SE518925C2 - Förfarande för bestämning av bladförskjutning hos turbinaggregat - Google Patents

Description

| n n ; p - :aalh a||»» n nu; 518 925 2 __ Förutom bestämning av bladvinklar eller skovelvinklar är det, på grund av med ti- den uppträdande slitage hos bladlagringarna, av intresse att kunna bestämma slita- gets omfattning, för att därigenom kunna utföra erforderligt underhåll med bibehål- len driftsäkerhet.

Ett sätt att lösa detta med konventionell teknik är att bestämma bladförskjutningen, dvs. höj dläget för varje bladspets relativt löphjulskammares periferi hos en maskin med vertikalt orienterad axel. Problemet är att bladspetsamas förskjutning bl. annat är beroende av själva bladets fjädrande utböjning i lastens riktning under inverkan av vattenlasten. Dessutom är bladförskjutningen beroende av aktuellt glapp i bladets lagring. Svenska patentet 9703118-1 visar en metod av det angivna slaget för de- tektering av glapp i lagringar hos löphjul med vridbara skovlar. Metoden går ut på att glappet i lagringama beräknas med utgångspunkt från ett flertal olika belast- ningsfall för såväl uppåtriktad som nedåtriktad last, med mycket exakt inställning av bladvinkeln mellan varje belastningsfall. För att åstadkomma uppåtiiktad last måste vattentillförseln stängas av. Genom att stänga av vattentillförseln upphör vattenlas- ten och löphjulsskovlama förskjuts i samma riktning endast under inverkan av gra- vitationskraften. Det har meddelats att löphjulet då skulle fortsätta rotera under in- verkan av masskraftema och att skovlama skulle surfa på den i löphjulskammaren stående vattenvolymen och därigenom åstadkomma en gravitationskraften översti- gande uppåtriktad last. I detta fall måste maskindriften kopplas ur, vilket innebär en betydande störning i driften. Bladens utböjning, som är okänd, adderas dessutom till eventuellt glapp.

Syftet med uppfinningen är att åstadkomma ett förbättrat arrangemang av det inled- ningsvis angivna slaget som inte är behäftat med de ovan beskrivna nackdelarna hos konventionell teknik. Detta åstadkommes medelst ett förfarande av detta slag som framgår av de kännetecknande särdragen hos efterföljande patentkrav 1. Fördelakti- ga vidareutvecklingar och förbättringar av uppfinningen framgår av de osj älvständi- ga patentkraven 2-10. u a ~ n a n « co aæßßo ann»- ||;:v 10 15 20 5138 925 F örfarandet kännetecknas företrädesvis av följande steg: a) mätning av tiden mellan de första och andra signalerna för minst en första, andra och tredje specifik, godtycklig anfallsvinkel hos ett turbinblad, b) registrering av dessa variationer hos anfallsvinklama i beroende av olika ef- fektuttag, c) registrering av vinkelhastighet, d) registrering av tidsmåtten för de första, andra och tredje anfallsvinklama som utgångsvärden för beräkning av bladspetskantens resp. läge uttryckt i X- och Y- koordinater för dess skämingspunkter eller ett rotationscentrum hos respektive - turbinblad, e) upprepning av stegsekvensen (a-d) ett godtyckligt antal gånger för att erhålla så- dana värden över bladspetskanternas skärningspunkter som funktion av respektive anfallsvinkel, för att åstadkomma en tangentkurva eller för bestämning av rotations- centrum.

En fördelaktig vidareutveckling kännetecknas av följande steg: f) genomförande av en referensmätning för att åstadkomma en referenstangent- kurva, g) registrering av en tangentkurva på förutbestämda tidsavstånd, h) jämförelse mellan referenstangentkurvan och varje på respektive förutbestämt tidsavstånd registrerad tangentkurva för beräkning av ett differensvärde för sträckan mellan referenstangentkurvan och den på det respektive förutbestämda tidsavståndet registrerade tangentkurvan , och i) utlösning av sensor- eller larmsignal vid överskridande av ett förutbestämbart tröskelvärde hos differensvärdet, vilket tröskelvärde väljs relativt litet för en för- sta larmnivå och relativt stort för en andra laminivå.

