CZ22502U1

CZ22502U1 - Bezdotykový vibrodiagnostický systém oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami

Info

Publication number: CZ22502U1
Application number: CZ201123913U
Authority: CZ
Inventors: Procházka@Pavel; Vanek@František
Original assignee: Ústav Termomechaniky AV CR, v.v.i.,
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2011-07-21

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká bezdotykového vibrodiagnostického systému pro dlouhodobá měření a monitorování statických a dynamických parametrů rotujících oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami za provozu.

Dosavadní stav techniky

Dosavadní bezdotykové systémy pro měření statických a dynamických parametrů vibrací rotujících součástí strojů jsou určeny pro oběžná kola s volnými lopatkami. V bezdotykových senzorech umístěných na statoru stroje je při průchodu lopatky generován impulzní signál. Z časových charakteristik průběhů impulzních signálů jednoho nebo více bezdotykových senzorů, zpravidla vztažených k referenčnímu signálu fázové referenční značky, jsou vypočteny statické a dynamické charakteristiky výchylek jednotlivých lopatek v obvodovém směru. Měřený systém oběžného kola s volnými lopatkami tento přístup dovoluje, protože v případě volných lopatek lze učinit předpoklad, že převládajícím pohybem lopatek v rotující souřadnicové soustavě oběžného kola jsou ohybové kmity. Za tohoto předpokladu lze pohyby lopatek snímat v obvodovém směru a stanovené obvodové výchylky lopatek přepočítat na výchylky ve směru ohybovém. Ostatní pohyby, např. torzní kmity lopatek, ohybové a torzní kmity hřídele aj. lze vzhledem k velikosti ohybových výchylek lopatek buď zanedbat nebo vhodným uspořádáním měřicího systému eliminovat. (Užitný vzor č. 20762).

Jsou-li konce lopatek spojeny bandáží, zvýší se ohybová tuhost a sníží se amplitudy výchylek jednotlivých lopatek, přičemž současně dojde i k posunu vlastních frekvencí kmitů lopatek směrem k vyšším hodnotám. Výchylky v obvodovém a axiálním směru se co do velikosti přiblíží a díky vazbě lopatek bandáží nelze již jednoduše transformovat obvodové výchylky na axiální. V daném případě je potřeba standardní vibrodiagnostický systém rozšířit o nové funkce a prvky tak, aby byl schopen měřit výchylky jednotlivých segmentů bandáže lopatek jak v obvodovém tak axiálním směru. Segmenty bandáže příslušejí jednotlivým lopatkám nebo skupinám lopatek a dosedají na sebe třecími plochami. Změna permeability prostředí v důsledku přerušení bandáže může být využita pro generování impulzu v bezdotykovém senzoru pracujícím na magnetickém principu. Úzká štěrbina pri vysokých obvodových rychlostech oběžného kola řádově stovky m/s však není zárukou kvalitního a reproduko vatě Iného signálu. Je proto nutné provést i speciální konstrukční úpravu bandáže tak, aby byly vytvořeny značky, jejichž průchod pod bezdotykovými senzory dává signál dostatečné úrovně a kvality.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje bezdotykový vibrodiagnostický systém oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami, 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 je umístěna nejméně jedna referenční značka, jejíž průchod je snímán nejméně jedním referenčním senzorem, přičemž na nejméně jednom segmentu bandáže lopatek je umístěna nejméně jedna referenční značka, jejichž průchod je snímán nejméně jedním bezdotykovým senzorem, přičemž výstupy bezdotykových senzorů a referenčních senzorů jsou vedeny do vyhodnocovací jednotky.

Bezdotykový vibrodiagnostický systém oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami, sestávající z bezdotykových senzorů na statoru, senzoru snímajícího průchod referenční značky a vyhodnocovacího zařízení má na statoru s výhodou umístěn nejméně jeden další bezdotykový senzor, který snímá pohyb bandáže v axiálním směru.

- 1 CZ 22502 Ul

Bezdotykový vibrodiagnostický systém oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami má výhodu v tom, že dokáže snímat a vyhodnocovat pohyb bandáže lopatek ve dvou směrech: obvodovém a axiálním.

