момент инерции поперечного сечения вала имеет место в положении I, когда трещина под воздействием массы ротора раскрывается в нижнем положении. Момент инерции поперечного сечения вала ротора с трещиной в положениях II, III и IV значительно больше в связи с тем, что положение II и IV поперечная ось, относительно которой рассчитывается момент инерции, расположены так же, как у неповрежденного вала, а в положении III соприкасающиеся створки трещины в верхнем положении объективно препятствуют снижению момента инерции поперечного сечения вала с трещиной.

На Фиг.1 приведены кривые динамического прогиба вала ротора второго рода для всех 4-х положений поперечных сечений вала с трещиной при вращении ротора. Если принять как вариант случай, когда величина моментов инерции поперечных сечений вала ротора в положении III меньше или близка моментам инерции поперечному сечению вала с трещиной в положениях II и IV, то в процессе вращения вала ротора с трещиной в валу возникает колебательный процесс второго рода с оборотной частотой, определяемый разницей моментов инерции поперечного сечения вала с трещиной в положениях I и II. В другом случае, когда момент инерции вала ротора в положении III значительно больше момента инерции при положении вала ротора с трещиной (II и IV), при вращении ротора дополнительно к колебательному процессу второго рода с оборотной частой вращения, может быть обнаружен колебательный процесс второго рода с двойной оборотной частой.

Если сопоставить упомянутые ранее зависимости S=f(n) при анализе колебательных процессов первого и второго родов, происходящих с ротором турбогенератора, у которого появилась поперечная трещина в валу и бездефектного ротора и определить величины возмущающих сил, действующих на ротор, то по мере возрастания частоты вращения в пределах от нуля до 1-ой критической первого рода для ротора с трещиной в валу зависимость S=f(n) проходит значительно круче (большие значения вибросмещения) при одинаковых значениях частоты вращения), чем у такой же характеристики для бездефектного вала ротора.

Силы (F), вызывающие колебания ротора первого и второго рода, описываются зависимостью F=m· r· ω ², т.е. силы, вызывающие колебания ротора, для одинаковой частоты вращения пропорциональны неуравновешенной массе (m_н) и радиусу ее центра тяжести (r) для колебательного процесса ротора первого рода и соответственно массе ротора (m_рот) и изменению его центра тяжести υ (фиг.2) при колебательном процессе ротора второго рода.

Если учесть, что m_рот·_{υ>>mн·r даже при начальном возникновении поперечной трещины, а также то обстоятельство, что величина ускорения в колебательном процессе второго рода выше, чем в колебательном процессе первого рода для одинаковых значений частоты вращения ротора, то становится обоснованным при констатации образования поперечной трещины в валу ротора применение диагностического признака о более интенсивном росте вибросмещения вала (подшипников) при возрастании частоты вращения ротора.}

Поэтому, с целью раннего выявления поперечных.трещин в валу ротора анализ зависимостей S=f(n) и ϕ =f(n) следует проводить для значений частоты вращения от момента пуска электрической машины до достижения ротором 1-ой критической частоты вращения первого рода и вблизи нее, а появление поперечной трещины в валу ротора диагностировать, при прочих равных условиях, по большей крутизне зависимости S=f(n).

Другой диагностический признак, свидетельствующий об образовании и развитии поперечной трещины в гибком роторе, который при номинальном режиме работает вблизи 2-ой критической частоты вращения, может быть получен на основе анализа зависимости S=f(n), которая после превышения ротором 1-ой критической частоты вращения проявляет тенденцию к снижению по мере преобладания в колебаниях ротора 2-ой формы. Эта тенденция с ростом частоты вращения от 1-ой критической частоты вращения до номинальной частоты вращения определяется приближением колебательного процесса подшипников к зоне нечувствительности колебаний ротора по 1-ой форме.

