CZ25935U1 - Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů s korekcí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká bezdotykového vibrodiagnostického systému pro rotující části strojů s korekcí měřením pohybu v referenčních bodech rotačního stroje. Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů s korekcí je určen pro dlouhodobá provozní měření a monitorování statických a dynamických parametrů rotujících strojních součástí, např. lopatek parních turbín, v uspořádání, které dovoluje s vyšší přesností eliminovat a korigovat aditivní chyby měření způsobené nerovnoměrnou rotací stroje a torzními a ohybovými kmity hřídele a disku.

Dosavadní stav techniky

Dosavadní bezdotykové systémy pro měření statických a dynamických parametrů vibrací rotujících součástí strojů neumožňují přesné selektivní vyhodnocení jednotlivých složek kmitání z výsledného snímaného pohybu strojních součástí otáčejících se s proměnnou frekvencí rotace. Je to dáno tím, že stávající bezdotykové systémy jsou založeny jen na metodách, kdy strojní součást proběhne dráhu, podél níž je na obvodu statoru rozmístěno několik senzorů. Z naměřených údajů je vyhodnocena frekvence a amplituda dominantního kmitu sledované rotující části, ale jen v obvodovém směru, přičemž tyto metody neumožňují z výsledných obvodových výchylek rozlišit a separovat jednotlivé složky rotačního pohybu a vibrací sledovaných strojních částí. Takové řešení je přijatelné jen pro zcela tuhé rotory, kdy lze složky ohybových a torzních kmitů hřídele a disku stroje zanedbat. U rotorů s vyšší poddajností dávají ohybové a torzní kmity hřídele velké příspěvky k výslednému pohybu na nich upevněných rotujících částí strojů a snímání pohybu a vyhodnocení měření jsou pak v důsledku toho zatíženy velkou aditivní chybou, protože není snímán jen pohyb sledované rotující strojní součásti, ale výsledný pohyb celé rotující soustavy tvořené hřídelí, diskem a na něm upevněných strojních součástí. V užitném vzoru č. 22502 bylo popsáno technické řešení, které tyto problémy částečně odstraňuje. Na hřídeli stroje jsou zde umístěny pomocné referenční značky, jejichž průchod je sledován bezkontaktním senzorem. Toto uspořádání sice částečně řeší problém jedné složky aditivní chyby v důsledku nerovnoměrné rotace, má však řadu omezení a nevýhod. Hlavní nevýhodou je to, že rovina značek se nekryje s rovinou rotace monitorovaných strojních součástí. Např. u parní turbíny jsou sledovány vibrace lopatek nízkotlakých stupňů a příslušné referenční značky jsou umístěny na hřídeli mimo vnější těleso turbíny. Mezi rovinou značek a rovinou lopatek je tak zpravidla vzdálenost několika metrů. To s sebou nese chybu, která má za důsledek, že do časových diferencí mezi sledovanými okamžiky průchodu značek a lopatek oběžného kola se promítnou i chyby způsobené torzními kmity hřídele a disku. Navíc na hřídel lze technicky umístit, zpravidla přibodovat, omezený počet, zpravidla maximálně 10, referenčních značek. Nerovnoměrnost rotace rotoru tak není eliminována s dostatečnou přesností v potřebném rozsahu, což se projeví zejména v přechodových režimech stroje.

Dosavadní systémy pro vyhodnocení obvodových výchylek kmitů rotujících strojních součástí také buď vůbec neumožňují nebo umožňují jen částečně měření kmitání rotujících částí strojů v přechodových režimech, např. kdy stroj prochází kritickými otáčkami a dochází k vybuzení amplitud vibrací s nejvyššími hodnotami, jak ukazuje patent GB 1147737 1969-04-02. U zde popsaného řešení i dalších stávajících systémů se projevuje nedostatek, spočívající v tom, že tyto systémy využívají pro vyhodnocení ohybových kmitů rotujících strojních částí senzorů snímajících axiálně průchod sledovaných strojních součástí. Použití těchto axiálních senzorů je možné jen ve specielních případech. Ve skutečných provozních podmínkách, např. v parních turbínách, není možné bezkontaktní senzory přímo do proudu páry umístit. Problematické je i vyvedení vodičů z prostoru vnitřních oběžných kol a axiální posuny dlouhých hřídelů způsobené jejich teplotní dilatací. Tyto nedostatky pak znemožňují nasazení celého vibrodiagnostického systému v provozních podmínkách.