Pro snímání pohybu bandáže v obvodovém směru je s výhodou využito značek na jednotlivých segmentech bandáže. Vyhodnocení impulzních signálů bezdotykových senzorů probíhá ve vyhodnocovací jednotce na základě výpočtu časových diferencí průchodů značek v dané otáčce pod daným bezdotykovým senzorem. Značky pro měření obvodových výchylek jsou na bandáži umístěny rovnoběžně s osou rotace oběžného kola, aby výstupní signály bezdotykových senzorů byly citlivé na obvodové výchylky a axiální výchylky nezpůsobily změnu údaje. Toto uspořádání vede ke zjednodušení konstrukce bezdotykových senzorů, které se omezí na snímání času průchodu referenčních značek. Rovněž se zjednoduší kalibrace celého vibrodiagnostického systému, která je při použití těchto referenčních značek na bandáži dána geometrickými rozměry kola, vzájemnou polohou referenčních značek a úhlovou rychlostí rotačního pohybu kola. S výhodou lze tyto značky použít i pro určení čísla lopatky, jestliže je např. jeden segment bandáže označen odlišným počtem značek. Jako referenční značky lze využít např. drážky v bandáži orientované rovnoběžně s osou rotace nebo v případě magneticky citlivých bezdotykových senzorů drážky v bandáži s vloženým materiálem s odlišnou permeabilitou nebo lokální zmagnetování bandáže.

Pro snímání pohybu bandáže v axiálním směru je s výhodou využit další bezdotykový senzor, který snímá průchod značek v bandáži umístěných tak, že výstupní signály tohoto bezdotykového senzoru jsou citlivé jak na obvodové, tak na axiální výchylky. Po eliminaci obvodové složky pohybu bandáže je ve vyhodnocovací jednotce získána axiální složka výchylek. Jako značky lze v tomto případě využít např. drážka v bandáži, která není rovnoběžná s osou rotace nebo v případě magneticky citlivých bezdotykových senzorů vložení materiálu s odlišnou permeabilitou do drážky v bandáži, která není rovnoběžná s osou rotace nebo lokální zmagnetování bandáže pod úhlem, který není rovnoběžný s osou rotace.

Pro měření a vyhodnocení axiálních pohybů bandáže lze s výhodou využít nejméně jednoho dalšího bezdotykového senzoru umístěného na statoru proti hraně bandáže, jehož výstupní analogový signál závislý na axiálním posunu bandáže je přiveden do vyhodnocovací jednotky, kde je vzorkován a digitalizován synchronně s rotací oběžného kola. Vhodnou volbou vzorkovací frekvence je dosaženo získání nejméně jednoho údaje najeden segment bandáže.

Pro měření a vyhodnocení axiálních pohybů bandáže lze s výhodou využít modifikace předchozí verze bezdotykového vibrodiagnostického systému ve formě soustavy dvou bezdotykových senzorů umístěných na statoru proti protilehlým hranám bandáže, zapojeným v diferenčním uspořádání, Rozdíl signálů je vypočten ve vyhodnocovací jednotce analogově před digitalizací. Výhodou tohoto diferenčního uspořádání je potlačení rušivých signálů, vyšší citlivost na axiální výchylku a linearizace převodní charakteristiky senzorů.

Objasnění výkresů

Podstata technického řešení je blíže osvětlena na obr. 1, na němž je znázorněn schematicky příklad uspořádání snímací části systému se čtyřmi bezdotykovými senzory umístěnými na statoru a uspořádanými ve dvou dvojicích pro měření obvodové a axiální složky pohybu bandáže lopatek, a jedním referenčním senzorem, snímajícím průchod referenční značky na hřídeli, Obr. 2 znázorňuje schematický řez měřenou rotující částí stroje bezdotykovým víbrodiagnostickým systémem v nejjednodušším provedení, které je tvořeno jedním bezdotykovým senzorem průchodu značek na bandáži umístěným na statoru a jedním referenčním senzorem průchodu rotorové značky. Na obr. 3 je znázorněn vliv axiální výchylky segmentu bandáže na časový průběh signálů generovaných v bezdotykovém senzoru na statoru. Obr. 4 je provedení bezdotykového vibrodiagnostického systému oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami se třemi bezdotykovými senzory na statoru, jedním referenčním senzorem a jednou referenční značkou. Na obr. 5 je znázorněno uspořádání systému s jedním bezdotykovým senzorem na statoru pro snímání průchodu referenční značky na bandáži a jedním bezdotykovým senzorem na statoru pro snímání axiálního

-2CZ 22502 Ul pohybu hrany bandáže. Obr. 6 zobrazuje provedení systému se dvěma bezdotykovými senzory na statoru pro měření průchodu referenční značky na bandáži a dvěma bezdotykovými senzory na statoru pro snímání axiálního pohybu hran bandáže, které mohou pracovat v diferenčním zapojení.