Enligt en utföringsfonn ställs det differenströskelvärde som motsvarar den första larmnivån in på ett börvärde för bladförskjutning, vid vilket underhållsåtgärder senast skall vidtagas och det differenströskelvärde som motsvarar den andra larmni- vån ställs in på ett värde för maximalt tillåten bladförskjutning. n o n - o ~ f no ~||». ;;,-u :vann 10 15 20 518 925 4 __ Enligt en ytterligare utföringsforrn utnyttjas ett trianguleringsförfarande för bestäm- ning av bladens rotationscentrum.

Enligt ännu en ytterligare utföringsforrn sker anpassning av den första, andra och tredje anfallsvinkeln till registrerade variationer på 0,5 - l,0° hos anfallsvinklarna.

På ett föredraget sätt har löphjulskammarens givaranordning åtminstone ett första och ett andra sensorelement, vilka är anordnade på ett inbördes avstånd i axelns riktning.

Enligt en fördelaktig variant är det första sensorelementet beläget på en tänkt linje som skär Y-axeln i origo och är parallell med X-axeln och det andra sensorelemen- tet på en tänkt linje som skär Y-axeln på avståndet från origo och är parallell med X-axeln.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsfonn lagras på ett lagringsmedium indike- rade och registrerade värden avseende: tidsavstånd, den första , andra och tredje an- fallsvinkeln, vinkelhastigheten, bladspetskantens resp. läge uttryckt i X- och Y- koordinater för dess skärningspurilder eller ett rotationscentrum hos respektive tur- binblad, och för varje stegsekvens (a-d) erhållna värden över bladspetskantens skär- ningspunkter som funktion av respektive anfallsvinkel.

Enligt ytterligare en fördelaktig variant beräknas tangentkurvan, rotationscentrum och aktuell bladförskjutning medelst härför avsedda algoritmer och enligt en särskilt fördelaktig variant utförs beräkningarna av en processor.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare i det följande med hänvisning till bifo- gade schematiska ritning. Fig. l visar löphjulet till ett konventionellt vattenkraftag- gregat av Kaplan-typ i sin löphjulskammare, fig. 2 visar att varje turbinblad medelst två givare kan tilldelas ett rotationscentrum P' och en anfallsvinkel ot, fig. 3 visar på grund av slitage i turbinbladens lagring samt utböjning av bladen förorsakad änd- n | 1 n | n un :t-vo »:a=> ...rs 10 15 20 518 5925 ring i bladposition (P-P'), fig. 4 åskådliggör ett arrangemang för bestämning av tan- gentkurva S och rotationscentrum P' för ett turbinblad medelst triangulering, fig. 5 visar en detalj av arrangemanget enligt fig. 4 i förstorad skala.

Fig. 1 visar löphjulet 1 till ett konventionellt vattenkraftaggregat av Kaplan-typ i sin löphjulskammare 2. Löphjulet är i detta exempel monterat på en vertikal axel 4, som är utrustad med en markering, t.ex. en reflex eller metallstuds 6, som i sin tur sam- verkar med en sensor 8, varigenom det är möjligt att för varje varv fastställa löp- hjulets 1 rotationsläge i löphjulskammaren 2. Genom att löphjulet 1 har ett känt an- tal turbinblad 10 som är monterade med jämn delning i löphjulets 1 navkropp, är det dessutom möjligt att fastställa rotationsläget för varje blad 10 i löphjulskammaren 2.

I löphjulskammaren 2 är en givaranordning 12 monterad, som indikerar då bladspet- sens kant 14 passerar densamma. På känt vis är det därigenom möjligt att beräkna den sträcka som varje bladspetskant 14 har rört sig längs periferin i löphjulskamma- ren 2.