- 1 CZ 25935 Ul

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující částí strojů s korekcí, využívající jeden nebo více bezkontaktních statorových senzorů, jeden nebo více radiálních referenčních senzorů snímajících průchod jedné nebo více referenčních fázových značek na rotoru napojených na vyhodnocovací jednotku, do níž jsou vedeny výstupy bezkontaktních statorových senzorů a radiálního referenčního senzoru, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že do vyhodnocovací jednotky je přiveden signál z dalšího nejméně jednoho axiálního referenčního senzoru, který je umístěn axiálně směrem k disku oběžného kola stroje tak, že snímá průchody styčných ploch závěsu rotujících strojních částí a disku, na kterém jsou tyto části upevněny, nebo snímá průchody drážek na disku v okolí závěsu rotujících strojních částí.

Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů s korekcí má výhody v tom, že umožňuje eliminovat nerovnoměrnosti otáčení a složky ohybového a torzního kmitání hřídele a disku, díky čemuž se dosahuje vyšší přesnosti měření parametrů vibrací s ním spojených strojních součástí, např. lopatek turbíny. Pro vyhodnocení měření je použita metoda časových diferencí a jako referenční časový údaj je vzat stanovený okamžik průchodu závěsu příslušné rotující strojní části kolem axiálního referenčního senzoru. Časová diference času průchodu měřené rotující strojní části, např. břitu lopatky turbíny, a času průchodu závěsu této rotující strojní části není zatížena chybou v důsledku nerovnoměrnosti otáčení a kmitání hřídele a disku, jak je tomu v případě, kdy příslušná časová diference je ve vyhodnocovací jednotce vypočtena jako rozdíl času průchodu měřené rotující strojní části, např. břitu lopatky turbíny, a času průchodu referenční fázové značky, která je umístěna zpravidla až několik metrů od roviny rotace oběžného kola. Navíc je získána i výhoda většího počtu referenčních údajů na otáčku stroje, např. 60 až 100 pro případ lopatek nízkotlakého stupně parní turbíny. Ze snímaných impulsních signálů axiálního referenčního senzoru lze vyhodnotit metodou časových diferencí úhlové zrychlení rotace a torzní kmity hřídele stroje. Axiální referenční senzor je v případě parní turbíny umístěn v prostoru za diskem oběžného kola, kde nehrozí jeho rychlá eroze v důsledku agresivní páry. Vývody senzoru je v tomto případě možno vést s výhodou dutými statorovými lopatkami, kde jsou rovněž dostatečně chráněny. Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující částí strojů s korekcí pak může být nasazen i ve složitých provozních podmínkách, kde jiné systémy nemohou být použity.

Dále má toto řešení výhodu v tom, že dovoluje měřit i v přechodových režimech měnících se otáček a zatížení stroje, kdy jiná řešení nemohou být použita. Systém je vybaven statorovými senzory polohy pro dlouhodobé měření v těžkých provozních podmínkách (100% vlhkost, teplota až 200 °C) s vysokou přesností měření okamžiku průchodu sledované rotující strojní části v celém rozsahu obvodových rychlostí od 0 do 700 m/s. Tyto senzory jsou doplněny příslušnými elektronickými obvody, které umožňují vyhodnotit axiální, obvodové a radiální výchylky špičky rotující strojní části, např. lopatky a také horizontální, vertikální a torzní výchylky rotoru metodami časové a amplitudové diference. Pro vyhodnocení kmitání částí oběžného kola a rotoru a k měření obvodové rychlosti i během jedné otáčky, systém využívá měření okamžiku průchodů závěsů rotujících strojních částí axiálním referenčním senzorem. Díky dostatečnému počtu referenčních údajů za jednu otáčku stroje, je možno měřit a vyhodnotit kmitání rotujících strojních částí, např. lopatek a rotoru i v přechodových provozních režimech stroje. K identifikaci kmitů rotujících strojních částí na frekvencích shodných s frekvencí rotace a jejími násobky (tzv. synchronní kmitání) se využívá shody časového průběhu výchylek sledované části během dané otáčky s obvodovým rozdělením kmitů všech rotujících strojních částí v téže otáčce v příslušném časovém okamžiku. Výhodou tohoto technického řešení je i to, že signál ze senzoru referenční značky na hřídeli je v daném případě použit pouze pro identifikaci pořadí sledovaných rotujících strojních částí a nikoli pro výpočet časových diferencí a nezatěžuje tak měření zmíněnými chybami.

Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující částí strojů s korekcí má výhodu i v tom, že tímto uspořádáním zařízení lze stanovit charakteristiky kmitání jednotlivých rotujících strojních

-2CZ 25935 Ul částí, např. lopatek turbíny, s vyšší přesností i z údaje pouze jednoho statorového senzoru na obvodě stroje.

Objasnění výkresů

Podstata technického řešení je blíže osvětlena na výkresech, kde je na obr. 1 znázorněn schematicky příklad uspořádání bezdotykového vibrodiagnostického systému pro rotující části strojů s korekcí se dvěma bezkontaktními statorovými senzory, jedním radiálním referenčním senzorem snímajícím průchod referenční fázové značky, fázovou značkou umístěnou na hřídeli stroje, jedním axiálním referenčním senzorem a vyhodnocovací jednotkou. Na obr. 2 je schematicky znázorněn stejný příklad v bokoryse. Obr. 3 ukazuje v detailu možné umístění a směrovou orientaci axiálního referenčního senzoru vůči disku oběžného kola a závěsu sledované rotující strojní části. Na obr. 4 je v detailu znázorněno jiné možné umístění axiálního referenčního senzoru vůči disku oběžného kola jako příklad umístění axiálního referenčního senzoru pro sledování průchodů drážek závěsu rotujících strojních částí na disku.

Příklad uskutečnění technického řešení

Technické řešení bezdotykového vibrodiagnostického systému pro rotující částí strojů s korekcí je řešeno na obr. 1, který znázorňuje schematicky řez rotující částí stroje měřenou bezdotykovým vibrodiagnostickým systémem s korekcí v provedení se dvěma bezkontaktními statorovými senzory i, umístěnými na statoru 9 stroje a snímajícími pohyb rotujících částí 7 stroje (např. lopatek), zavěšených na disku 8, který je pevně spojen s hřídelí 6 stroje. Na hřídeli 6 je umístěna referenční fázová značka 5, jejíž průchod snímá radiální referenční senzor 2. Axiálně směrem k disku oběžného kola stroje je umístěn axiální referenční senzor 3, který snímá průchody styčných ploch závěsu rotujících částí 7 oběžného kola a disku 8, na kterém jsou tyto části upevněny, nebo snímá průchody drážek 10 na disku 8, které mohou být utvořeny v okolí závěsu rotujících částí 7. Signály z bezkontaktních statorových senzorů i, z radiálního referenčního senzoru 2 a z axiálního referenčního senzoru 3 jsou vedeny do vyhodnocovací jednotky 4, ze které jsou zároveň tyto senzory 2 a 3 napájeny. Ve vyhodnocovací jednotce 4 je provedeno zpracování signálů metodou časových a amplitudových diferencí. Při tomto vyhodnocení jsou pro každou rotující část 7, např. lopatku turbíny, vyhodnoceny časové diference mezi časy aktivních hran výstupních impulzů bezkontaktních statorových senzorů i a časy aktivních hran výstupních impulzů axiálního referenčního senzoru 3. Z těchto časových diferencí a případně též z dalších parametrů získaných metodou amplitudových diferencí, jako např. maxim a minim, bezkontaktních statorových senzorů i a axiálního referenčního senzoru 3 jsou ve vyhodnocovací jednotce 4 vypočteny charakteristiky vibrací jednotlivých rotujících částí 7.

