RU2248081C1 - Method for condition inspection of electrical machine rotor shaft - Google Patents

Method for condition inspection of electrical machine rotor shaft Download PDF

Info

Publication number
RU2248081C1
RU2248081C1 RU2003127450/09A RU2003127450A RU2248081C1 RU 2248081 C1 RU2248081 C1 RU 2248081C1 RU 2003127450/09 A RU2003127450/09 A RU 2003127450/09A RU 2003127450 A RU2003127450 A RU 2003127450A RU 2248081 C1 RU2248081 C1 RU 2248081C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
rotor shaft
shaft
vibration displacement
crack
Prior art date
Application number
RU2003127450/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Ю. Аврух (RU)
В.Ю. Аврух
Original Assignee
Аврух Владимир Юрьевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Аврух Владимир Юрьевич filed Critical Аврух Владимир Юрьевич
Priority to RU2003127450/09A priority Critical patent/RU2248081C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2248081C1 publication Critical patent/RU2248081C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering, electromechanical engineering technology, in-service diagnostics, serviceability check of turbogenerator rotor shafts.
SUBSTANCE: proposed method for diagnosing condition of electrical machine rotor shaft depending on comparison of curves showing vibratory displacement S of rotor shaft (bearing) as function of rotor speed n for flaw-free rotor shaft [S = f(n)] with similar curves of rotor under inspection for speeds from starting moment of electrical machine to full critical speed of first order and close to this speed gained by rotor. Transversal crack formed in rotor shaft in the process is detected by greater slope of (S = f(n) curve, other conditions being equal. Diagnosing by using this method can be conducted both in the course of machine starting and stopping.
EFFECT: ability of preventing turbogenerator rotor shaft destruction in the course of operation.
6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технологии электромашиностроения, диагностике электрических машин в процессе их эксплуатации, в частности к контролю целостности валов роторов турбогенераторов.The invention relates to the technology of electrical engineering, the diagnosis of electrical machines during their operation, in particular to the integrity control of the rotor shafts of turbine generators.

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.A known method for diagnosing the condition of the rotor shafts of electric machines, for example, synchronous compensators [1], in which the technical condition of the rotor is evaluated based on the results of vibration studies of a working electric machine at a nominal speed, while varying its electromagnetic load by comparing vibration displacements (s) and vibration phase (φ) thrust bearings with the corresponding indicators obtained empirically in the previous time. This method, allowing to evaluate the general vibrational state of the rotor and to identify deviations, mainly related to its electromagnetic and thermal state, does not make it possible to timely identify diagnostic parameters characterizing violation of the integrity of the rotor shaft from these vibration measurements, especially for flexible rotors of turbogenerators with nominal rotation speed (n) is close to the 2nd critical.

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.The closest analogue to the prototype of the invention is a method for vibration diagnostics of the state of the rotor of an electric machine based on the analysis of the vibration curve at a variable speed s = f (n) [2]. The basis of this method for diagnosing the state of a turbogenerator rotor is the provision that the vibration displacement of the rotor shaft is proportional to the perturbing force (F), and the latter, in the presence of an unbalanced rotor of an electric machine, is determined from the known relation: F = m · r · ω 2 , where m is the unbalanced mass , r is the radius of application of the center of gravity of the unbalanced mass, ω is the angular velocity of rotation of the rotor.

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.Taking into account that the vibration displacement of the rotor shaft under the influence of imbalance varies proportionally to the square of the angular velocity (rotational speed) of the rotor in the considered method, any deviation from the parabolic dependence s = f (n) is diagnosed as a malfunction excluding rotor unbalance. The disadvantage of this diagnostic method is that it does not detail the signs characterizing the defects of the rotor shaft of an electric machine, which appear, for example, when a transverse crack is formed, the influence of which on the change in vibration displacement of the rotor shaft during an increase in the rotational speed is also proportional to the square of the angular velocity of the rotor.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является диагностика состояния целостности валов роторов турбогенераторов в процессе эксплуатации для предупреждения их разрушения.The technical result to which this invention is directed is to diagnose the state of the integrity of the shafts of the rotors of turbogenerators during operation to prevent their destruction.

