CZ20762U1 - Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká bezdotykového vibrodiagnostického systému pro dlouhodobá měření a monitorování statických a dynamických parametrů rotujících součástí za provozu.

Dosavadní stav techniky

Dosavadní bezdotykové systémy pro měření statických a dynamických parametrů vibrací rotujících součástí strojů neumožňují přesné selektivní vyhodnocení jednotlivých složek kmitání z výsledného snímaného pohybu s proměnnou frekvencí rotace. Je to dáno tím, že stávající bezdotykové systémy jsou založeny jen na metodách, kdy strojní součást proběhne dráhu, podél níž je io rozmístěno několik senzorů, z jejichž údajů je vyhodnocena frekvence a amplituda dominantního kmitu sledované rotující Části, ale jen v obvodovém směru. Takové řešení je přijatelné jen pro zcela tuhé rotory, kdy lze složky ohybových a torzních kmitů hřídele stroje zanedbat. U rotorů s vyšší poddajností dávají ohybové a torzní kmity hřídele velké příspěvky k výslednému pohybu na nich upevněných rotujících částí strojů a vyhodnocení měření jsou pak v důsledku toho zatížena velkou chybou.

Dosavadní systémy pro vyhodnocení obvodových výchylek kmitů také neumožňují měření kmitání rotujících částí strojů v jejich přechodových režimech, např. kdy stroj prochází kritickými otáčkami a dochází k vybuzení amplitud vibrací s nejvyššími hodnotami, jak ukazuje patent GB 1147737 1969-04-02. U zde popsaného řešení i dalších stávajících systémů se projevuje nedo20 statek, spočívající v tom, že tyto systémy využívají pro vyhodnocení ohybových kmitů rotujících strojních částí pomocných senzorů snímajících axiálně průchod v blízkosti místa vetknutí sledovaných strojních součástí. Použití těchto axiálních senzorů je možné jen ve specielních případech. Ve skutečných provozních podmínkách, např. v parních turbínách, není zpravidla možné vyvedení vodičů z prostoru vnitřních oběžných kol, rovněž vadí axiální posuny dlouhých hřídelů způso25 bené jejich teplotní dilatací, při nichž axiální senzory v důsledku zvýšené vzdálenosti od strojní části nepracují. Tyto nedostatky pak znemožňují nasazení celého vibrodiagnostického systému.

Při vyhodnocení kmitů na frekvencích shodných s frekvencí rotace a jejími násobky (tzv. synchronní kmitání) mohou být dosavadní systémy použity pouze omezeně, a to za předpokladu nasazení velkého počtu senzoru na statoru, což vede ke zvýšení nákladů a složitosti zařízení.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující Části strojů, sestávající z bezdotykových senzorů na statoru, senzoru snímajícího průchod referenční značky a vyhodnocovacího zařízení, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že na rotoru jsou umístěny nejméně dvě referenční značky, jejichž průchod je snímán nejméně jedním referenčním senzorem, nebo takovým počtem referenčních senzorů, který je shodný s počtem statorových senzorů, přičemž výstupy statorových senzorů a referenčních senzorů jsou vedeny do vyhodnocovací jednotky.

Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů, sestávající z bezdotykových senzorů na statoru, senzorů snímajících průchod referenční značky a vyhodnocovacího zařízení, jehož postata spočívá v tom, že na hřídeli v další nejméně jedné jiné rovině, kolmé na hřídel, než jsou umístěny statorové senzory, je s výhodou umístěna nejméně jedna referenční značka a nejméně jeden referenční senzor.

Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů má výhody v tom, že umožňuje eliminovat složky ohybového a torzního kmitání hřídele, díky čemuž se dosahuje vyšší přesnosti měření parametrů vibrací s ním spojených strojních součástí, např. lopatek turbíny. Dále má toto řešení výhodu v tom, že kombinací vhodného počtu statorových senzorů a počtu senzorů referenčních radiálních rotorových značek je možno nahradit axiální senzory. Ze snímaných impuls-1CZ 20762 Ul nich signálů senzorů referenčních značek se vyhodnotí metodou časových diferencí úhlové zrychlení rotace a torzní kmity hřídele stroje. Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů pak může být nasazen i ve složitých provozních podmínkách, kde jiné systémy nemohou být použity.