Příklad uskutečnění technického řešení

Technické řešení bezdotykového vibrodiagnostického systému oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami je uvedeno na obr. 2, který znázorňuje schematický řez měřenou rotující částí stroje s bandážovanými lopatkami 7 bezdotykovým vibrodiagnostickým systémem v nej jednodušším provedení. Pohyb rotujících lopatek 7 s bandáží 8 je snímán pomocí bezdotykoío vého senzoru 1 umístěného na statoru 4 stroje a pohyb fázové referenční značky 5 upevněné na hřídeli rotoru 6 je snímán pomocí referenčního senzoru 2. Signály senzorů I a 2 jsou vedeny do vyhodnocovací jednotky 3, kde jsou zpracovány a vyhodnoceny na základě výpočtu časových diferencí a vybraná data jsou zaznamenána do paměti. Vyhodnocovací jednotka 3 také zajišťuje napájení senzorů I a 2, pokud tyto senzory vyžadují napájení. Detail A zobrazuje příklad prove15 dění bandáže 8, jejíž jednotlivé segmenty se dotýkají hranami 9 a jsou opatřeny rovnoběžnými referenčními značkami 10 segmentů bandáže 8, rovnoběžnými s osou rotace a šikmými referenčními značkami 11, které svírají s osou rotace nenulový úhel a. Tyto značky mohou být realizovány různým způsobem, např. jako drážka v bandáži 8 bez výplně materiálem nebo jako drážka v bandáži 8 vyplněná materiálem s odlišnými elektromagnetickými charakteristikami (permeabili20 ta, permitivita) oproti materiálu bandáže 8 nebo jako značka vyrobená orientovanou lokální magnetizací materiálu bandáže 8. Jako značky JO nebo JT může být využito i hrany 9 bandáže 8, která může být rovnoběžná nebo skloněná pod úhlem a vzhledem k ose rotace oběžného kola.

Ve vyhodnocovací jednotce 3 se měří a vyhodnocují časy fj_k impulzů vygenerovaných v senzoru 1 v okamžiku, kdy k-tá (k - 1, 2, ... n_B) rovnoběžná značka 10 na bandáži 8 lopatek 7 prochází v /-té otáčce pod senzorem I a to postupně po dobu m otáček (j = 1,2, ..., m). Ke každé hodnotě času ťj_k přísluší vztažná hodnota času í_Ojk , která je dána klidovou relativní polohou k-té rovnoběžné referenční značky 10 na bandáži 8 vůči fázové referenční značce 5 na hřídeli. Vztažné hodnoty času jsou vypočteny z času U, průchodu fázové referenční značky 5 kolem referenčního senzoru 2 na základě obvodového rozložení rovnoběžných referenčních značek 10 na bandáží 8.

Výpočet vztažných hodnot času je možno zpřesnit použitím většího počtu referenčních značek 5 rozložených po obvodě hřídele rotoru 6. Tímto způsobem lze eliminovat vliv nerovnoměrnosti otáčení hřídele. Vybuzení obvodových výchylek lopatek 7 s bandáží 8 se projeví jako nenulové diference naměřeného času ř_jk a vypočteného času /_Ojk d íjk - řjk - íojk

Postupným výběrem příslušných prvků ve vyhodnocovací jednotce 3 je získána posloupnost časových diferencí, která popisuje chování daného segmentu bandáže 8 na základě časových diferencí Uté rovnoběžné referenční značky JO

Tato posloupnost je dále transformována na posloupnost výchylek v místě Á-té rovnoběžné refe40 renční značky 10 bandáže 8 lopatek 7 v obvodovém směru

Y_k = 2nf_rR<D_k, k = , kde f_r = ot / 60 je frekvence otáčení rotoru 6, R je poloměr na špičce lopatek 7.

Axiální výchylky bandáže 8 lopatek 7 se na hodnotách časových diferencí rovnoběžných referenčních značek 10 neprojeví. Pro měření a vyhodnocení axiálních výchylek jsou segmenty bandáže 8 opatřeny kromě rovnoběžných referenčních značek 10, rovněž šikmými referenčními

-3CZ 22502 Ul značkami 11. které svírají s osou rotace lopatek 2 oběžného kola nenulový úhel a. Uspořádání referenčních značek 10 a 11 na segmentu bandáže 8 a průběhy signálů senzoru I jsou podrobně znázorněny na obr. 3. Lopatky 7 s bandáží 8 se vůči senzoru 1 pohybují obvodovou rychlostí c = (i)R, kde ω je úhlová rychlost rotačního pohybu a 7? je poloměr na špičce lopatek 7.