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:Figure 1 schematically shows the rotor of a turbogenerator with a barrel 1 in the central part, end parts 2, retaining members 3, supported by bearings 4, and a graphical representation of its dynamic deflection when measuring vibrations in the vertical and transverse directions under the influence of unbalance forces and the influence of the rotor mass . In this case, the following designations of the parameters of the oscillations of the shaft:

S1 - динамический прогиб ротора турбогенератора при 1-ой форме неуравновешенности;S 1 - dynamic deflection of the rotor of the turbogenerator with the first form of imbalance;

S I 2 , S II 2 , S III 2 , S IV 2 - 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);S I 2 , S II 2 , S III 2 , S IV 2 - dynamic deflection of the rotor under the influence of the weight of the rotor, respectively, with the position I, II, III and IV of the cross section (AA) of the rotor shaft with a crack (figure 2);

L1 и L2 - расстояние от поперечной оси опорного подшипника соответственно до торцевой части и середины бочки ротора турбогенератора;L 1 and L 2 - the distance from the transverse axis of the support bearing, respectively, to the end part and the middle of the barrel of the rotor of the turbogenerator;

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).Figure 2 shows the position of the cross-section AA of the rotor with a crack in 4 positions fixed during rotation, with: maximum crack opening (I), no crack opening (II, IV), partial crushing of the peripheral zone of the crack (III )

υ - смещение центра массы вала ротора в вертикальном направлении от оси вращения вала.υ is the displacement of the center of mass of the rotor shaft in the vertical direction from the axis of rotation of the shaft.

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:Figure 3 shows the dependence of the vibration displacement (s) and the phase of the vibration displacement (φ) on the rotational speed of the rotor; s = f (n) and φ = f (n) and the following notation is accepted:

s, φ , n - соответственно вибросмещение, фаза и частота вращения ротора;s, φ, n - respectively, the vibration displacement, phase and rotor speed;

s1, s2, - вибросмещение вала ротора (подшипников) турбогенератора соответственно для неуравновешенности ротора первого рода (небаланс) и от воздействия массы ротора:s 1 , s 2 , is the vibration displacement of the rotor shaft (bearings) of the turbogenerator, respectively, for the imbalance of the rotor of the first kind (unbalance) and from the influence of the mass of the rotor:

s3 - суммарное максимальное вибросмещение в вертикальном направлении при совпадении фаз вибросмещения s1 и s2;s 3 - the total maximum vibration displacement in the vertical direction when the phases of vibration displacement s 1 and s 2 coincide;

φ I 2 , φ II 2 , φ III 2 - зависимость фаз вибросмещения вала ротора (подшипников) турбогенератора соответственно по мере раскрытия трещины в валу ротора, градус.φ I 2 , φ II 2 , φ III 2 - the dependence of the phases of the vibration displacement of the rotor shaft (bearings) of the turbogenerator, respectively, as the crack in the rotor shaft opens, degrees.

n 1 1 - 1-я критическая частота вращения ротора первого рода.n one one - 1st critical rotor speed of the first kind.

n 1 2 - тоже второго рода.n one 2 - also of the second kind.

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.In the practice of manufacturing and operating turbine generators in diagnosing the technical condition of rotors by methods of vibration diagnostics, measurements of vibration displacement (vibration velocity) and phase of vibration displacement are made using commonly available instruments, the stationary types of which are equipped with most large turbogenerators. In this case, the vibration of the rotor shaft is measured in the vertical and transverse directions, and that of the thrust bearings also in the axial direction, which are the result, for example, of an imbalance of the rotors causing a dynamic deflection S 1 shown in FIG. 1. It should be noted that the maximum deflection of the shaft and, accordingly, the magnitude of the vibration displacement of the bearings in the transverse and vertical directions vary in proportion to the magnitude of the imbalance and the square of the rotational speed, differing from each other only due to the different stiffness (compliance) of the bearings and the oil layer between the bearing and the rotor shaft, respectively, in the vertical and transverse directions.

