СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ МАШИН
METHOD AND DEVICE PROCESS CONTROL OF ROTATING MACHINES

Уровень техники
Изобретение в общем относится к вращающимся машинам и в частности - к способам и устройству для постоянного контролирования турбогенераторов.
Многие известные гидроэлектрические турбины имеют многолопаточный ротор, установленный в корпусе, связанном сообщением посредством текучей среды с таким находящимся выше источником текучей среды, как водохранилище. Вода из водохранилища поступает в трубу и идет вниз в гидроэлектрическую турбину. Когда вода стекает вниз, потенциальная энергия силы тяжести преобразуется в кинетическую энергию в виде механической гидравлической энергии. Вода затем направляется через турбину и придает вращение турбине. По меньшей мере один ротор генератора, с возможностью его вращения, связан с ротором турбины и приводится в действие от него. Некоторые известные электрогенераторы обычно используют магниты, соединенные с ротором и с множеством неподвижных катушек проводов, соединенных со статором, для преобразования энергии вращения турбины в электроэнергию.
В некоторых известных генераторах компоненты ротора и статора отделены друг от друга воздушным зазором, который обычно измеряется в единицах расстояния. В работе: магнитное поле, генерируемое установленными на роторе магнитами, проходит через часть воздушного зазора, образованного по меньшей мере между частью поверхности ротора и по меньшей мере частью поверхности статора. Эффективность пропускания магнитного поля через воздушный зазор по меньшей мере частично зависит от выдерживаемых размеров воздушного зазора, т.е. от радиального расстояния между поверхностью ротора и поверхностью статора. Но асимметричные и/или неустановившиеся нагрузки, возбуждаемые в роторе, могут стать причиной отклонения ротора, в результате чего размер воздушного зазора уменьшится и/или изменится с нарушением единообразности. Изменения размеров воздушного зазора могут отрицательно сказаться на магнитном поле. Помимо этого, в случае неисправности генератора, например - из-за короткозамкнутых обмоток, последствия этого обстоятельства для магнитного поля также могут быть неблагоприятными.
Сущность изобретения
Согласно одной из его особенностей изобретение обеспечивает способ текущего контролирования вращающейся машины. Вращающаяся машина содержит по меньшей мере один вращающийся элемент и по меньшей мере один неподвижный элемент, расположенные таким образом, что некоторый зазор образован между частью по меньшей мере одного вращающегося элемента и частью по меньшей мере одного неподвижного элемента. Согласно этому способу обеспечивают по меньшей мере один измерительный узел для определения ширины зазора. По меньшей мере один измерительный узел имеет по меньшей мере одно измерительное устройство и по меньшей мере одно устройство измерения магнитного потока. Способ также предусматривает установку по меньшей мере одного устройства измерения зазора на неподвижном элементе - для выполнения измерений зазора во время работы вращающейся машины.
Согласно еще одной особенности изобретения обеспечен узел измерения зазора. Этот узел включает в себя по меньшей мере одно устройство измерения радиального размера зазора и по меньшей мере одно устройство измерения магнитного потока зазора.
Согласно еще одной особенности изобретения обеспечена вращающаяся машина. Машина содержит по меньшей мере один вращающийся элемент и по меньшей мере один неподвижный элемент, расположенные таким образом, что некоторый зазор образован между частью вращающегося элемента и частью неподвижного элемента. Машина также содержит систему измерения зазора. Система содержит узел измерения зазора, который содержит по меньшей мере одно устройство измерения радиального размера зазора и по меньшей мере одно устройство измерения магнитного потока зазора.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - изображение в перспективе части приводимого в качестве примера генератора, приводимого в действие гидроэлектрической турбиной; и
Фиг. 2 - схематическое изображение приводимого в качестве примера узла измерения зазора, который можно использовать с генератором, показываемым на чертеже Фиг. 1;
Фиг. 3 - поперечное сечение части узла измерения зазора, показываемого на чертеже Фиг. 2; и
Фиг. 4 - блок-схема приводимой в качестве примера системы контролирования воздушного зазора, которую можно использовать с генератором, показываемым на чертеже Фиг. 1.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 показывает сечение схематического изображения приводимой в качестве примера вращающейся машины 100, которая может действовать от гидроэлектрической турбины (на чертеже Фиг. 1 не показано). В приводимом в качестве примера осуществлении вращающаяся машина 100 является синхронным трехфазным, 60 Гц, отдельно возбуждаемым генератором 100, который содержит явнополюсный ротор 102 и статор 104. Альтернативно, генератор 100 является генератором любого типа, включая, помимо прочего, генераторы круглого ротора. Либо вращающаяся машина 100 может быть электродвигателем, в том числе и, помимо прочего, явнополюсным электродвигателем. Ротор 102 содержит вал 106 ротора, содержащий сторону 108 возбудителя и турбинную сторону 110. Сторона 108 возбудителя вала ротора связана, с возможностью вращения, с возбудителем (на чертеже Фиг. 1 не показан), и турбинный конец 110 связан, с возможностью вращения, с гидроэлектрической турбиной. Альтернативно, турбинный конец 110 связан с таким приводом, как, без ограничения, газовая, паровая и ветровая турбина (на чертеже Фиг. 1 не показаны). Ротор 102 также имеет множество явно выраженных полюсов 112, вокруг которых намотаны обмотки 114 возбуждения со множеством витков на каждом полюсе 112.