Vid användning av givaranordningen 12, som har en förutbestämd utsträckning H i axelns 6 riktning, eller om densamma innefattar ett flertal eller åtminstone första 16 och andra 18 sensorelement, som är monterade på ett inbördes avstånd H i axelns 6 riktning, är det även möjligt att bestämma en anfallsvinkel ot för varje blad 10, som framgår av fig. 2. Vidare framgår att för varj e blad 10 kan ett rotationscentrum P tilldelas. F ig. 3 visar på grund av slitage i löphjulsbladens lagring samt utböjning av bladen förorsakad ändring Pdiff av detta rotationscentrum (P-P'). P anger bladposi- tion eller rotationscentrum för ett blad 10 hos ett löphjul 1 som är nytt eller renove- rat till skick som nytt. P' anger bladposition eller rotationscentrum för ett turbinblad 10' som har varit i drift en tid och därför har utsatts för slitage i lagringen. Efter hand som slitaget i lagringen växer ändras positionen över tiden och aktuell distans- skillnad eller bladförskjutning (P-P”) uppnår efier hand ett allt större värde Pm tills maskinen slutligen havererar. Det är således av vital betydelse att förslitningsför- loppet följs upp kontinuerligt och att underhållsåtgärder sätts in i tid så att drifts- stömingar och haverier med åtföljande driftsstopp undviks. »;,»1 10 15 20 '25 »;.>n ».>1- ”fiso 518 925 6 _ Ett arrangemang enligt uppfinningen är därför anordnat att fortlöpande bestämma positionen i Y-led för aktuellt rotationscentrum relativt givaranordningen 12 i löp- hjulskammaren 2. Fig. 4 åskådliggör således ett arrangemang enligt uppfinningen för bestämning av aktuellt rotationscentrum P' för ett turbinblad medelst triangule- ring och fig. 5 visar en detalj av arrangemanget enligt fig. 4 i förstorad skala. Varje gång som ett turbinblad 10 med sin bladspetskant 14 passerar givaranordningens första 16 resp. andra 18 sensorelement erhålles första och andra signaler to resp. tl i form av en första resp. andra koordinat i X-led. I exemplet åskådliggöres en blad- spetskant hos ett blad 10 som t. ex. ställts in med tre olika anfallsvinklar al, al, a, förenklat medelst heldragna räta linjer 0, 1, 2. Det första sensorelementet 16 är be- läget på en första tänkt streckad linje a som skär Y-axeln i origo och är parallell med X-axeln och att det andra sensorelementet 18 är beläget på en andra tänkt streckad linje b som skär Y-axeln på avståndet H från origo och är parallell med X-axeln.

Värdet på avståndet H är beroende av turbinaggregatets storlek och kan ligga nå- gonstans mellan 0,1 - 1 m. Typiskt sett är ett nonnalvärde H=0,3 m lämpligt. Linjen 0 som representerar en relativt stor anfallsvinkel al, kommer då att skära linjen ai punkten X,0 och linjen b i punkten Xbll. På motsvarande sätt kommer linj erna 1 och 2, som i tur och ordning representerar, relativt sett allt mindre anfallsvinklar a; resp. al, att skära linj erna a och b i motsvarande punkter i X-led. För tydlighetens skull har de heldragna linjema 0, 1 och 2 ritats med överdrivet stora avvikelser i anfalls- vinkel. I praktiken rör det sig vanligtvis om små avvikelser i storleksordningen mindre än l°. Som framgår erhålles, om förfarandet upprepas ett antal gånger, ge- nom bladspetskantens 10 = linjen O, 1, 2 etc. ””avrullning”” för olika anfallsvinklar al, az, a3 etc. en förvridningskurva eller tangentkurva 20 för bladspetskanten 10.

