УДК 531.781:621.317.7
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ РОТОРОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ
Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, В.И. Цыбулько, Ю.Г. Ефремов
Представлена сущность метода определения параметров крутильных деформаций вала ротора генератора путем мониторинга радиальныгх биений вала в двух сечениях и получения информации путем расчетныгх, технических и программным средств.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
При нестационарных режимах работы турбогенератора, вызванных резким набором и сбросом мощностей, быстрыми переключениями и неправильной синхронизацией в электросети, а также короткими замыканиями, на ротор генератора действует переменный момент, возбуждающий крутильные колебания. При медленном нагружении и в режиме стационарной нагрузки возникают, в основном, деформации скручивания. Внешне крутящие моменты, приложенные к роторам турбины и генератора, определяют угол скручивания валопровода по его длине. Величина крутящего момента при двухфазном коротком замыкании может превышать номинальное значение в четыре и более раз [1, 2]. Имевшие место крупные аварии турбоагрегатов, обусловленные усталостными повреждениями ва-лопровода [3], указывают на необходимость мониторинга их накопления и развития при крутильных деформациях. Актуальность задачи повышается в связи с тем, что подавляющее число турбоагрегатов уже давно отработали назначенный при проектировании ресурс.
Для определения данный о крутильных деформациях используются магнитоэлектрические, оптические, фотооптические методы и средства бесконтактного контроля угловых колебаний вращающегося валопро-вода [4, 5]. Магнитоэлектрические методы и средства бесконтактного контроля крутильных колебаний, основанные на изменении узора магнитной проницаемости поверхностных слоев в сечениях ротора, вызванного механическими напряжениями, не находят широкого применения из-за неоднозначности получаемой информации. Они неприменимы для материалов с малой магнитной проницаемостью, а также неферромагнитных сталей, кото-
рые используются для изготовления роторов агрегатов. Подобные средства слабо защищены от воздействия электромагнитных полей, а также от влияния несанкционированного перемагничивания вала в местах установки датчиков.
Оптические и фотооптические методы и средства для бесконтактного контроля крутильных деформаций требуют установки специальных приспособлений типа зубчатый колес, дисков с прорезями и прочих механических устройств. Точность измерений и надежность контроля ограничена разрешающей способностью применяемых приспособлений и предопределена числом зубьев, прорезей, светоотражающих пластин по окружности вращающегося ротора.
Представляется, что более приемлемым по технологии контроля крутильных деформаций валопро-вода является метод, основанный на использовании сигналов радиальных перемещений шеек роторов [6]. Ранее он не применялся из-за отсутствия необходимых технических и программных средств. Аппаратная обработка радиальных перемещений вала не позволяла с требуемой надежностью и достоверностью получить данные о крутил ьныгх деформациях.
Достигнутый уровень приема и обработки сигналов радиальных колебаний в системах вибромониторинга валопровода позволяет с достаточной надежностью реализовать методику в условиях эксплуатации агрегатов [7, 8]. В системах вибромониторинга первостепенное внимание, наряду с контролем вибрации опор по виброскорости, уделяется бесконтактному контролю вибрации валопровода по перемещениям шеек роторов. Контроль виброперемещений шеек роторов в соответствии с требованиями ГОСТ 27165—96 должен осуществляться, по крайней мере, по двум ортогональным на-
правлениям в двух плоскостях вало-провода.
ПРЕДЛАГАЕМАЯ МЕТОДИКА
Для получения информации о крутилыных деформациях валопро-вода по сигналам его радиалыных перемещений 6 в соответствии с предлагаемым методом [6] необходимо иметы оборотные составля ю-щие этих сигналов в L-х сечениях по ортогоналыным направлениям [ и у
б[ (t) = COS Mi (О,
6\ (t) = $i sin Mi (t), (1)
где Mi (W) = zt + 0L (t); ю — круговая частота вращения вала; 8¡ (t) — фазы оборотной составляющей i-го сечения вала; A¡ — амплитуда оборотной составляющей колебаний вала в L-м сечении.
Оборотные составляющие вала (1) можно выщелиты из си гналов ра-диалыных виброперемещений. Они могут быты получены также и от специалыно заданной эксцентричности или от винтообразной поверхности вала в L-м сечении, в том числе и от поверхности контактных колец генератора.
Изменения внешних крутящих моментов на валу агрегата в процессе эксплуатации вызывают изменения частоты его вращения, проявляющиеся на величине 0¡ (t). При этом относителыные изменения \12(t) для разнесенных вдолы вала сечениях 1 и 2 содержат информацию о крутилыных деформациях
\1,2(t) = 01(t) — 02(t), (2)
где 01(t), 02(t) — мгновенные значения фаз оборотной составляющей в сечениях 1 и 2 соответственно.
Для нахождения значения \12(t) в равенстве (2) необходимо
получить произведения сигналов оборотных составляющих сечений 1
и 2 в виде (^(О 62(0) и
1 2
((/) (/)) и результаты сложить. Полученный сигнал
2(/) = $1$2С08\1?2(/), (3)
содержит информацию о крутильных деформациях вала.