На Фиг.1 прогибы (S1) для фиксированной частоты вращения ротора изображены в поперечном и вертикальном направлениях одинаковыми для случая равнокруговой жесткости подшипника.In Fig. 1, the deflections (S 1 ) for a fixed rotor speed are shown in the transverse and vertical directions the same for the case of equal-circular stiffness of the bearing.

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.Diagnostics is also practiced with measuring the vibration displacement of the rotor shaft and bearings of the turbogenerator as a function of the rotor speed s = f (n) with the determination of the region of occurrence and the values of vibration displacement of the first and second critical rotation frequencies of the first kind s 1 (Figure 3). However, the diagnosis of a violation of the integrity of the rotor shaft and the fact of the appearance of a crack is determined only by the increase in vibration, including spasmodic bearings, as a rule, during operation of turbine generators at a nominal speed of rotation along with the manifestation of any other less significant defects of the rotor, leading to a deterioration in its vibration condition. It should be noted that for most modern turbogenerators with flexible rotors, the appearance of a crack in the end parts does not actually lead to a noticeable increase in the vibration of the bearings, since a crack causes a deflection of the shaft of the first form. which, as a rule, does not excite oscillations of bearings since at a working frequency of rotation close to the second critical, they work in the zone of insensitivity to oscillations of the rotor in the first form.

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.The essence of the proposed method for diagnosing the state of the rotor shaft is to fix vibration signs characteristic of the development of cracks in the rotor shaft in magnitude, phase and direction of vibration displacement, due to the dependence of vibration mixing and the phase of vibration of the rotor shaft and bearings on the rotor speed, as well as the boundaries of the rotor speed, within which the most significant change in rotor vibration occurs, associated with the appearance of a transverse crack.

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:Two types of oscillatory processes of rotors are known that occur during the operation of electric machines and are caused by the action of forces, the value of which increases in proportion to the change in the square of the rotational speed of the rotor shaft:

- 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.- the oscillatory process of the rotor of the first kind is spatial, associated with the rotor imbalance, which during rotation causes its dynamic deflection, which, under certain assumptions, has a sinusoidal shape in the form of a half-wave of a sinusoid (1st form of unbalance), a full period of a sinusoid (2nd form of imbalance) etc.

- 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.- the oscillatory process of the rotor of the second kind - occurs in a vertical plane along the longitudinal axis of the rotor and is associated with the influence of the mass of the rotor on the shaft line in the presence of asymmetry of any cross section of the rotor, and the prevailing pitch of the deflection of the rotor is a half-period of a sinusoid.

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.)If we take into account that during the oscillatory process of the first kind, only constant bending stresses appear in the rotor shaft, and during the oscillatory process of the second roll, the most dangerous alternating bending stresses cause transverse cracks, as well as the fact that the formation of cracks in the shaft leads to its asymmetry cross-section, it becomes reasonable to use in the diagnosis of the state of the rotor shaft of an electric machine signs characteristic of the oscillatory process of the second kind, the proposed in the invention, distinguishing them from signs of vibration diagnostics, characteristic of other types of rotor defects, affecting the vibrational state of the machine (mechanical, thermal, and other types of imbalance, defects of coupling halves, bearings, etc.)

Колебательному процессу ротору турбогенератора 2-го рода свойственны некоторые особенности.The oscillatory process of the rotor of the turbogenerator of the 2nd kind is characterized by some features.