Enligt uppfinningen är det således, som framgår av fig. 4 och 5, möjligt att bestäm- ma bladförskjumingen i Y-led med en variant av triangulering, vilket innebär att po- sitionen för varje bladspets i periferiell riktning X uppmäts för ett flertal olika, när- liggande anfallsvinklar a. Utgående från dessa mätvärden är det därpå möjligt att, n c . » ø c ; nu --1-1 >z,-u anta: 10 15 20 n u nu -nu 5187925 med hjälp av en algoritm, teoretiskt bestämma var i rymden som en skärningspunkt (S04, SM, SM) för bladspetskantens lägen 0, 1 och 2 är belägen vid olika anfalls- vinklar. Så länge som anfallsvinklama avviker från varandra med endast små vär- den, t. ex. ot=l2, 12,5, 13° för de olika bladlägena, kan bladens utböjnirig på grund av vattenlasten antas vara konstant och påverkar därför inte mätresultatet. Genom att bestämma två sådana skärningspunkter (S04, SH ), vilket kan åstadkommas med hjälp av tre närliggande anfallsvinklar, är det även möjligt att med triangulering (jfr. likbent triangel), med hjälp av en ytterligare algoritm, också fastställa bladets rota- tionscentrum P. Då enligt exemplet samtliga tre skämingspunkter 80,1, SM, S14 har bestämts kan rotationscentrum P” bestämmas genom att likaså medelst ännu en yt- terligare algoritm beräkna de ortogonala linjema till de heldragna linjema 0, 1 och 2 genom resp. tangeringspunkt med den tidigare beräknade tangentkurvan 20.

Vid eventuell större förändring av anfallsvinklama, t. ex. ot=l2, 18, 24°, kommer däremot den cirkelforrnade tangentkurvan 20 i fig. 4 och 5 att anta formen av en el- lips. just pga. varierande bladutböjning. Inte heller detta vållar något problem efter- som ett lämpligt alternativ i detta fall är att tangentkurvan 20 i stället, med hjälp av en särskild algoritm plottas som funktion av bladets anfallsvinkel ot. Tangentkurvan 20 är lika användbar som rotationscentrum P” för indikering av eventuellt uppträ- dande slitage. Det är då tillräckligt att för varje tillfälle endast jämföra två närlig- gande anfallsvinklar ot åt gången för att kunna bestämma en punkt på tangentkurvan 20.

Tangentkurvan 20 eller rotationscentrum P' kan beräknas manuellt eller automa- tiskt, med hjälp en till turbinaggregatet ansluten processor, som programmeras med erforderliga algoritmer.

Den helt avgörande skillnaden hos uppfinningen i jämförelse med känd teknik är att förfarandet inte kräver att turbinaggregatet inställes på i förhand bestämd anfalls- vinklar ot och att man inte behöver stanna maskinen. I stället kan man under normal drift låta aggregatet reglera effekt och anfallsvinkel ot varefter systemets processor ci|sp 10 l5 20 "25 »no\n »vv-t i= 30 5188 925 Élï* automatiskt beräknar rotationscentrum P' eller tangentkurvan 20. Alternativt kopp- las automatiken ur och aggregatet körs manuellt med ändring av anfallsvinkeln ot inom exempelvis intervallet +-5°. Dessa aspekter är viktiga av såväl tekniska som ekonomiska skäl och att det praktiskt är näst intill omöjligt att återfinna exakt sam- ma anfallsvinkel mellan två mätningar. Dessutom kan inverkan av vattenlasten un- dertryckas, då punkten P' faktiskt inte påverkas av att bladet böjs. Punkten P' utgör ju en tänkt förlängning på den axeltapp som bladet sitter fast i och även om bladets krökning förändras vrids det ändå kring samma centrum.

När det gäller val av givare för bladpassage kan med fördel de inledningsvis enligt känd teknik beskrivna givama användas. Generellt finns dock åtminstone tre ytterli- gare typer av givare kommersiellt tillgängliga på marknaden, som känner av pas- serande metallföremål, t. ex i spalten mellan löphjulskammare och bladspetskant. Även dessa givare år således användbara.