V čase //jit je při průchodu rovnoběžné referenční značky 10 na senzoru 1 vygenerován první impulz, v čase Ujk je při průchodu šikmé referenční značky 11 na senzoru 1 vygenerován druhý impulz. Dojde-li k axiálnímu vychýlení bandáže 8 o hodnotu dx, pak v důsledku sklonu šikmé referenční značky 11 vzhledem k ose rotace vyjádřené úhlem a, dojde k časovému posunu průchodu šikmé referenční značky 11 kolem senzoru i a vygenerování druhého impulzu v Čase L?jk’V závislosti na směru axiální výchylky může tento okamžik předcházet nebo být opožděn vzhledem k původnímu času ř_2jk· Časová diference dt příchodu druhého impulzu je stanovena vzhledem k času příchodu prvního impulzu

Axiálnímu posunu dx odpovídá obvodový posun dy, který lze vyjádřit vztahem t/y = tga. dx, odkud se vyhodnotí pro /-tou otáčku axiální vychýlení segmentu bandáže 8 určeného Utou dvojicí značek

Bezdotykový vibrodiagnostický systém oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami na obr. 4 je řešen tak, že pohyb rotujících lopatek 7 s bandáží 8 je snímán třemi bezdotykovými senzory i, umístěnými na statoru 4 stroje v ose bandáže 8. Bezdotykové senzory i snímají průchody rovnoběžných referenčních značek 10 s osou rotace a šikmých referenčních značek JT, které svírají s osou rotace nenulový úhel a. Bezdotykové senzory 1 mohou být po obvodu statoru 4 rozmístěny nerovnoměrně, jak je znázorněno na obr. 4, tak s výhodou rovnoměrně. Větší počet bezdotykových senzorů 1 přináší výhodu zpřesnění měření a eliminace rušivých vlivů a složek pohybu. Rovnoměrné rozložení bezdotykových senzorů 1 po obvodě statoru 4 je výhodné pro frekvenční analýzu měřených dat. Na hřídeli rotoru 6 stroje je připevněna ve znázorněném technickém řešení systému jedna fázová referenční značka 5, jejíž rotace je snímána jedním referenčním senzorem 2. Signály z bezdotykových senzorů 1 na statoru 4 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 diferencí.

Jiný příklad provedení bezdotykového vibrodiagnostického systému oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami 2 je zobrazen na obr. 5, kde v rovině osy bandáže 8 lopatek 2 je umístěn na statoru 4 jeden bezdotykový senzor 1 a v rovině hrany 9 bandáže 8 je umístěn na statoru 4 další bezdotykový senzor 12 hrany 9 bandáže 8, dále je na hřídeli rotoru 6 umístěna jedna fázová referenční značka 5, jejíž průchod je snímán referenčním senzorem 2. Bezdotykový senzor 1 snímá průchody rovnoběžných referenčních značek 10 na bandáží 8, rovnoběžných s osou rotace, jejichž časové údaje jsou měřeny a zpracovány ve vyhodnocovací jednotce 3 a na jejich základě jsou stanoveny obvodové výchylky segmentů bandáže 8 lopatek 2 podobně, jako u příkladu technického řešení systému znázorněného na obr. 2. Axiální výchylka bandáže 8 je stanovena odlišným způsobem, a to pomocí bezdotykového senzoru 12 hrany 9 bandáže 8, který generuje napěťový signál U(dx), jenž je funkcí f_} axiální výchylky bandáže 8 vůči bezdotykovému senzoru 12 hrany 9 bandáže 8

U(dx),_B=f, (dx).

-4CZ 22502 Ul

Výstupní analogový napěťový signál bezdotykového senzoru 12 hrany 9 bandáže 8 je ve vyhodnocovací jednotce 3 vzorkován synchronně s impulzy generovanými bezdotykovým senzorem 1 pri průchodu rovnoběžných referenčních značek JO, Bezdotykový senzor i je s výhodou použit pro měření vzdálenosti bandáže 8 od statoru 4 při korekci závislosti amplitudy výstupního napětí bezdotykového senzoru 12 hrany 9 bandáže 8 na vzdálenosti bandáže 8 od statoru 4, které zajišťuje vyhodnocovací jednotka 3. Tímto způsobem je na základě známé funkční závislosti fi(dx) výstupního napětí bezdotykového senzoru 12 hrany 9 bandáže 8, stanovené kalibrací, vypočtena posloupnost hodnot dx^ pro y-tou otáčku axiální výchylky segmentu bandáže 8 určeného £-tou referenční značkou.