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)The mass distribution of the rotor along its longitudinal axis is uneven. Most of the mass is concentrated in the middle part (barrel) of the rotor, especially for turbogenerator rotors, the retaining nodes of which 2 (Figure 1) are cantilevered, and the ratio L 1 / L 2 (Figure 1) is near 0.5. For such rotors, the influence of the rotor mass as the factor causing the second-order oscillatory process with the highest value of the static deflection of the shaft, causing increased alternating bending stresses and creating the prerequisites for the appearance of cracks in the shaft and the appearance of the dynamic components of the shaft deflection in the second-kind oscillatory process with by moving the center of mass of the rotor in a vertical plane by υ (Figure 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.It is known that the formation of cracks in the rotor shaft, as a rule, is a long process, which can last several months, and its growth rate depends both on the design features of the rotor and on operating conditions, for example, the frequency of starts and stops. Examination of the rotor shafts at the fracture site shows at least the presence of a fatigue crack and a peripheral grinding zone of adjacent adjacent shaft sections, which, as a rule, accounts for about 30% of the total crack area. As the position of the cross section of the shaft with the crack changes during the rotation of the rotor (Figure 2), the moments of inertia of the cross section of the shaft with the crack change. So the smallest moment of inertia of the shaft cross section takes place in position I, when the crack opens under the influence of the rotor mass in the lower position. The moment of inertia of the cross section of the rotor shaft with a crack in positions II, III and IV is much larger due to the fact that position II and IV, the transverse axis, relative to which the moment of inertia is calculated, are located in the same way as the undamaged shaft, and in position III are in contact the flap flaps in the upper position objectively prevent a decrease in the moment of inertia of the cross section of the shaft with the crack.

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.Figure 1 shows the curves of the dynamic deflection of the rotor shaft of the second kind for all 4 positions of the cross sections of the shaft with a crack during rotation of the rotor. If we take as an option the case when the moment of inertia of the cross sections of the rotor shaft in position III is less than or close to the moments of inertia of the cross section of the shaft with a crack in positions II and IV, then in the process of rotation of the rotor shaft with a crack in the shaft an oscillatory process of the second kind occurs with a reverse the frequency determined by the difference in moments of inertia of the cross section of the shaft with a crack in positions I and II. In another case, when the moment of inertia of the rotor shaft in position III is significantly greater than the moment of inertia when the rotor shaft is cracked (II and IV), when the rotor rotates in addition to the second-order oscillatory process with a reverse frequency of rotation, a second-kind oscillatory process can be detected with double reverse frequent.

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.If we compare the previously mentioned dependences S = f (n) in the analysis of vibrational processes of the first and second kinds that occur with the rotor of a turbogenerator, which has a transverse crack in the shaft and a defect-free rotor, and determine the magnitude of the perturbing forces acting on the rotor, then with increasing frequency rotation from zero to the first critical first kind for a rotor with a crack in the shaft, the dependence S = f (n) passes much steeper (large values of vibration displacement) at the same values of rotation frequency) than for the same Specifications for defect-free rotor shaft.

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 (mн) и радиусу ее центра тяжести (r) для колебательного процесса ротора первого рода и соответственно массе ротора (mрот) и изменению его центра тяжести υ (фиг.2) при колебательном процессе ротора второго рода.Forces (F) causing oscillations of the rotor of the first and second kind are described by the dependence F = m · r · ω 2 , i.e. the forces causing rotor vibrations for the same rotational speed are proportional to the unbalanced mass (m n ) and the radius of its center of gravity (r) for the oscillatory process of the rotor of the first kind and, accordingly, the mass of the rotor (m mouth ) and a change in its center of gravity υ (figure 2) with the oscillatory process of the rotor of the second kind.

Если учесть, что mрот· 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.If we take into account that m mouth · υ >> m n · r even with the initial occurrence of a transverse crack, as well as the fact that the magnitude of the acceleration in the oscillatory process of the second kind is higher than in the oscillatory process of the first kind for the same values of the rotor speed, then it becomes justified when ascertaining the formation of a transverse crack in the rotor shaft the use of a diagnostic sign of a more intensive increase in the vibration displacement of the shaft (bearings) with increasing rotor speed.