Обмотки 114 электрически связаны с возбудителем через посредство токосъемных контактных колец (на чертеже Фиг. 1 не показаны), по которым передается мощность возбуждения для генерирования магнитного поля (на чертеже Фиг. 1 не показано), которое вращает ротор 102. Альтернативно, генератор 100 является генератором с постоянными магнитами, и в этом случае ротор 102 имеет постоянные магниты (на чертеже Фиг. 1 не показаны), которые генерируют магнитное поле. Альтернативно, обмотки 114 могут быть электрически связаны с источником постоянного тока, например, помимо прочего, с аккумуляторами и/или выпрямителями.
В приводимом в качестве примера осуществлении статор 104 имеет множество зубцов 116 (пунктиром на чертеже Фиг. 1 показаны только два зубца), каждый из которых имеет радиально внутренний периметр 117, который образует множество пазов 118 (на чертеже Фиг. 1 показан только один). Обмотки статора (на чертеже Фиг. 1 не показаны) расположены внутри пазов 118. Зазор 120 образован между радиально внутренним периметром статора 104 и радиально внешним периметром ротора 102. Зазор 120 создает магнитную связь ротора 102 и статора 104, с обеспечением возможности вырабатывать изменяющееся напряжение и изменяющийся ток в обмотках статора 102. Множество кабелей электропитания (на чертеже Фиг. 1 не показаны) электрически связывают генератор 100 с системой подачи мощности (на чертеже Фиг. 1 не показана). Вал 106 ротора выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения 122, которая может иметь любую ориентацию, чтобы обеспечивать заданные рабочие параметры генератора 100.
Генератор 100 также имеет кожух (на чертеже Фиг. 1 не показан), изолирующий генератор 100 от наружной среды, и по меньшей мере один узел 200 измерения зазора, который подробнее описывается ниже. Узел 200 связан с внутренним периметром 117 зубцов статора (показано пунктиром на чертеже Фиг. 1) и измеряет ширину 121 воздушного зазора 120 и магнитное поле согласно приводимому ниже описанию.
Фиг. 2 схематически показывает узел 200 измерения зазора. Фиг. 3 схематически показывает сечение части узла 200. В приводимом в качестве примера осуществлении множество узлов 200 измерения зазора расположено в генераторе 100 для измерения ширины 121 зазора 120. Как правило, узлы 200 могут находиться в любом положении в генераторе 100 - для излагаемого здесь функционирования. В приводимом в качестве примера осуществлении узлы 200 неподвижно прикреплены к внутреннему периметру 117 зубцов 116 статора такими, помимо прочих, способами, как склеивание, крепеж и сварка прихваточными швами. Альтернативно, множество измерительных узлов 200 можно расположить в пазах 118. В одном из осуществлений каждый узел имеет по существу прямоугольную форму. Согласно одному из осуществлений узлы 200 могут иметь любую форму, позволяющую узлам 200 функционировать согласно этому описанию.
Измерительный узел 200 содержит устройство 202 измерения ширины и устройство 204 измерения магнитного потока. В приводимом в качестве примера осуществлении устройство 202 состоит из параллельной пластины, емкостного зонда 202 определения близости; и устройство 204 представляет собой индукционный контур. Альтернативно, устройства 202 и 204 являются любыми компонентами, действующими согласно этому описанию. Каждый узел 200 содержит по меньшей мере один кабель 206 для запитывания устройств 202 и 204 и передачи сигналов ширины 121 и магнитного потока. В излагаемом в качестве примера варианте осуществления каждый кабель 206 электрически связан с устройством 202 и 204 через камеру 208 выводов. Каждый кабель 206 проходит по кабельному каналу (на чертежах Фиг. 2 и 3 не показан), сформированному в статоре 104 или вблизи него.
