СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ НЕБАЛАНСА РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И РОТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Советский патент 2007 года по МПК H02K15/16 

Изобретение относится к области электромашиностроения и касается электрических машин, устанавливаемых на объектах. К оборудованию, устанавливаемому на кораблях ВМФ, предъявляются повышенные требования по виброакустическим характеристикам. Поэтому для этих машин вопросы снижения вибраций очень важны. Вибрации машины вызываются разными причинами. Одной из причин, вызывающих вибрацию машины, является небаланс ротора. Повышенные вибрации снижают надежность ротора и всей машины.

Небаланс собранного ротора устраняют с помощью установки балансировочных грузов [1]. Однако при работе машины небаланс может снова появиться, причем величина вызванной небалансом вибрации может быть одинаковой во всех режимах работы, в том числе и на холостом ходу, а может существенно зависеть от величины нагрузки машины - например, при тепловом небалансе - выгибе ротора в результате возникновения его тепловой несимметрии. Известен способ устранения небаланса ротора электрической машины путем изменения теплового состояния ротора за счет частичного перекрытия его вентиляционных каналов [2].

Недостатком данного способа является необходимость неоднократных остановок и пусков машины, так как перекрытие вентиляционных каналов производится методом проб, причем каждый раз требуется вводить машину в работу, чтобы проверить достигнутый уровень вибрации.

Наиболее близким к заявляемому, взятым за прототип, является способ устранения небаланса ротора электрической машины путем изменения теплового состояния ротора, по которому контролируют параметры режима охлаждения участков обмотки ротора, образующих параллельные ветви гидравлического тракта, например, нагрев жидкости в этих ветвях, устанавливают в эти участки дроссели и, повторяя упомянутую операцию контроля, регулируют гидравлическое сопротивление дросселей до тех пор, пока не будут выравнены контролируемые параметры охлаждения диаметрально противоположных параллельных ветвей гидравлического тракта обмотки [3]. Выявление небаланса по данному способу производится при вращающемся роторе, а для его устранения требуется однократная остановка ротора без отключения системы охлаждения.

Недостаток данного способа состоит в необходимости остановки машины для регулирования гидравлических сопротивлений дросселей, а также в том, что с его помощью устраняется тепловой небаланс, вызванный лишь тепловой несимметрией обмотки. Кроме того, данный способ балансировки применим только для машин, конструкция которых позволяет оставить в работе систему охлаждения ротора после его остановки.

Целью изобретения является повышение надежности электрической машины путем регулирования вибрационных характеристик вращающегося ротора в различных эксплуатационных режимах.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе устранения небаланса ротора электрической машины путем изменения теплового состояния ротора, охлаждение ротора производят по секторам с независимой подачей хладагента в каждый из них, контролируют параметры вибрации ротора и регулируют температуру или (и) расход хладагента на входе, по меньшей мере, одного из этих секторов до тех пор, пока не будут доведены до заданного уровня контролируемые параметры вибрации ротора.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявленный способ отличается тем, что охлаждение ротора производят по секторам с независимой подачей хладагента в каждый из них, контролируют параметры вибрации ротора и регулируют температуру или (и) расход хладагента на входе, по меньшей мере, одного из этих секторов до тех пор, пока не будут доведены до заданного уровня контролируемые параметры вибрации ротора. Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ соответствует критерию "новизна".

Существенность отличий подтверждается тем, что при новой совокупности признаков возникает новое свойство. Свойство это выражается в том, что разделение системы охлаждающих каналов на секторы и независимая подача хладагента в каждый из них позволяет автономно регулировать температуру хладагента в каждом из этих секторов с помощью известных средств регулирования (например - управляемых электронагревателей), расположенных на невращающейся части электрической машины. Управляя таким образом распределением температуры по окружности ротора, устраняют его небаланс. Поскольку вращение ротора не препятствует работе средств регулирования температуры или расхода хладагента, то регулирование небаланса производится без остановки ротора. Устранение небаланса производится непрерывно при изменении режима работы машины, а также при возникновении неисправностей в машине, приводящих к появлению небаланса ротора. Кроме того, контроль параметров вибрации ротора и воздействие в итоге именно на эти параметры позволяет, не определяя причину возникновения небаланса, устранять небаланс, вызванный любой причиной, и доводить параметры вибрации до заданного уровня.

