CN1967207A - 用于发电机转子齿检验的相控阵超声方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于检验发电机转子的方法和系统。该系统包括相控阵超声换能器(502)，该相控阵超声换能器(502)包括工作面(504)，该工作面(504)包括形成阵列的多个换能器元件(602)，所述元件被构造成以预定顺序进行激励，以在相对于工作面的多个角产生超声能量的发射束(516)。所述元件被构造成通过工作面接收超声回波。该系统还包括换能器楔，该换能器楔包括被构造成耦接换能器的耦接面和被构造成耦接转子(108)的发射面。所述楔被构造成在所述发射面以预定角折射超声发射束，以使该束以基本上垂直于转子的负荷面的角进入部件。

Description

用于发电机转子齿检验的相控阵超声方法和系统
技术领域
本发明一般而言涉及电力发电机，更特别地涉及用于检验电力发电机部件的方法和系统。
背景技术
常规发电机，比如与燃气涡轮机和蒸汽涡轮机一起使用的发电机，采用磁性材料锻造的转子，其中径向槽沿转子的轴向长度被加工以容纳励磁绕组的导电线圈，所述导电线圈被互连以便产生期望的磁通量分布图。典型地，在这种常规转子槽中包括在槽的顶端和底端的蠕动(creepage)块以及线圈槽楔，以用于抵抗在转子运行时施加在绕组上的沿径向向外的力。
通常为燕尾形的槽楔被用于在转子以例如每分钟3600转旋转时保持铜线圈在适当的位置。在已知的转子中，线圈槽楔大约为6-12英寸长，其中多个这种楔被用于每个线圈槽，尤其是在具有高的额定电功率的较长转子中。在努力减少装配所需的零件数量以及提高这种装配方式的总速度的过程中，全长楔已被用于特定的应用。对于其它的应用，容差排除了全长楔的使用，并且在这些情况中，在每个转子槽中使用两个或更多个楔。然而，在若干发电机的槽壁的燕尾区域中，已经在相邻转子楔的对接接头处发现了裂纹，这显然是由在钢楔的端部发现的磨损破坏引起的。随着时间的流逝，这种裂纹可能扩大并影响转子的性能。
已知的检验技术在其当转子在适当的位置时评估转子齿燕尾榫(dovetail)的完整性的能力方面受到限制。更具体而言，目视检验只允许对转子齿的裂纹进行有限的检查。转子齿是在相邻转子槽之间存在的结构。为了彻底地检查其中可能发生裂纹的转子齿燕尾榫，发电机外壳的至少一部分可能需要被拆卸，以便于拆卸转子和可能的转子楔，随后利用视觉、磁粉、液体渗透剂或涡流技术对燕尾榫进行检验。然而，在一些情况下，由于劳力和成本的限制，这种技术可能是不可行的。
发明内容
在一个实施例中，用于检验发电机转子的系统包括相控阵超声换能器，该相控阵超声换能器包括含有形成阵列的多个换能器元件的工作面(active face)，这些元件被构造成以预定的顺序进行激励，以在相对于工作面的多个角产生超声能量发射束。这些元件被构造成通过工作面接收超声回波。该系统还包括换能器楔，所述换能器楔包括被构造成耦接(couple)换能器的耦接面和被构造成耦接转子的发射面。该楔被构造成在发射面以预定角折射超声发射束，以使该束以基本上垂直于转子的负荷面的角进入部件。
在另一个实施例中，用于检验发电机转子的方法包括：将超声换能器的工作面与基本为楔形的底座(shoe)耦接，其中该换能器包括形成阵列的多个换能器元件；激励多个换能器元件以产生超声发射束；以及通过该底座发射超声束，以使该超声束被折射为基本上垂直于转子的负荷面的角。
在又一个实施例中，用于检验发电机转子的方法包括：将超声换能器的工作面沿着发电机转子的表面定位，其中该换能器包括形成阵列的多个换能器元件；激励多个换能器元件以产生沿着从阵列中选择的射线路径发射入发电机转子的超声发射束；利用换能器作为接收元件从发电机转子接收多个回波信号；以及利用多个回波信号来确定表示在发电机转子中的裂纹的密度界面。
附图说明
图1是示例性发电机的示意端视图；
图2是说明多个转子齿之一以及相邻槽的发电机的示意放大端视图；
图3是图2中所示的齿的示意侧视图；
图4是图2中所示的楔的示意侧视图；
图5是示例性超声换能器结构的示意侧视图，该超声换能器结构可以用于识别和定位在图2中所示的燕尾榫负荷面中的裂纹；
图6是图5中所示的超声换能器结构的示意3D视图；