Устройство 202 содержит первый слой 210 электроизолирующего материала, который электрически изолирует внутреннюю пластину 212 от периметра 117 зубца статора. Устройство 202 также содержит второй слой 214 электроизолирующего материала, который электрически изолирует внутреннюю пластину 212 от внешней пластины 216. Слои 210 и 214 проходят между камерой 208 выводов и пластинами 212 и 216 и изолируют камеру 208 от пластин 212 и 216. Провод 218 электропитания, электрически связанный с источником электроэнергии (на чертежах Фиг. 2 и 3 не показан), направляет электропитание к внутренней пластине 212 и генерирует электростатическое поле (на чертеже Фиг. 2 и 3 не показано) между пластинами 212 и 216. Помимо этого, устройство 202 также содержит сигнальный провод 220, который электрически связан с системой дистанционного текущего контролирования (на чертежах Фиг. 2 и 3 не показана) и передает сигналы, характеризующие ширину 121 зазора 120.
В приводимом в качестве примера осуществлении устройство 204 измерения магнитного потока является замкнутым контуром из электропроводного материала, включающего в себя, помимо прочего, металлический материал и/или сплавы. В приводимом в качестве примера осуществлении устройство 204 является известным защитным элементом или экраном с известным из уровня техники модифицированным датчиком воздушного зазора. Например, согласно одному из осуществлений устройство 204 является модифицированным датчиком 50-мм воздушного зазора серии «4000» производства компании General Electric Bently Nevada, г. Минден, шт. Невада. Защитный элемент обычно является электропроводной полосой, имеющей прорезь, образованную в части защитного устройства, и защитное устройство по существу перпендикулярно измеряемой ширине зазора. Защитное устройство направляет электростатическое поле, генерируемое датчиком воздушного зазора, который аналогичен устройству 202, и поэтому поле сосредоточено между датчиком и ротором 102. Обычно для защитного устройства обеспечено напряжение, одинаковое с напряжением датчика. Прорезь, образованная в защитном устройстве, уменьшает генерирование электрического тока в защитном устройстве, что в свою очередь снижает электрические помехи в датчике воздушного зазора. В приводимом в качестве примера осуществлении устройство 204 по существу аналогично защитному устройству, за тем исключением, что прорезь защитного элемента запаяна, чтобы сформировался замкнутый контур. Помимо этого, устройство 204 выполнено с возможностью генерирования напряжения под воздействием магнитного поля. Устройство 204, как таковое, извне не запитывается.
В приводимом в качестве примера осуществлении сигналы магнитного потока передаются в систему текущего контролирования по меньшей мере по одному проводу (на чертежах Фиг. 2 и 3 не показан) в кабеле 206. Либо сигналы магнитного потока передаются в систему текущего контролирования по проводу 220, используемому совместно с сигналами расстояния зазора. В другом альтернативном осуществлении устройство 204 не является компланарным с пластиной 216, а может примыкать к изолирующему слою 210, в результате чего не будет электрического контакта между устройством 204, и периметром 117, и пластиной 212. В этом альтернативном осуществлении с узлом 200 может использоваться первоначальное защитное устройство датчика воздушного зазора известного уровня техники. Также в еще одном альтернативном осуществлении защитное устройство для узла 200 используется с соответствующей прорезью, и устройство 204 расположено вблизи защитного устройства, либо внутри по окружности, либо снаружи по окружности защитного устройства. Кроме этого, в альтернативном осуществлении устройство 204 имеет множество проводящих контуров, каждый из которых расположен в отдельной параллельной плоскости (или слое) в устройстве 204.
В работе: когда полюсы 112 ротора вращаются вокруг внешнего периметра 117 зубцов статора, ширину 112 зазора измеряют устройством 202. Если ширина 121 зазора остается по существу постоянной и емкостные характеристики устройства 202 выдерживаются по существу постоянными, то устройство 202 передает сигнал по существу постоянной ширины зазора (на чертеже Фиг. 2 и 3 не показано). Если ширина 121 зазора изменится, то изменится и емкость устройства 202, и изменится сигнал ширины зазора, передаваемый от устройства 202 в систему текущего контролирования по проводу 220.