В связи с тем, что колебательный процесс ротора второго рода носит плоскостной характер, и плоскость эта ориентирована вертикально по направлению действия возмущающей силы веса ротора, к диагностическим признакам, свидетельствующим о появлении в валу ротора поперечных трещин, можно также судить по увеличению крутизны зависимости S=f(n), которое наиболее интенсивно проявляется в вертикальном направлении вибросмещения вала ротора, вертикальном и осевом направлениях вибросмещения подшипников и практически не проявляется в поперечном направлении вибросмещения вала ротора и подшипников.

Из расчетов критической частоты вращения колебаний валов роторов второго рода с распределенной вдоль их длины массой и различными моментами инерции хотя бы в одном поперечном сечении вала известно, что каждая точка, расположенная на оси вала, движется по окружности радиуса и с удвоенной угловой скоростью, а центр окружности смещен по вертикали на величину статического прогиба ротора. Для близких значений моментов инерции во взаимно перпендикулярных осях поперечного сечения вала ротора критическая частота вращения ротора второго рода близка к половинному значению критической частоты вращения первого рода. При этом фаза вибросмещения в процессе преодоления ротором 1-ой критической частоты вращения второго рода изменяется на 180 градусов. Учитывая, что колебания ротора второго рода носят плоскостной характер (вертикальная плоскость вдоль продольной оси ротора), в то время как колебания ротора первого рода от воздействия неуравновешенности пространственны, а измеряемые вибросмещения являются суммарными величинами от воздействия массы ротора и его неуравновешенности, то в зависимости от соотношения этих сил и фазы вибросмещения неуравновешенности, которая при критическом числе оборотов не изменяется, суммарная, измеренная фаза вибросмещения становится меньше 180 градусов. Поэтому о появлении в валу ротора поперечной трещины можно также судить по интенсивному росту вибросмещения вала ротора (подшипников) на первой критической частоте вращения ротора второго рода (вблизи или ниже половины значения 1-ой критической частоты вращения ротора первого рода), и изменению фазы вибросмещения ϕ от незначительного в начальной стадии ее развития до 160-180 градусов при завершающей стадии развития трещины.

Если принять во внимание тот факт, что бездефектный ротор турбогенератора с определенной степенью неуравновешенности в процессе роста частоты вращения при прохождении первой критической частоты вращения меняет фазу вибросмещения на 180 градусов, то о появлении в валу ротора поперечной трещины можно судить по снижению величины сдвига фаз вибросмещения ϕ (от 180 градусов для бездефектного ротора) при преодолении ротором 1-ой критической частоты вращения первого рода, причем это снижение величины сдвига фаз определяется изменением соотношения воздействия сил небаланса ротора и силы воздействия массы ротора.

Если учесть, что при колебательном процессе ротора второго рода до достижения первой критической частоты вращения фаза вибросмещения имеет нулевые значения по отношению к вектору вибросмещения, то область расположения появившейся трещины в валу ротора и зона ее максимального раскрытия можно определить относительно зафиксированной на роторе нулевой метке по фазе вибросмещения ϕ , замеренной в области частоты вращения вала ротора до 1-ой частоты вращения второго рода.

При диагностировании состояния валов роторов электрических машин по предлагаемому способу можно использовать как отдельные диагностические признаки появления трещин в валу, так и комплекс диагностических признаков, изложенных в 6 пунктах формулы изобретения, что повысит достоверность диагностики состояния вала ротора, т.к. наличие любого из признаков подтверждает образование трещин и степень ее развития, а отсутствие какого-либо из признаков может лишь свидетельствовать о недостаточности развития трещины и неблагоприятном соотношении колебательных процессов первого и второго родов.

Диагностирование состояния валов роторов по признакам формулы изобретения можно проводить как в процессе пуска электрической машины, так и в процессе ее останова. Предпочтение следует отдать диагностированию состояния валов электрической машины при пуске ее из холодного состояния, т.к. и этом случае будут исключены искажения зависимостей s=f(n) и ϕ =f(n), связанные с переменной неуравновешенностью при тепловой нестабильности бочки ротора и обмотки, смещением бандажных колец и др.

Источники информации

1. Аврух В.Ю. О некоторых причинах повышенной вибрации синхронных компенсаторов, "Электрические станции", 1960 г., №1.