图7是图2中所示的齿的示意侧视图；
图8是图2中所示的齿的另一个示意侧视图；以及
图9是具有均匀的齿表面的示例性齿的示意侧视图。
具体实施方式
图1是示例性发电机100的示意端视图。多个定子条形绕组102被置于围绕定子铁心106的内周限定的槽104中。在该示例性实施例中，定子条形绕组102由多个扁条形导体或定子条构成，所述多个扁条形导体或定子条耦接在一起以形成通过绕组102的预定绕组路径。在一个实施例中，定子条由铜制成。转子108与定子铁心106的镗孔110同轴对准。转子108的外周112通过气隙116与定子铁心108的内周114分离。转子108可绕纵轴118(示出为进入图1并从图1中穿出)转动。多个转子或励磁槽120和励磁齿122被交替地布置在外周112周围。励磁槽120被构造成容纳传导励磁电流的励磁导体(未示出)，以使在磁极124产生布置于外周112周围的励磁磁场。
在运行时，转子108通过原动机比如涡轮或发动机来绕轴118转动。流入导体的励磁电流在磁极124产生磁场，该磁极与转子108一起转动。磁场的通量线与定子导体相互作用以在定子导体上产生电势，此电势诱发电流，该电流被传输以向与发电机100耦接的电负载供电。
图2是说明多个转子齿122之一以及相邻槽120的发电机100的示意放大端视图。齿122包括一个被成形为与燕尾形楔202互补的切口200。楔202通常在横截面上具有燕尾形状，以及被定位并被构造成在转子108转动时保持转子线圈和蠕动块(在图2中都未示出)基本上固定在适当的位置。切口200包括承受楔202以及转子线圈和蠕动块的离心负荷的一部分的燕尾榫负荷面204。在燕尾榫负荷面204上承受的负荷力随着时间的流逝而趋向于在燕尾榫负荷面204上诱发裂纹206。例如，在运行中，楔202的轴向运动导致两个相邻楔202在对接接头处产生相对运动。随着时间的流逝，这种相对运动导致对燕尾榫负荷面204的磨损，从而限制楔202向外的径向运动。在对接接头处对燕尾榫负荷面204的磨损作用可以在此位置上诱发裂纹。另一种可能在对接接头附近在负荷面上产生裂纹的原因是楔202和发电机磁场之间的电弧。角208限定了燕尾榫负荷面204相对于齿面112的角。
图3是图2中所示的齿122的示意侧视图。齿122包括多个加工在外周112上的沟槽302。沟槽302围绕外周112在圆周上延伸，并延伸穿过齿122和相邻楔202，以使在齿122中的沟槽302与在楔202中的沟槽302基本上对齐(在图3中未示出)。外周112在沟槽302之间的部分被称为槽脊304。
图4是图2中所示的楔202的示意侧视图。楔202通常并不延伸为转子108的整个长度，而是被构造为一系列在槽120内端对端对接的段。同样，楔202可以在对接接头402处对接在一起，或者可以在对接接头404处对接在一起。由磨损引起的裂纹通常出现在对接接头附近。在对接接头与槽脊402的中心重合的情况下，裂纹出现在邻近槽脊中心的对接接头附近。在对接接头与沟槽404的中心重合的情况下，裂纹出现在沟槽中心处的对接接头附近。
图5是可以用于识别和定位燕尾榫负荷面204上的裂纹(在图2中示出)的示例性超声换能器结构的示意侧视图。在一个实施例中，超声换能器502被定位以使换能器502的工作面504通过配合底座506与外周112配合。在示例性实施例中，底座506包括基本上与转子齿122的轮廓匹配的第一表面508。在可替代的实施例中，如果转子108的直径相对较大，则表面508为平面。第二表面510被构造成与工作面504耦接，以使表面510的角影响在齿122(图5中未示出)的超声束的折射角512。表面510相对于表面508的“顶”角514被选择，以使角514导致超声束516被折射为基本上垂直于燕尾榫负荷面204(在图2中示出)。