Företrädesvis utförs först en referensmätning för att åstadkomma en referenstan- gentkurva Sæf. Därpå utförs upprepade mätningar med registrering av en tangent- kurva S på förutbestämda tidsavstånd T. Genom att jämföra referenstangentkurvan Sæf med varje, på respektive förutbestämt tidsavstånd T registrerad tangentkurva S är det då möjligt att beräkna ett differensvårde Sdiff för sträckan mellan kurvorna.

Om differensvärdet ökar utöver ett forutbestämt tröskelvärde öS kan en sensor- eller larmsignal utlösas. Tröskelvärdet kan väljas relativt litet, öSl , för en första larmnivå och relativt stort, 582, för en andra larmnivå.

För varj e tangentkurva Smf, S, 20 är det då möjligt att i förekommande fall även be- räkna motsvarande rotationscentrum P' på tidigare beskrivet sätt, liksom ett motsva- rande differensvårde PM för skillnaden i position mellan rotationscentrumerna P och P”. Om detta differensvårde Pdiff likaså ökar utöver ett íörutbestämt tröskelvärde ÖP kan sensor- eller larmsignalerna utlösas för en första larrrmivå då tröskelvärdet har valts relativt litet, öPl och för en andra larmnivå då tröskelvärdet har valts rela- at|ßn :rvuu |..-; vill» 10 15 a. so» 51% 925 tivt stort, öP2. Det är således möjligt att erhålla ett mått på bladförskjuming med hjälp av differensvärdet Sdiff för sträckan mellan kurvoma eller med hjälp av diffe- rensvärdet Pm för positionsskillnaden mellan rotationscentra.

Den bladforskjutning som maximalt kan tillåtas varierar självfallet i beroende av aktuella dimensioner hos löphjulet och dess upplagring liksom materialval. För ett givet löphj ul kan därför det differenströskelvärde öSl som motsvarar den första larnmivån ställas in på ett värde Smax för maximalt tillåten bladförskjutning och det differenströskelvärde 882 som motsvarar den andra larrnnivån på ett börvärde Sbö, for bladíörskjutning, vid vilket underhållsåtgärder senast skall vidtagas.

Genom att kontinuerligt följa upp av differensvärdet SM för sträckan mellan kur- vorna eller differensvärdet Pm för positionsskillnaden mellan rotationscentrumerna är det således möjligt att erhålla information om såväl aktuell forslitriingsgrad hos löphjulet som en gradient hos forslitningen. Detta möjliggör inplanering av under- hållsåtgärder i god tid innan det uppstår skador på maskinen, vilka åtgärder då även kan förläggas till perioder då det kan vara lämpligt att stoppa maskinen.

Claims (1)