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).Therefore, in order to early identify transverse cracks in the rotor shaft, the dependences S = f (n) and φ = f (n) should be analyzed for the rotational speed from the moment the electric machine starts up until the rotor reaches the first critical rotational speed of the first kind and near it, and diagnose the appearance of a transverse crack in the rotor shaft, ceteris paribus, at the greater steepness of the dependence 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.Another diagnostic feature, which indicates the formation and development of a transverse crack in a flexible rotor, which at nominal conditions works near the 2nd critical speed, can be obtained based on the analysis of the dependence S = f (n), which, after the rotor exceeds the 1st critical the rotational speed tends to decrease as the second form rotor prevails in the vibrations. This tendency with an increase in the rotational speed from the first critical rotational speed to the nominal rotational speed is determined by the approximation of the oscillatory process of the bearings to the dead zone of rotor vibrations in the first form.

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.Due to the fact that the oscillatory process of the rotor of the second kind is planar in nature, and this plane is oriented vertically in the direction of the perturbing force of the weight of the rotor, to diagnostic signs indicating the appearance of transverse cracks in the rotor shaft, one can also judge by the increase in the steepness of the dependence S = f (n), which is most intensively manifested in the vertical direction of vibration displacement of the rotor shaft, vertical and axial directions of vibration displacement of the bearings and practically does not appear in the transverse pressure ION vibrosmescheniya rotor shaft and bearings.

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.From calculations of the critical rotation frequency of the oscillations of the shafts of rotors of the second kind with mass distributed along their length and various moments of inertia in at least one cross section of the shaft, it is known that each point located on the axis of the shaft moves along a circle of radius and with a double angular velocity, and the center the circle is shifted vertically by the amount of static deflection of the rotor. For close values of the moments of inertia in the mutually perpendicular axes of the cross section of the rotor shaft, the critical rotational speed of the rotor of the second kind is close to half the critical frequency of rotation of the first kind. Moreover, the phase of vibration displacement in the process of overcoming the rotor of the 1st critical rotation frequency of the second kind changes by 180 degrees. Considering that the oscillations of the rotor of the second kind are planar in nature (the vertical plane along the longitudinal axis of the rotor), while the oscillations of the rotor of the first kind from the influence of imbalance are spatial, and the measured vibration displacements are total values from the influence of the mass of the rotor and its imbalance, depending on the ratio of these forces and the phase of vibration displacement of an unbalance, which does not change at a critical number of revolutions, the total measured phase of vibration displacement becomes less than 180 degrees in. Therefore, the appearance of a transverse crack in the rotor shaft can also be judged by the intensive increase in the vibration displacement of the rotor shaft (bearings) at the first critical rotor speed of the second kind (near or below half the value of the first critical rotor speed of the first kind), and the change in the vibration displacement phase φ from insignificant in the initial stage of its development to 160-180 degrees at the final stage of crack development.

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.If we take into account the fact that a defect-free rotor of a turbogenerator with a certain degree of imbalance in the process of increasing the rotational speed during the passage of the first critical rotational speed changes the vibration displacement phase by 180 degrees, then the appearance of a transverse crack in the rotor shaft can be judged by the decrease in the magnitude of the phase displacement φ (from 180 degrees for a defect-free rotor) when the rotor overcomes the 1st critical rotation frequency of the first kind, and this decrease in the phase shift is determined by a change in the ratio influence of the unbalance forces of the rotor and the forces of the impact of the mass of the rotor.

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.If we take into account that during the oscillatory process of the rotor of the second kind, before the first critical frequency of rotation is reached, the vibration displacement phase has zero values with respect to the vibration displacement vector, then the area of the crack that appears in the rotor shaft and the zone of its maximum opening can be determined relative to the zero phase mark fixed on the rotor vibration displacement φ, measured in the region of the rotational speed of the rotor shaft to the 1st rotation frequency of the second kind.