Сравнение данного технического решения с решениями, известными в технике, выявило следующее.

Известно регулирование температуры хладагента на входе электрической машины или ее отдельных элементов по сигналам тепловых или режимных параметров машины, при котором достигается оптимизация теплового состояния этих элементов (см. а.с. СССР №1184049, Бюл. №37 за 1985 г.). Отличием предлагаемого технического решения является независимое регулирование температуры хладагента на входе отдельных частей элементов электрической машины - секторов, ротора, а также использование при регулировании сигналов параметров вибрации ротора.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков не встречается в известной технической литературе и позволяет обеспечить поставленную цель. На основании изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность способа поясняется чертежом, где изображен схематично ротор, разделенный на сектора.

В качестве примера реализации способа рассмотрим работу турбогенератора с водоохлаждаемым ротором, имеющим обмотку возбуждения и демпферную обмотку. Каждая обмотка имеет свою независимую систему каналов [4]. Через демпферную обмотку производится отвод тепла от бочки ротора, поэтому, регулируя температуру хладагента в каналах демпферной обмотки, можно управлять тепловым состоянием бочки ротора.

Разделим систему охлаждающих каналов демпферной обмотки на три равных сектора по 120° дуги (см. чертеж).

На чертеже представлено поперечное сечение ротора, разделенного на сектора 1, 2, 3 по 120° таким образом, что начало первого сектора совпадает с началом отсчета угловой координаты. На чертеже условно показаны охлаждающие каналы демпферной обмотки 4. Обеспечиваем независимую подачу воды в каждый из секторов системы охлаждающих каналов демпферной обмотки ротора - в генераторе с самонапорной системой охлаждения ротора 4 снабжаем каждый из указанных секторов отдельным напорным коллектором. В качестве параметра вибрации машины принимаем вектор симметричной составляющей вибрации как полусуммы векторов вибрации опор на противоположных концах вала ([2], стр.154, формула 4-13). При симметричном выгибе ротора (статический небаланс) вектор симметричной составляющей равен вектору вибрации любой из двух опор. Амплитуда вектора вибрации определяется с помощью виброметра с вибродатчиком, а фаза - с помощью индикатора фазы с источником пускового сигнала, генерируемого синхронно с движением метки на валу ротора. На чертеже место расположения этой метки является началом отсчета угловой координаты ротора.

При рассмотрении процесса балансировки воспользуемся методикой, аналогичной методике одноплоскостной балансировки ротора в своих подшипниках с помощью балансировочных грузов, описанной на стр.151-154, вышеупомянутой книги Исаковича М.М. и др.

Будем считать, что небаланс и вибрация ротора вызваны нагревом его произвольно расположенного сектора с угловым сектором 120°. Величина измеренного вектора вибрации связана с вызвавшим ее нагревом следующим соотношением: (аналогично соотношению 4-4 вышеупомянутой книги Исаковича М.М. и др., стр.151), где - чувствительность ротора к тепловой асимметрии - изменение вектора вибрации ротора при единичном нагреве сектора 120° ротора, а по направлению совпадающей с осью этого сектора.

Соответственно, для уравновешивания небаланса требуется равный нагрев сектора 120° ротора, ось которого направлена в противоположную сторону. Таким образом, при измеренном векторе вибрации ротора и известной чувствительности ротора к тепловой асимметрии определяем уравновешивающий нагрев сектора 120° ротора по формуле (по аналогии с формулой 4-10 вышеупомянутой книги Исаковича М.М. и др. стр.153). Пусть вектор вибрации равен (так же, как и в примере из книги Исаковича М.М. и др., стр.153), чувствительность ротора к тепловой асимметрии равна