图6是图5中所示的超声换能器结构的示意3D视图。换能器502包括多个换能器元件602，所述多个换能器元件602被排列为线性阵列，以使通过有选择地激励多个换能器元件602中不同的换能器元件，超声束516沿着在齿122中的相应路径被引导。在换能器502的运行期间，从每个换能器元件602中发射的超声脉冲可以被控制来对每个换能器元件602的发射进行调整和排序。通过对来自在线性相控阵换能器502中连续的元件602的脉冲施加延迟，就产生了在方向604或方向606上沿着燕尾榫负荷面204(在图2中示出)扫描的束。例如，通过对多个换能器元件602的激励进行定时，发射束516朝着齿122的负荷面上的第一点被引导。通过改变与多个换能器元件602相关的激励参数，发射束在轴向方向上沿着齿122的负荷面扫描至第二点。在发射束从第一点扫描至第二点时接收的回波被分析，以确定在齿122内的裂纹指示的存在。
在示例性实施例中，换能器502被安装在底座506上，以使由各个元件602的组合产生的束516被折射为名义上与燕尾榫负荷面204垂直。元件的线性阵列以平行于齿的轴向方向被定向。束516在轴向方向上沿着燕尾榫负荷面204进行扫描。利用这种方法可以检测燕尾榫负荷面204在圆周径向平面上定向的裂纹。束516在轴向方向上进行扫描，以产生从裂纹返回到换能器502以用于检测的最佳反射。方向608是束被折射的方向(在图5中由角512示出)。
在示例性实施例中，底座506被形成一个复合楔形，其中表面510被切成两个角，例如，“楔”角610和“顶”角514。楔角610相对于换能器502的主动轴被切削。楔角610影响沿着励磁齿122的负荷面横向控制的束516在方向604上角的范围。顶角514相对于换能器502的被动轴被切削，并且影响束516射到负荷面204的名义角。角514和610的组合效果确定了束516的轨迹，因为它主要在轴向方向上沿着负荷面204行进。为了在相反的轴向方向上控制束516，楔角610在底座506的相对侧被切削。
图7是图2中所示的齿122的示意侧视图。当对接接头出现在沟槽302的中心处时，为了检测裂纹506，线性相控阵换能器502可以在不同位置被定位。楔对接接头出现在槽脊304的轴向中心或者沟槽302的轴向中心处。在示例性实施例中，楔对接接头被说明为在沟槽302的中心。对接接头的位置是通常由于磨损产生裂纹的地方。在示例性检验方法中，线性相控阵换能器502探头被手工定位在邻近对接接头404处。束516朝着对接接头404进行扫描以检验裂纹的区域。换能器502被用于执行在沟槽302或可替换地在槽脊304定位的检验。另外，在沟槽302或槽脊304的对接接头404的两侧都进行检验。
图8是图2中所示的齿122的示意侧视图。当对接接头出现在槽脊304的中心处时，为了检测裂纹506，线性相控阵换能器502可以在不同位置被定位。楔对接接头出现在槽脊304的轴向中心或者沟槽302的轴向中心处。在示例性实施例中，楔对接接头被说明为在槽脊304的中心。在示例性检验方法中，线性相控阵换能器502探头被手工定位在邻近对接接头402处。束516朝着对接接头402进行扫描以检验裂纹的区域。换能器502被用于执行在沟槽302处或可替换地在槽脊304处定位的检验。另外，在沟槽302或槽脊304的对接接头402的两侧都进行检验。
图9是具有均匀的齿面的示例性齿的示意侧视图。本检验方法适用于各种各样的励磁齿设计。在示例性实施例中，发电机励磁齿设计不包括在齿外表面上的一系列槽脊和沟槽。该示例性实施例包括用于在齿的中心进行冷却的通风槽902。在各种可替换的实施例中，发电机励磁齿设计不包括通风槽902。当齿面基本上均匀时，识别并定位裂纹的检验相对较简单，因为不存在限制可以定位换能器502的位置的沟槽和槽脊。在转子齿的每种结构中，使用了被构造成产生基本上与燕尾榫负荷面204垂直的折射超声束的底座。每当燕尾榫负荷面204从一种齿设计改变为另一种齿设计时，就使用不同的底座506以产生与燕尾榫负荷面204垂直的折射超声束。由于通过底座506和齿122的表面的折射，角514和角904不可能相等。在每个应用中，对于每个底座506的角514可通过使用检验的齿设计的特定角904和超声束516的射束路径的折射率来确定。在示例性实施例中，换能器502被手工定位在外部齿表面112邻近对接接头位置处。束516朝着对接接头进行扫描以检验裂纹的区域。从对接接头位置的两侧都进行检验。
超声检验和测试系统的上述实施例提供了一种用于检验和/或维修设备的节省成本且可靠的手段。更具体而言，超声系统被构造成便于将超声换能器定位在工件例如发电机转子附近，以及便于操作测试和/或检验换能器以识别和定位异常，例如转子齿上的裂纹。结果，在此所述的方法和装置以节省成本和可靠的方式促进了测试。