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.When diagnosing the condition of the rotor shafts of electric machines by the proposed method, it is possible to use both individual diagnostic signs of cracks in the shaft and a set of diagnostic signs set forth in 6 claims, which will increase the reliability of the diagnosis of the condition of the rotor shaft, because the presence of any of the signs confirms the formation of cracks and the degree of its development, and the absence of any of the signs can only indicate a failure of the development of the crack and an unfavorable ratio of the oscillatory processes of the first and second genera.

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.Diagnosis of the state of the rotor shafts by the features of the claims can be carried out both during the start-up of the electric machine and in the process of stopping it. Preference should be given to diagnosing the condition of the shafts of an electric machine when starting it from a cold state, because In this case, distortions of the dependences s = f (n) and φ = f (n) related to variable instability during thermal instability of the rotor barrel and winding, displacement of retaining rings, etc., will be excluded.

Источники информацииSources of information

1. Аврух В.Ю. О некоторых причинах повышенной вибрации синхронных компенсаторов, "Электрические станции", 1960 г., №1.1. Avrukh V.Yu. About some reasons for the increased vibration of synchronous compensators, "Electric Stations", 1960, No. 1.

2. Самойлов В.А. Вибрации агрегатов электростанций и балансировка роторов. - М., Госэнергоиздат, 1949 г., 160 стр.2. Samoilov V.A. Power unit vibration and rotor balancing. - M., Gosenergoizdat, 1949, 160 pp.

Claims (6)

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.1. A method for diagnosing the condition of the rotor shaft of an electric machine containing a rotor barrel with end parts, retaining parts and bearings, including the detection of a rotor defect by comparing the experimentally determined dependence of the vibration displacement (S) of the rotor shaft (bearings) as a function of speed (n) [S = f (n)] for a rotor that did not have a defect with the same dependence of the diagnosed rotor, characterized in that the dependence S = f (n) of the diagnosed rotor is analyzed for the values of its rotational speed from the moment of starting electrically machines until the rotor reaches the first critical frequency of rotation of the first kind and near it and, at the same time, the formation of a transverse crack in the rotor shaft is diagnosed, ceteris paribus, at the greater steepness of the dependence S = f (n) of the diagnosed rotor after the occurrence of a defect compared to that the same characteristic of a rotor that did not have a defect. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that the formation and development of a transverse crack in a flexible rotor, which at nominal mode operates near the second critical speed, is diagnosed by the form of the dependence S = f (n), which in the presence of a crack after exceeding the rotor the first critical rotational speed tends to decrease as the prevailing oscillations in the rotor in the second form. 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.3. The method according to claim 1, characterized in that the formation of a transverse crack in the rotor shaft, determined by the greater steepness of the dependence S = f (n) of the diagnosed rotor in comparison with the same characteristic of the rotor that did not have a defect, is diagnosed by a greater intensity of vibration displacement rotor shaft in the vertical direction and vibration displacement of the bearings in the vertical and axial directions. 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.4. The method according to any one of claims 1 and 3, characterized in that it further analyzes the dependence of the vibration displacement phase (φ) as a function of rotor speed (n) [φ = f (n)], and the formation of a transverse crack in the rotor shaft according to the intensive growth of the vibration displacement of the rotor shaft (bearings) at the first critical frequency of rotation of the second kind near or below half the value of the first critical frequency of rotation of the first kind, while the phase of vibration displacement φ can vary from insignificant in the initial stage of crack development to 160-180 degrees and the final stage of its development. 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.5. The method according to any one of claims 1 and 3, characterized in that it further analyzes the dependence of the vibration displacement phase (φ) as a function of rotor speed (n) [φ = f (n)], and the formation of a transverse crack in the rotor shaft to reduce the magnitude of the phase shift of the vibration displacement φ of the diagnosed rotor when the rotor passes the first critical frequency of rotation of the first kind, and this decrease in the magnitude of the phase shift from 180 degrees for a defect-free rotor is determined by a change in the ratio of the influence of the unbalance forces of the rotor and the force of sy rotor. 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.6. The method according to any one of claims 1, 3 and 4, characterized in that the region of location of the crack in the rotor shaft and the zone of its maximum opening are determined relative to the zero mark fixed on the rotor by the vibration displacement phase φ measured in the region of the rotational speed (n) rotor shaft from the moment of start up to the first critical speed of the second kind.
RU2003127450/09A 2003-09-11 2003-09-11 Method for condition inspection of electrical machine rotor shaft RU2248081C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003127450/09A RU2248081C1 (en) 2003-09-11 2003-09-11 Method for condition inspection of electrical machine rotor shaft