Technické řešení bezdotykového vibrodiagnostického systému oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami 7 je rovněž řešeno na obr. 6, kde je znázorněno blokové schéma zařízení, kde jsou signály ze dvou bezdotykových senzorů 1, dvou bezdotykových senzorů 12 hrany 9 bandáže 8 a referenčního senzoru 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, 12 a 2, pokud tyto senzory vyžadují napájení. V daném technickém řešení jsou s výhodou zpřesnění výpočtu obvodových výchylek použity dva bezdotykové senzory 1 a dva bezdotykové senzory 12 hrany 9 bandáže 8 umístěné v rovině osy bandáže 8 v různých bodech obvodu statoru 4. Ve vyhodnocovací jednotce 3 jsou metodou časových diferencí zpracovány časové údaje průchodu rovnoběžných referenčních značek 10 na jednotlivých segmentech bandáže 8 a na jejich základě jsou vypočteny obvodové výchylky těchto segmentů. Oba bezdotykové senzory 12 hrany 9 bandáže 8 jsou umístěny ve shodném místě obvodu statoru 4, přičemž každý senzor je umístěn v jiné rovině opačné hrany 9 bandáže 8. Tyto senzory jsou zapojeny v diferenčním uspořádání a jejich výstupem je signál

U(t) = U(t)_lm -U(t)_lB2 =f₂ (dx).

Výstupní rozdílový napěťový signál bezdotykových senzorů 12 hrany 9 bandáže 8 je ve vyhodnocovací jednotce 3 vzorkován synchronně s impulzy generovanými jedním z bezdotykových senzorů 1 pri průchodu rovnoběžných referenčních značek W. Bezdotykové senzory 1 jsou s výhodou použity pro měření vzdálenosti bandáže 8 od statoru 4 pri korekci závislosti amplitudy výstupního napětí bezdotykových senzorů J_2 hrany 9 bandáže 8 na vzdálenosti bandáže 8 od statoru 4, které zajišťuje vyhodnocovací jednotka 3. Tímto způsobem je na základě známé funkční závislosti f₂(dx) výstupního napětí bezdotykových senzorů 12 hrany 9 bandáže 8, stanovené kalibrací, vypočtena posloupnost hodnot tZx_]k pro y-tou otáčku axiální výchylky segmentu bandáže 8 určeného /c-tou referenční značkou. Výhodou tohoto diferenčního uspořádání bezdotykových senzorů 12 hrany 9 bandáže 8 je jednoznačné určení výchylky bandáže 8 v axiálním směru, potlačení rušivých signálů, linearizace funkční závislosti f₂ a zvýšení citlivosti výstupního napětí na axiální výchylce bandáže dx.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Bezdotykový vibrodiagnostický systém oběžných kol parních turbín s bandážovanými lopatkami, sestávající z bezdotykových senzorů na statoru, senzorů snímajících průchod referenční značky a vyhodnocovacího zařízení, vyznačující se tím, že na bandáži (8) lopatek (7) je umístěna nejméně jedna rovnoběžná referenční značka (10), rovnoběžná s osou rotace oběžného kola a současně nejméně jedna šikmá referenční značka (11), která svírá s osou rotace oběžného kola nenulový úhel, přičemž na statoru (4) je v rovině osy bandáže (8) umístěn nejméně jeden bezdotykový senzor (1) pro snímání průchodů referenčních značek (10) a (11) a na rotoru (6) je umístěna nejméně jedna fázová referenční značka (5), propojená s nejméně jed-5 CZ 22502 Ul ním referenčním senzorem (2), přičemž výstupy bezdotykových senzorů (1) na statoru (4) a referenčních senzorů (2) jsou propojeny do vyhodnocovací jednotky (3).
2, Bezdotykový vibrodiagnostický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že na statoru (4) je v další nejméně jedné jiné rovině kolmé na hřídel a procházející hranou (9) ban5 dáže (8) s výhodou umístěn nejméně jeden další bezdotykový senzor (12) hrany (9) bandáže (8) snímající axiální výchylku hrany (9) bandáže (8).

6 výkresů io

Seznam vztahových značek:

1 bezdotykový senzor

2 referenční senzor
3 vyhodnocovací jednotka
4 stator
5 fázová referenční značka
6 rotor
7 lopatky
8 bandáž
9 hrany bandáže

9 rovnoběžná referenční značka segmentu bandáže
11 šikmá referenční značka segmentu bandáže
12 bezdotykový senzor hrany bandáže.