Также в работе: на устройство 204 действует изменяющееся магнитное поле, генерируемое в зазоре 120, и изменяющееся напряжение, пропорциональное изменяющейся напряженности магнитного поля, т.е. магнитной индукции, генерируется и передается в систему текущего контролирования. Генерируемое в устройстве 204 напряжение также пропорционально числу витков в устройстве 204 и величине площади поверхности устройства 204, перпендикулярной к линиям магнитного поля потока. Ротор 102 и статор 104 выполнены и узел 200 расположен таким образом, что обусловливают увеличение числа магнитных линий магнитного поля потока, по существу перпендикулярных устройству 204.
Фиг. 4 показывает блок-схему приводимой в качестве примера системы 250 текущего контролирования зазора, которую можно использовать с генератором 100. В приводимом в качестве примера осуществлении система 250 содержит по меньшей мере один узел 200, расположенный на радиально внутреннем периметре 117 по меньшей мере одного зубца статора. Узел 200 измеряет размер радиального расстояния, т.е. ширину 121, и магнитный поток зазора 120 между периметром 117 и полюсом 112 ротора. Помимо этого, узел 200 электрически связан по меньшей мере с одним узлом 252 обработки информации по кабелю 254 датчика, проходящему в кабельном канале 256, промежуточной соединительной коробке 258 и по входному кабелю 260 узла обработки информации. Устройства электронного сигнала, которыми может быть, помимо прочих, по меньшей мере одно устройство нормирования сигнала, можно установить в соединительной коробке 258 и/или в ином месте для передачи электронного сигнала согласно данному описанию. В приводимом в качестве примера осуществлении кабель 254 датчика, соединительная коробка 258 и кабель 260 совместно определяют множество входных каналов 262 процессора, т.е. по меньшей мере один канал измерения размера зазора и по меньшей мере один канал измерения потока (на чертеже Фиг. 4 не показаны). Либо для образования входного канала 262 можно использовать сеть передатчиков и приемников, работающую в полосе радиочастот. В соединительную коробку 258 входит множество кабелей, аналогичных кабелю 254 датчика. Помимо этого, в узел 252 обработки информации входит множество кабелей, аналогичных кабелю 260. В приводимом в качестве примера осуществлении кабель 254 имеет провод 218 электропитания, специализированный провод 220 измерения расстояния зазора (оба показаны на чертеже Фиг. 3) и специализированный провод измерения потока (на чертеже Фиг. 4 не показан). Либо измерения расстояния зазора и потока передаются по общему проводу 220.
Узел 252 обработки информации содержит по меньшей мере один процессор и запоминающее устройство (на чертеже Фиг. 3 не показаны), по меньшей мере один входной канал 262, по меньшей мере два выходных канала 264 и может содержать по меньшей мере один компьютер (на чертеже Фиг. 4 не показан). В приводимом в качестве примера осуществлении каждый выходной канал 264 содержит кабель 264, электрически связанный по меньшей мере с одним выходным устройством 266, т.е. с операторским интерфейсным терминалом 266, и/или с узлом 252 обработки данных. Выходные каналы 264 также содержат по меньшей мере один канал ширины зазора и по меньшей мере один канал измерения потока (на чертеже Фиг. 4 не показаны). Либо для создания множества выходных каналов 264 можно использовать сеть передатчиков и приемников, работающих в заданной части радиочастотного диапазона.
В данном описании термин «компьютер» не ограничивается только интегральными схемами, фигурирующими в соответствующей области техники, а в широком толковании обозначает процессор, микроконтроллер, микрокомпьютер, контроллер с программируемой логикой, специализированную интегральную схему и др. программируемые схемы (на чертеже Фиг. 4 не показаны); и эти термины здесь используются взаимозаменяемым образом. В приводимом в качестве примера осуществлении запоминающим устройством может быть, помимо прочего, машиночитаемый носитель, такой как запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) (на чертеже Фиг. 4 не показаны). Либо можно также использовать и гибкий диск, компакт-диск - постоянное запоминающее устройство (CD-ROM), магнитооптический диск или цифровой универсальный диск (DVD) (на чертеже Фиг. 4 не показаны). В приводимом в качестве примера осуществлении дополнительными входными каналами (на чертеже Фиг. 4 не показаны) также могут быть, помимо прочего, относящиеся к операторскому интерфейсному терминалу 266 периферийные устройства для компьютера, такие как мышь и клавиатура (на чертеже Фиг. 4 не показаны). Либо можно также использовать и другие компьютерные периферийные устройства, например, помимо прочего, сканер (на чертеже Фиг. 1 не показан). В приводимом качестве примера осуществлении дополнительные выходные каналы могут включать в себя, помимо прочего, дополнительные устройства отображения данных и рабочие регулирующие механизмы.