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003127450/09A RU2248081C1 (en) 2003-09-11 2003-09-11 Method for condition inspection of electrical machine rotor shaft

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2248081C1 true RU2248081C1 (en) 2005-03-10

Family

ID=35364723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003127450/09A RU2248081C1 (en) 2003-09-11 2003-09-11 Method for condition inspection of electrical machine rotor shaft

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2248081C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2460053C1 (en) * 2011-04-13 2012-08-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Method of rolling bearing lubrication fault vibration monitoring

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
АВРУХ В.Ю., О некоторых причинах повышенной вибрации синхронных компенсаторов, "Электрические станции", 1960, №1. *
САМОЙЛОВ В.А., Вибрации агрегатов электростанций и балансировка роторов, Москва, Госэнергоиздат, 1949, с.56. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2460053C1 (en) * 2011-04-13 2012-08-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Method of rolling bearing lubrication fault vibration monitoring

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wachel et al. Analysis of torsional vibrations in rotating machinery.
O’Lmasov Ahadjon Akramjon New approaches in the diagnosis and monitoring of rotor oscillations using shaft sensors
US6789422B1 (en) Method and system for balancing a rotating machinery operating at resonance
Bentlhy et al. Detection of rotor cracks
Chatterton et al. Analysis of the periodic breathing of a transverse annular crack propagated in a real rotating machine
RU2248081C1 (en) Method for condition inspection of electrical machine rotor shaft
Shreve Introduction to vibration technology
Herz et al. Vibrations of Power Plant Machines
Chao et al. Non-Destructive Testing and Diagnostic of Rotating Machinery Faults in Petrochemical Processing Plant
Jesse et al. Motor shaft misalignment bearing load analysis
CN115329254A (en) Method for evaluating influence of vertical condensate pump axial line inclination on vibration
RU2253177C1 (en) Method and device for diagnosing stressed state of large electrical machine rotor shafts in power units
JPH09170403A (en) Monitoring device for rotary machine
Cai et al. Strategy and Technique of High Efficiency Balancing in Field for Turbo-Generator Units with Large Capacity
Chatterton et al. On the Effects of a Shaft Crack Propagation on the Dynamic Behavior of a Steam Turbine
Vania et al. Effects of the shaft normal modes on the model-based identification of unbalances in rotating machines
Vania et al. Analysis of non-linear effects in oil-film Journal bearings
Endres Identification of Abnormal Rotor Dynamic Stiffness Using Measured Vibration Information and Analytical Modeling
Thomas Vibration Identification in Rotating Equipment
Mialkowski et al. Pump Tut-WHY MACHINES FAIL TO FOLLOW TEXTBOOK STATED RULES, AS ILLUSTRATED BY SHAFT CRACK AND ROTOR SELF EXCITED VIBRATION CASES IN CRITICAL MACHINERY
Barzdaitis et al. Dynamics of a mechatronic system with flexible vertical rotor
Popaleny et al. Steam turbine rotor crack
MAGRAOUI et al. PREDICTIVE VIBRATIONAL DIAGNOSTICS OF ROTATING MACHINES VENTILATOR ATOMISER APPLICATION
Pennacchi et al. Shaft crack detection in a steam turbine: experimental evidences and model-based simulations
Poduval Implementation of Predictive Maintenance and Dynamic Analysis in Paper Industries

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Effective date: 20071017

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090912