Dále má toto řešení výhodu v tom, že dovoluje měřit i v přechodových režimech měnících se otáček a zatížení stroje, kdy jiná řešení nemohou být použita. Systém je vybaven statorovými senzory polohy pro dlouhodobé měření v těžkých provozních podmínkách (100% vlhkost, teplota až 200 °C) s vysokou přesností měření okamžiku průchodu sledované strojní součásti v celém rozsahu obvodových rychlostí od 0 do 700 m/s. Tyto senzory jsou doplněny příslušnými elektroio nickými obvody, které umožňují vyhodnotit axiální, obvodové a radiální výchylky špičky strojní součásti, např. lopatky a také horizontální, vertikální a torzní výchylky rotoru metodami časové a amplitudové diference. Pro vyhodnocení kmitání částí oběžného kola a rotoru a k měření obvodové rychlosti i během jedné otáčky, systém využívá referenčních značek na hřídeli rotoru. Je-li použit větší počet referenčních značek, je možno měřit a vyhodnotit kmitání strojních částí, např.

lopatek a rotoru i v přechodových provozních režimech stroje. K identifikaci kmitů strojních částí na frekvencích shodných s frekvencí rotace a jejími násobky (tzv. synchronní kmitání) se využívá shody časového průběhu výchylek sledované části během dané otáčky s obvodovým rozdělením kmitů všech rotujících strojních částí v téže otáčce v příslušném časovém okamžiku. Výhodou tohoto uspořádání systému je i to, že signál ze senzoru referenční značky může být použit i pro identifikaci pořadí sledovaných rotujících strojních částí.

Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů má výhodu i v tom, že tímto uspořádáním zařízení lze stanovit charakteristiky kmitání jednotlivých strojních částí, např. lopatek i z údaje jednoho statorového senzoru.

Přehled obrázků na výkresech

Podstata technického řešení je blíže osvětlena na obr. 1, na němž je znázorněn schematicky příklad uspořádání snímací části systému s osmi senzory SI až S8 rovnoměrně rozloženými po obvodu statoru stroje, např. turbíny, a jedním referenčním senzorem Rl, snímajícím průchod referenční značky RZI na hřídeli. Obr. 2 je uspořádání snímací Části systému s osmi statorovými senzory SI až S8, jedním referenčním senzorem Rl, a jednou referenční značkou na hřídeli RZI.

Obr. 3 ukazuje schematické uspořádání snímací části systému s osmi statorovými senzory SI až S8, osmi referenčními senzory Rl až R8, a 8 referenčními značkami RZI až RZ8 na hřídeli. Obr. 4 znázorňuje schematický řez měřenou rotující Částí stroje bezdotykovým vibrodiagnostickým systémem v nejjednodušším provedení, obr. 5 je blokové schéma zařízení a obr. 6 je provedení bezdotykového vibrodiagnostíckého systému pro rotující Části strojů s osmi statorovými senzory, osmi referenčními senzory a osmi referenčními značkami. Na obr. 7 je znázorněno uspořádání systému s jednou rovinou statorových senzorů a dvěma rovinami referenčních senzorů.

Příklad provedení technického řešení

Technické řešení bezdotykového vibrodiagnostíckého systému pro rotující části strojů je řešeno na obr. 4, který znázorňuje schematický řez měřenou rotující částí stroje bezdotykovým vibro40 diagnostickým systémem v nejjednodušším provedení. Pohyb rotujících částí stroje (např. lopatek) 7 je snímán pomocí statorového senzoru I a pohyb referenčních značek 5 upevněných na hřídeli 6 je snímán pomocí referenčního senzoru 2.

Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů je na obr. 6 řešen tak, že pohyb rotujících částí, např. lopatek 7, je snímán osmi statorovými senzory I, umístěnými na statoru stroje 4. Na hřídeli 6 stroje je připevněno celkem osm referenčních značek 5, jejichž rotace je snímána osmi referenčními senzory 2. Signály ze statorových senzorů 1 a referenčního senzoru 2 jsou vedeny do vyhodnocovací jednotky 3, ze které jsou zároveň tyto senzory napájeny. Ve vyhodnocovací jednotce 3 je provedeno zpracování signálů metodou Časových a amplitudových diferencí.

-2CZ 20762 Ul

Jiný příklad provedení bezdotykového vibrodiagnostického systém pro rotující části strojů je zobrazen na obr. 7, kde v rovině A jsou umístěny dva statorové senzory i, dále v rovině B jsou na hřídeli 6 umístěny dvě referenční značky 5 a zároveň jeden referenční senzor 2 a v rovině C je umístěna na hřídeli 6 jedna referenční značka 5 a zároveň jeden referenční senzor 2.