Na obr. 2 je znázorněn v bokorysu řez rotující částí 7 stroje měřenou bezdotykovým vibrodiagnostickým systémem s korekcí v provedení se dvěma bezkontaktními statorovými senzory i, umístěnými na statoru 9 stroje a snímajícími pohyb rotujících částí 7 (např. lopatek), zavěšených na disku 8, který je pevně spojen s hřídelí 6 stroje. Na hřídeli 6 je umístěna referenční fázová značka 5, jejíž průchod snímá radiální referenční senzor 2. Axiálně směrem k disku 8 oběžného kola stroje je umístěn axiální referenční senzor 3, který snímá průchody styčných ploch závěsu rotujících částí 7 oběžného kola a disku 8, na kterém jsou tyto rotující části 7 upevněny, nebo snímá průchody drážek 10 na disku 8 v okolí závěsu rotujících částí 7. Signály z bezkontaktních statorových senzorů i, z radiálního referenčního senzoru 2 a z axiálního referenčního senzoru 3 jsou vedeny do vyhodnocovací jednotky 4, kde jsou zpracovány podle zadaných algoritmů. Systém v tomto uspořádání pracuje správně i při nenulovém úhlovém zrychlení stroje e(t) ? 0 a nenulové amplitudě torzních kmitů hřídele 6 ψ(1) ψ 0.

Na obr. 3 je znázorněn příklad stromečkového závěsu rotující části 7 v disku 8 a umístění axiálního referenčního senzoru 3 pro případ snímání průchodu hrany disku 8. Směrově citlivý axiální referenční senzor 3 je natočen tak, aby jeho osa citlivosti byla shodná s hranou závěsu rotující části 7, svírající s osou měřené rotující části úhel a. Osa citlivosti axiálního referenčního senzoru 3 může být s výhodou orientována na jinou hranu disku 8 nebo závěsu měřené rotující části 7 tak,

-3CZ 25935 Ul aby bylo dosaženo optimální citlivosti axiálního referenčního senzoru 3. Na obr. 4 je znázorněn příklad stromečkového závěsu rotující části 7 v disku 8 a umístění axiálního referenčního senzoru 3 pro případ snímání průchodu drážek 10 na disku 8. V tomto příkladě je s výhodou využito pravidelné změny hodnot snímané fyzikální veličiny, např. intenzity magnetického pole, v blízkosti axiálního referenčního senzoru 3 v důsledku střídání materiálu disku 8 a drážek 10 na disku 8 při rotaci.

Průmyslová využitelnost

Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů s korekcí je možno využít pro bezdotykové měření kruhového pohybu a vibrací rotujících částí strojů, např. lopatek parních a io plynových turbín, kompresorů a ventilátorů. Na základě vhodného zpracování výstupních impulsních signálů jednoho nebo více bezkontaktních statorových senzorů a jednoho nebo více axiálních referenčních senzorů lze získat charakteristiky vibrací rotujících strojních částí, např. lopatek velkých točivých strojů, s vyšší přesností a spolehlivostí než u dřívějších technických řešení. Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů s korekcí je využitelný pro měření a monitorování stavu točivých strojů i v nejtěžších podmínkách měření pohybu rotujících a kmitajících částí strojů.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Bezdotykový vibrodiagnostický systém pro rotující části strojů s korekcí, využívající jeden nebo více bezkontaktních statorových senzorů, jeden nebo více radiálních referenčních senzorů

   20 snímajících průchod jedné nebo více referenčních fázových značek na rotoru a napojených na vyhodnocovací jednotku, do níž jsou vedeny výstupy bezkontaktních statorových senzorů a radiálního referenčního senzoru, vyznačující se tím, že na vstup vyhodnocovací jednotky (4) je přiveden signál z nejméně jednoho axiálního referenčního senzoru (3), který je umístěn axiálně směrem k disku (8) oběžného kola pro snímání průchodů styčných ploch závěsu

   25 rotujících částí (7) a disku (8), na kterém jsou tyto rotující části (7) upevněny, nebo pro snímání průchodů drážek (10) na disku (8) v okolí závěsu rotujících částí (7).