Процессоры для узла 252 обрабатывают информацию, включая сигналы положения зазора и сигналы магнитного потока от узлов 200. ЗУПВ и запоминающее устройство хранят и передают информацию и команды, выполняемые процессором. ЗУПВ и запоминающие устройства можно также использовать для запоминания и предоставления временных переменных величин, статической (т.е. неизменяющейся) информации и команд или др. промежуточной информации в процессоры во время выполнения команд процессорами. Выполняемые команды включают в себя, помимо прочего, постоянно загруженные алгоритмы преобразования и сравнения. Выполнение последовательностей команд не ограничивается какой-либо определенной комбинацией аппаратурных схем и программных команд.
В работе: когда вал 106 ротора отклоняется от номинальной оси вращения 122, то ширина 121 зазора 120 по окружности генератора 100 может стать неединообразной. Узлы 200 постоянно контролируют размеры и магнитные потоки зазора 120 и передают соответствующие сигналы измерения ширины 121 зазора и магнитного потока или сигналы ширины 121 зазора и потока (на чертеже Фиг. 4 не показаны) в узел 252. Сигналы измерения ширины зазора и потока обычно являются сигналами напряжения или тока, преобразованными в отдельные измерения размера и потока в процессорах узла 252 (на чертеже Фиг. 1 не показано). Примеры алгоритмов преобразования могут включать в себя, помимо прочего, алгоритмы интеграции для преобразования изменяющихся сигналов напряжения потока, пропорциональных темпу изменения магнитного потока в зазоре 20, в значения магнитного потока, интерпретируемые оператором. В альтернативном осуществлении значения расстояния и потока передают по одному каналу, и алгоритм различения используется для того, чтобы отличить друг от друга сигналы расстояния и потока и чтобы направить каждый из них для отдельной передачи в отдельные части узла 252 для последующей обработки. Обработанные сигналы размера зазора и потока затем передают выходными каналами 264 в операторский интерфейсный терминал 266. Для оценки сигналов размера зазора и потока оператор использует и сигналы по существу из общей точки в генераторе 100, и сигналы, формируемые и получаемые по существу в общее время.
Описываемые здесь способы и устройство для системы измерения зазора генератора содействуют работе гидроэлектрического турбогенератора. В частности, описываемый выше узел измерения зазора генератора обеспечивает действенный и эффективный метод измерения радиального расстояния зазора и магнитного потока. В частности, эти измерительные узлы занимают меньшую площадь для приборов в этих генераторах, т.к. в генераторе требуется установка только одного узла вместо двух независимых датчиков. Помимо этого, эти узлы также обеспечивают синхронизацию времени и места измерений расстояния и потока. Применение этих измерительных узлов содействует снижению капитальных и монтажных затрат, повышению надежности генератора и снижению эксплуатационных затрат и сокращению аварийных отключений генератора.
Выше подробно изложены приводимые в качестве примера осуществления измерительных систем генераторов, работающих с гидроэлектрическими генераторами. Эти способы, устройство и системы не ограничиваются излагаемыми здесь конкретными осуществлениями и конкретными поясняемыми гидроэлектрическими турбогенераторами.
Несмотря на то что настоящее изобретение изложено с точки зрения разных определенных осуществлений, специалистам в данной области техники будет ясно, что изобретение можно реализовать с его видоизменениями в рамках идеи и объема формулы изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ КОМПОНЕНТОВ
100 - генератор
102 - ротор
104 - статор
106 - вал ротора
108 - сторона возбудителя
110 - сторона турбины
112 - полюс ротора
114 - обмотки
116 - зубцы
117 - внутренний периметр
118 - пазы
120 - зазор
121 - ширина зазора
122 - ось вращения
200 - узел измерения зазора
202 - устройство
204 - устройство
206 - кабель
208 - камера выводов
210 - слой изолирующего материала
212 - внутренняя пластина
214 - слой изолирующего материала
216 - внешняя пластина
218 - провод электропитания
220 - сигнальный провод
250 - система текущего контролирования зазора
252 - узел обработки данных
254 - кабель датчика
256 - канал кабеля
258 - соединительная коробка
260 - входной кабель
262 - входной канал
264 - выходной канал
266 - операторский интерфейсный терминал