Отметим, что величины \ 2^), определяемые по разности фаз радиальных перемещений вала (01(0 — — 02(0), кроме данных о деформациях скручивания могут нести информацию о фазовых изменениях поперечных (изгибных) колебаний вала. Поэтому значения 01(0 и 02(0 целесообразно определять по сигналам от специально созданной эксцентричности на поверхности вала в контролируемых сечениях 1 и 2.
Исследования [1, 3, 9, 10] показывают, что под воздействием различных изменений и нарушений эксплуатационных режимов в энергосистеме, генераторы испытывают изменения номинального электромагнитного момента. При этом нарушается равновесие между механическим крутящим моментом приводной турбины и электромагнитным моментом генератора и возникают крутильные колебания.
В этом случае \1,2(*) можно представить в виде
\1,2(0 = 2 +
+ + ап) +
п
+ + Рк), (4)
к
1, 2
где \ 1 — постоянная составляю-
1, 2
щая угла скручивания; \ю , ап —
амплитуда и фаза составляющих вынужденных колебаний с частотой юп, кратными частоте сети (п = 1, 2, ...);
\0к2 , Рк — амплитуда и фаза составляющих свободных крутильных колебаний с частотами 0к (к = 1, 2, ...).
Значения равенства (4) можно определить из экспериментально полученного сигнала (3):
\1,2(0 = агссо8( 61; 2(0/$1$2).
Для повышения достоверности сигналов, пропорциональных кру-
тильным деформациям, амплитуды $1 и $2 радиальных биений поверхности вала от задаваемой эксцентричности должны превышать, по крайней мере, на порядок допустимый уровень виброперемещений вала по ГОСТ 27165—96.
Структурная схема возможного варианта мониторинга крутильных деформаций по квадратурам сигналов радиальных биений поверхности вала в сечениях 1 и 2 представлена на рисунке.
Она включает по два бесконтактных датчика ' и в каждом сечении 1 и 2, установленных по ортогональным направлениям [ и ;, и датчик метки 'м, подключенных к соответствующим функциональным преобразователям ФП с устройствами нормирования амплитуд выходных сигналов (0, (0 и сигнала метки ). Эти сигналы через плату АЦП поступают на вход компьютера для обработки и регистрации.
Выявление и регистрация крутильных колебаний требует непрерывного мониторинга биений поверхности вала в контролируемых сечениях и их обработки в текущем масштабе времени. Для этого необходимы соответствующие программно-технические средства приема и обработки больших массивов информации. Выявление и контроль медленно изменяющейся деформации скручивания валопровода могут быть организованы и путем пе-
1, 2
риодического мониторинга \ 1 .
Для этого на холостом ходу турбогенератора при номинальных оборотах перед его нагружением и включением в сеть необходимо зафиксировать начальное значение
Фо2 = Moi — Ф02 сдвига фаз. При достижении установившегося значения заданной нагрузки N опре дел, i' 2
ляется сдвиг фаз mn = Mn i — Mn 2.
Угол скрутки валопровода, вызванный номинальной нагрузкой,
1' 2 1' 2 определяется как \N = MN _
— ф0'2 , а относительная деформа-1 2
ция j = \N /N, где N — нагрузка в
момент измерения. Величина j при наличии только упругих деформаций не зависит от N. После снятия
г 1' 2 1' 2
нагрузки должно быть ф N = Ф о . Если при снятии нагрузки не дости-
1' 2 1' 2 гается ф N = Фо , то имеют место
неупругие остаточные деформации в устройствах соединения валопровода или в роторах. Это может служить соответствующим диагностическим признаком при оценке накопления остаточных неупругих деформаций.
ВЫВОДЫ
Методика оценки параметров крутильных деформаций ротора по измеренным сигналам поперечных перемещений (биений) эксцентричных поверхностей на валу расширя-
Датчики и Системы • № 1.2004
31
ет функциональные возможности системы вибромониторинга.
Контроль деформаций скручивания валопровода можно легко осуществлять по меткам вдоль вала в виде углублений вместо эксцентрика. Минимально на валопроводе должно быть две метки. Для обеспечения контроля деформации скручивания как роторов, так и соединительных муфт необходимы минимально по две метки на каждом роторе. Целесообразен контроль скручивания валопровода турбины и ротора генератора по трем меткам: одной в начале валопровода, второй в конце — перед генератором, третьей — за генератором.
Описанная методика получения информации позволяет доступными программно-техническими средствами организовать контроль накопления усталостных деформаций для диагностирования состояния вало-провода работающего турбоагрегата и повышения надежности его эксплуатации. Соответствующие технические средства предусмотрены, например, в компьютеризированных системах мониторинга и диагности-
ки вибросостояния агрегатов мощностью 300 МВт на Запорожской
ТЭС и Харьковской ТЭЦ -5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Детинко Ф.И. Прочность и колебания электрических машин / Ф.И. Детинко, Г.А. Загородняя, В.М. Фас-товский. Л.: Энергия, 1969. 440 с.
2. Терских В.П. Расчет крутильных колебаний силовых установок. М.: Машгиз, 1953. 110 с.
3. Walker
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.