1. min; 10 15 20 '25 vi|nz .v-»vfl V ::30 en n.. 518 925 10 _ Patentkrav . Förfarande for bestämning av bladforskjutning hos turbinaggregat med ett på en turbinaxel (4) monterat löphjul (1) med vridbara turbinblad (10), enligt vilket en i anslutning till turbinaxeln (4) anordnad givaranordning (6, 8) avger forsta sig- naler (to) som indikerar axelns rotationsläge och en i löphjulskammaren (2) an- ordnad givaranordning (12; 16, 18) avger andra signaler (tl) som indikerar pas- sage av en bladspetskant (14), varigenom det är möjligt att mäta tiden (to- t,) från rotationslägesindikering till indikering av respektive bladspetspassage, känne- tecknat av följande steg: a) mätning av tiden (to- tl) mellan de första och andra signalerna for minst en forsta (al), andra (az) och tredje (013) specifik, godtycklig anfallsvinkel hos ett turbinblad (10), b) registrering av dessa variationer hos anfallsvinklama (orm) i beroende av olika effektuttag, c) registrering av vinkelhastighet (to), d) registrering av tidsmåtten (to- tl) for de forsta (al), andra (otz) och tredje (ot3) anfallsvinklarna som utgångsvärden for beräkning av bladspetskantens (14) resp. läge uttryckt i X- och Y-koordinater for dess skämingspunkter (S04, SW, SH) eller en rotationscentrum (P, P°) hos respektive turbinblad (10), e) upprepning av stegsekvensen (a-d) ett godtyckligt antal gånger for att erhålla sådana värden över bladspetskantemas skärningspunkter (S) som fimktion av re- spektive anfallsvinkel (ot), for att åstadkomma en tangentkurva (20) eller for be- stämning av rotationscentrum ( P, P”). _ Förfarande for bestämning av bladforskjutning enligt krav 1, kännetecknat av foljande steg: i) genomförande av en referensmätning for att åstadkomma en referenstangent- kurva (Srcaa g) registrering av en tangentkurva (S) på förutbestämda tidsavstånd (T), n - Q - . nu mas» 10 15 20 '25 ».,vn mm» , . I . Û , . 518 925 11 - h) jämförelse mellan referenstangentkurvan (SM) och varje på respektive förut- bestämt tidsavstånd (T) registrerad tangentkurva (S) för beräkning av ett diffe- rensvärde (Sdm) för sträckan mellan referenstangentkurvan (Staf) och den på det respektive förutbestämda tidsavståndet (T) registrerade tangentkurvan (S), och i) utlösning av sensor- eller larrnsignal vid överskridande av ett förutbestämbart tröskelvärde (ÖS) hos differensvärdet (Sdifl), vilket tröskelvärde väljs relativt litet (öSl) för en första larmnivå och relativt stort (5S2) för en andra larnmivå. . F örfarande för bestämning av bladförskjutning enligt krav 2, kännetecknat av att det differenströskelvärde (öSl) som motsvarar den första larmnivån ställs in på ett börvärde (Sw) för bladförskjutning, vid vilket underhållsåtgärder senast skall vidtagas och det differenströskelvärde (582) som motsvarar den andra larmnivån ställs in på ett värde (SM) för maximalt tillåten bladförskjutning. . Förfarande för bestämning av bladförskjutning enligt något av tidigare krav, kännetecknat av att ett trianguleringsförfarande utnyttjas för bestämning av rotationscentrum (P'). . Förfarande för bestämning av bladförskjutning enligt krav 1, kännetecknat av anpassning av den första (al), andra ((12) och tredje (ons) anfallsvinkeln till regi- strerade variationer på 0,5 - l,O° hos anfallsvinklama (am). . Förfarande för bestämning av bladförskjutning enligt något av tidigare krav, kännetecknat av att löphjulskammarens (12) givaranordning har åtminstone ett första (16) och ett andra (18) sensorelement, vilka är anordnade på ett inbördes avstånd (H) i axems (6) riktning (Y-ied). . Förfarande för bestämning av bladförskjutning enligt krav 6, kännetecknat av att det första sensorelementet (16) är beläget på en tänkt linje (a) som skär Y- axeln i origo och är parallell med X-axeln och att det andra sensorelementet (18) »annu 10 15 518 925 12 _ n n un: är beläget på en tänkt linje (b) som skär Y-axeln på avståndet (H) från origo och är parallell med X-axeln. . Förfarande for bestämning av bladforskjuming enligt något av tidigare krav, kännetecknat av att på ett lagringsmedium lagras indikerade och registrerade värden avseende: tidsavstånd (to- tl), den forsta (og), andra (az) och tredje (ot3) anfallsvinkeln, vinkelhastigheten (co), bladspetskantens (14) resp. läge uttryckt i X- och Y-koordinater for dess skärningspunkter(S0_1, S04, S14) eller ett rota- tionscentrum (P”) hos respektive turbinblad (10), och for varje stegsekvens (a-d) erhållna värden över bladspetskantens skärningspunkter (S) som funktion av respektive anfallsvinkel (ot). . Förfarande för bestämning av bladfórskjutriing enligt krav 8, kännetecknat av att tangentkurvan (20), rotationscentrum ( P°) och bladfórskjutning (Sdifg Pm) beräknas medelst härför avsedda algoritmer. 10. Förfarande for bestämning av bladfórskjutning enligt krav 9, kännetecknat av att beräkningarna utförs av en processor.