Technické řešení bezdotykového vibrodiagnostického systému pro rotující části strojů je rovněž řešeno na obr. 5, kde je znázorněno blokové schéma zařízení, kde jsou signály ze statorových senzorů 1 a referenčních senzorů 2 vedeny do vyhodnocovací jednotky 3. Zde je provedeno vyhodnocení na základě výpočtu časových a amplitudových diferencí a vybraná data jsou zaznamenána do paměti. Vyhodnocovací jednotka 3 také zajišťuje napájení senzorů 1 a 2, pokud tyto senzory vyžadují napájení.

Pro korekci nerovnoměrnosti unáŠivého pohybu hřídele 6 sledují výchylky ohybových a torzních kmitů hřídele 6 další statorové senzory 1 a referenční senzory 2. Příklad snímací části systému s osmi statorovými senzory 1 a osmi referenčními senzory 2 je znázorněn na obr. 1.

Měření se realizuje tak, že v k-té otáčce kola se určí délky časových intervalů kde s_;, =

2xR

0-1) / = 1,2,...8 je obvodová poloha statorového senzoru L «je obvodová rychlost j-té strojní části Lj, ^ílk čas průchodu strojní části Lj kolem /-tého referenčního senzoru 2, čas průchodu referenční značky 5 RZI kolem referenčního senzoru 2 Rl a Rje poloměr obvodu, na kterém jsou rozmístěny statorové senzory I, V daném případě se předpokládá nulové úhlové zrychlení ε = 0 a nulová amplituda torzních kmitů hřídele 6 ψ = 0.

Ze stanovených časových a amplitudových diferencí, z rychlosti otáčení a z rozměru rotoru a strojní části Lj se vypočítá okamžitá poloha rotující Části stroje Lj. Pro vyhodnocení statického průhybu, prodloužení a rozkroucení lopatek 7 a zároveň pro výpočet frekvencí a amplitud ohybových a torzních kmitů rotujících částí (např. lopatek turbín) je nutné měření času provést v dostatečném počtu otáček rotoru.

Pro případ, kdy s = 0, pracuje systém v uspořádání se snímací částí zobrazenou na obr. 2. V daném uspořádání platí pro časové diferencej-té strojní součásti Lj na í-tém statorovém senzoru I v k-té otáčce vztah ^Tik - *oa) a systém pracuje správně i při nenulovém úhlovém zrychlení ε 0 a nulové amplitudě torzních kmitů hřídele ψ = 0.

Obr. 3 ukazuje schematické uspořádání snímací části systému s osmi statorovými senzory SI až

S8, osmi referenčními senzory Rl až R8 a 8 referenčními značkami RZI až RZ8 na hřídeli. Hodnota časové diference j-té strojní součásti Lj na í-tém statorovém senzoru SI až S8 I a í-tém referenčním senzoru Rl až R8 2 v k-té otáčce je určena vztahem = min (<_lt -Z_iM) ^t,Qk je čas průchodu referenční značky RZI až RZ8 5 kolem /-tého referenčního senzoru 2 v k-té otáčce. Výstupem funkce min je minimum z časových diferencí ^t,Ok pro danou strojní Část a všechny referenční značky 5. Systém v tomto uspořádání pracuje správně i při nenulovém úhlovém zrychlení ε * 0 a nenulové amplitudě torzních kmitů hřídele 6 ψ * 0.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů, sestávající z bezdotykových senzorů na statoru, senzorů snímajících průchod referenční značky a vyhodnocovacího zařízení, vyznačující se tím, že na hřídeli (6) jsou umístěny nejméně dvě referenční

   5 značky (5), jejichž rotace je snímána nejméně jedním referenčním senzorem (2), nebo takovým počtem referenčních senzorů (2), který je shodný s počtem statorových senzorů (1), přičemž výstupy statorových senzorů (1) a referenčních senzorů (2) jsou vedeny do vyhodnocovací jednotky (3).
2. 2. Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů, sestávající z bezdotykoio vých senzorů na statoru, senzorů snímajících průchod referenční značky a vyhodnocovacího zařízení, podle nároku 1, vyznačující se tím, že na hřídeli (6) v další nejméně jedné jiné rovině, kolmé na hřídel (6), než jsou umístěny statorové senzory (1), je s výhodou umístěna nejméně jedna referenční značka (5) a nejméně jeden referenční senzor (2).