上面详细描述了超声检验和测试系统的示例性实施例。所述系统不限于这里描述的特定实施例，而是，每种系统的部件可以与这里描述的其他部件被独立地和分开地使用。每个系统部件还可以与其他系统部件结合使用。
虽然已经用各种特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以以在权利要求书的精神和范围内的修改来实施本发明。
    附图标记列表
  100   发电机
  102   绕组
  104   槽
  106   定子铁心
  108   定子铁心
  108   转子
  110   镗孔
  112   外周
  114   内周
  116   气隙
  118   纵轴
  120   槽
  120   励磁槽
  120   相邻槽
  122   齿
  124   磁极
  200   切口
  202   楔
  204   燕尾榫负荷面
  206   裂纹
  208   角
  302   沟槽
  304   槽脊
  402   对接接头
  404   对接接头
  502   换能器
  504   工作面
  506   底座
  508   第一表面
  510   第二表面
  512   折射角
  514   角
  516   发射束
  602   换能器元件
  604   方向
  606   方向
  608   方向
  610   楔角
  902   通风槽
  904   角

Claims (10)

1、一种用于检验发电机转子的检验系统，包括：
相控阵超声换能器(502)，其包括工作面(504)，该工作面包括形成阵列的多个换能器元件(602)，所述元件被构造成以预定顺序进行激励，以在相对于工作面的多个角产生超声能量的发射束(516)，所述元件被构造成通过工作面接收超声回波；以及
换能器楔，其包括被构造成耦接所述换能器的耦接面和被构造成耦接转子(108)的发射面，所述楔被构造成在所述发射面以预定角折射超声发射束，以使该束以基本上垂直于转子的负荷面的角进入部件。
2、根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷面被构造成与转子槽楔耦接。
3、根据权利要求1所述的系统，其中转子(108)包括多个圆周沟槽和位于相邻沟槽(302)之间的相应槽脊(304)，以及其中所述换能器被定尺寸以在加工在转子外周(112)上的沟槽内耦接转子。
4、根据权利要求1所述的系统，其中转子(108)包括多个圆周沟槽和位于相邻沟槽之间的相应槽脊，以及其中所述换能器(502)被定尺寸以在槽脊上耦接转子的外周(112)。
5、根据权利要求1所述的系统，其中所述耦接面和发射面限定了多个角，第一角基于负荷面和发射面之间的角、以及换能器楔材料的超声折射系数进行选择，第二角基于沿着转子(108)的负荷面在基本上轴向方向上控制超声发射束的角范围Δθ进行选择。
6、一种检验发电机转子(108)的方法，包括：
将超声换能器的工作面(504)与基本为楔形的底座(506)耦接，该换能器包括形成阵列的多个换能器元件(602)；
激励多个换能器元件以产生超声发射束(516)；以及
通过底座发射超声束，以使超声束被折射为基本上垂直于转子中的负荷面的角。
7、根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
从转子(108)接收多个回波信号；以及
利用多个回波信号来确定转子中的密度界面。
8、根据权利要求7所述的方法，其中从转子(108)接收多个回波信号包括在多个通道中处理回波信号。
9、根据权利要求6所述的方法，其中激励多个换能器元件(602)包括对每个换能器元件施加独立的激励信号脉冲。
10、根据权利要求6所述的方法，其中激励多个换能器元件(602)包括沿着选择的射线路径在相对于表面法线的角范围Δθ控制超声发射束(516)。
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