Получим . На чертеже пунктиром выделен соответствующий сектор ротора 5, ось которого проходит под углом 140°. Для уравновешивания небаланса достаточно повысить температуру воды в каналах этого сектора на 10,4°С. При системе разделения охлаждающих каналов демпферной обмотки ротора, изображенной на чертеже, для устранения небаланса ротора требуется повысить температуру воды, поступающей в секторы 1 и 2. Выгибы ротора, создаваемые нагревом секторов 1 и 2, в сумме должны дать выгиб, соответствующий вычисленному значению . Очевидно, что суммарный выгиб определяется методом суперпозиции. Соответственно и значение Δt_ур определяется методом суперпозиции. Соответственно и значение Δt_ур определяется методом суперпозиции нагревов секторов 1 и 2. Для определения необходимых нагревов воды, поступающей в секторы 1 и 2, решим обратную задачу, разложив вектор на оси этих секторов (см. чертеж). По теореме синусов получим из треугольника ABC из треугольника ACD

Отсюда

Таким образом, предлагаемый способ позволяет компенсировать небаланс ротора в процессе работы машины, устанавливая необходимую температуру потоков хладагента, подаваемого в секторы ротора.

Реализация предлагаемого способа возможна с помощью различных устройств. Простейшее из них содержит блоки измерения параметров вибрации (например, измерители амплитуды и фазы вибрации) и блоки ручного управления температурой или расходом хладагента, поступающего в каждый сектор ротора. Использование предлагаемого изобретения позволяет поддерживать удовлетворительный уровень вибрации ротора при любых изменениях режима работы машины без ее остановки. При этом может быть устранен не только небаланс, вызванный тепловым перекосом ротора, но и небаланс, вызванный другими причинами, например витковыми замыканиями в обмотке возбуждения синхронной машины и другими повреждениями машины, при которых обычно требуется ее немедленная остановка из-за недопустимого уровня вибрации, а следовательно, и шума, издаваемого корпусом энергообъекта. Предлагаемое изобретение дает возможность продолжать эксплуатацию машины с подобными дефектами.

Источники информации

1. И.Г.Шубов. Шум и вибрация электрических машин, Ленинград, стр.141.

2. Исакович М.М., Клейман Л.И. и др. Устранение вибрации электрических машин, Ленинград, 1969 г., стр.182.

3. А.С. №915175, H02K 15/16, опубл. в БИ №11 за 1982 г.(прототип).

4. Статья Иогансен В.И. и др. "Турбогенератор с полным водяным охлаждением мощностью 800 МВт, 3000 об/мин - в книге "Электросила", г.Ленинград, №33, стр.29-40.

Изобретение относится к области электромашиностроения. Технический результат заключается в повышении надежности электрической машины путем регулирования вибрационных характеристик вращающегося ротора в различных эксплуатационных режимах. Для этого в способе ротор охлаждают по секторам с независимой подачей хладагента в каждый из них, контролируют параметры вибрации ротора и регулируют температуру или расход хладагента на входе, по меньшей мере, одного из секторов ротора. А устройство содержит параллельные охлаждающие каналы, узел подачи воды в каналы, также снабжено, по меньшей мере, двумя дополнительными узлами подачи воды в каналы и, по меньшей мере, двумя устройствами регулирования температуры воды. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ устранения небаланса ротора электрической машины путем изменения теплового состояния ротора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности машины путем регулирования вибрационных характеристик ротора в различных режимах эксплуатации, ротор охлаждают по секторам с независимой подачей хладагента в каждый из них, контролируют параметры вибрации ротора и регулируют температуру или (и) расход хладагента на входе, по меньшей мере, одного из секторов ротора.2. Ротор электрической машины, имеющий параллельные охлаждающие каналы и узел подачи воды в каналы, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, двумя дополнительными узлами подачи воды в каналы и, по меньшей мере, двумя устройствами регулирования температуры воды, выход каждого из которых соединен с входом одного из узлов подачи воды, а каналы ротора разделены на сектора, число которых равно числу узлов подачи воды, и вход каждого из секторов соединен с выходом одного из узлов подачи воды.