2. Самойлов В.А. Вибрации агрегатов электростанций и балансировка роторов. - М., Госэнергоиздат, 1949 г., 160 стр.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к технологии электромашиностроения, диагностике электрических машин в процессе их эксплуатации, в частности к контролю целостности валов роторов турбогенераторов. Сущность изобретения состоит в следующем. Предложен способ диагностики состояния вала ротора электрической машины, основанный на сравнении зависимостей вибросмещения (S) вала ротора (подшипников) в функции частоты вращения ротора (n) для вала ротора, не имеющего дефекта [S=f(n)], с такими же зависимостями диагностируемого ротора для значений частоты вращения от момента пуска электрической машины до достижения ротором первой критической частоты вращения первого рода и вблизи нее. При этом образование в валу ротора поперечной трещины диагностируют по большей крутизной зависимости S=f(n) при прочих равных условиях. Диагностирование предложенным способом может проводиться как в процессе пуска электрической машины, так и ее останова. Технический результат - предупреждение разрушения валов роторов турбогенераторов в процессе их эксплуатации. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ диагностики состояния вала ротора электрической машины, содержащей бочку ротора с концевыми частями, бандажными узлами и подшипники, включающий выявление дефекта ротора путем сравнения определяемой экспериментально зависимости вибросмещения (S) вала ротора (подшипников) в функции частоты вращения (n) [S=f(n)] для ротора, не имевшего дефекта, с такой же зависимостью диагностируемого ротора, отличающийся тем, что анализ зависимости S=f(n) диагностируемого ротора производят для значений его частоты вращения с момента пуска электрической машины до достижения ротором первой критической частоты вращения первого рода и вблизи нее и, при этом, образование поперечной трещины в валу ротора диагностируют, при прочих равных условиях, по большей крутизне зависимости S=f(n) диагностируемого ротора после появления дефекта по сравнении с той же характеристикой ротора, не имевшего дефекта.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образование и развитие поперечной трещины в гибком роторе, который при номинальном режиме работает вблизи второй критической частоты вращения, диагностируют по виду зависимости S=f(n), которая при наличии трещины после превышения ротором первой критической частоты вращения проявляет тенденцию к снижению по мере преобладания в роторе колебаний по второй форме.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что образование поперечной трещины в валу ротора, определяемое по большей крутизне зависимости S=f(n) диагностируемого ротора по сравнении с той же характеристикой ротора, не имевшего дефекта, диагностируют по большей интенсивности изменения вибросмещения вала ротора в вертикальном направлении и вибросмещения подшипников в вертикальном и осевом направлениях.4. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что дополнительно производят анализ зависимости фазы вибросмещения (ϕ) в функции частоты вращения ротора (n) [ϕ=f(n)], а образование в валу ротора поперечной трещины диагностируют по интенсивному росту вибросмещения вала ротора (подшипников) на первой критической частоте вращения второго рода вблизи или ниже половины значения первой критической частоты вращения первого рода, при этом, фаза вибросмещения ϕ может изменяться от незначительной в начальной стадии развития трещины до 160-180 градусов при завершающей стадии ее развития.5. Способ по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что дополнительно производят анализ зависимости фазы вибросмещения (ϕ) в функции частоты вращения ротора (n) [ϕ=f(n)], а образование в валу ротора поперечной трещины диагностируют по снижению величины сдвига фаз вибросмещения ϕ диагностируемого ротора при прохождении ротором первой критической частоты вращения первого рода, причем это снижение величины сдвига фаз от 180 градусов для бездефектного ротора определяется изменением соотношения воздействия сил небаланса ротора и силы воздействия массы ротора.6. Способ по любому из пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что область расположения появившейся трещины в валу ротора и зона ее максимального раскрытия определяют относительно зафиксированной на роторе нулевой метки по фазе вибросмещения ϕ, замеренной в области частоты вращения (n) вала ротора от момента пуска до первой критической частоты вращения второго рода.