СИСТЕМА МОНИТОРИНГА КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛОПРОВОДА ТУРБОАГРЕГАТА
SYSTEM FOR MONITORING TORSIONAL VIBRATIONS OF ROTATING SHAFT LINE OF TURBINE UNIT

Область использования
Изобретение относится к измерительной технике для диагностирования технического состояния машин с вращающимися элементами и может быть использовано, в частности, для определения характеристик крутильных колебаний валопроводов энергетических турбоагрегатов, питательных насосов и другого подобного оборудования тепловых электростанций (ТЭС). Знание характеристик крутильных колебаний, а также параметра статической закрутки валопровода при определенных характеристиках эксплуатации оборудования позволяет выявлять различные дефекты машин и оценивать режимы, неблагоприятные для их эксплуатации.
Предшествующий уровень техники
Известна принятая в качестве ближайшего аналога патентуемого изобретения система мониторинга крутильных колебаний вращающегося валопровода турбоагрегата, содержащая расположенные по меньшей мере в одной измерительной плоскости информационные элементы угловых перемещений валопровода, выполненные в виде зубцов установленного на валу поперечного зубчатого диска, дополнительный информационный элемент отметчика оборотов, выполненный в виде аналогичного упомянутому диска с одиночным зубцом или с одиночной впадиной, неподвижные измерительные датчики, установленные вне вала по два в каждой измерительной плоскости под углом 180 градусов относительно друг друга, и неподвижный датчик отметчика оборотов, установленный в плоскости расположения соответствующего информационного элемента для генерации электрических импульсных сигналов при бесконтактном взаимодействии указанных датчиков с указанными информационными элементами, а также соединенный с указанными датчиками аппаратно-программный блок для преобразования и математической обработки полученной от датчиков информации (RU 2523044, G01H 11/06, 2014 [1]).
К недостаткам системы [1] можно отнести отсутствие возможности определения статической закрутки валопровода, требующего данных о ее величине по всей его длине. Кроме того, в [1] не уточнены места расположения на валопроводе плоскостей расположения информационных и измерительных элементов, что может привести при неудачном выборе этих мест к существенному снижению точности результатов измерений из-за малой величины информационного сигнала.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение представительности при гарантированной точности результатов мониторинга, а техническими результатами - возможность контроля изменения статической закрутки валопровода и возможность точного задания мест расположения по длине валопровода измерительных плоскостей.
Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов обеспечивается тем, что система мониторинга крутильных колебаний вращающегося валопровода турбоагрегата, содержащая расположенные по меньшей мере в одной измерительной плоскости информационные элементы угловых перемещений валопровода, выполненные в виде зубцов установленного на валу поперечного зубчатого диска, дополнительный информационный элемент отметчика оборотов, выполненный в виде аналогичного упомянутому диска с одиночным зубцом или с одиночной впадиной, неподвижные измерительные датчики, установленные вне вала по два в каждой измерительной плоскости под углом 180 градусов относительно друг друга, и неподвижный датчик отметчика оборотов, установленный в плоскости расположения соответствующего информационного элемента для генерации электрических импульсных сигналов при бесконтактном взаимодействии указанных датчиков с указанными информационными элементами, а также соединенный с указанными датчиками аппаратно-программный блок для преобразования и математической обработки полученной от датчиков информации, согласно изобретению дополнительно содержит второй отметчик оборотов с информационным элементом и датчиком, аналогичными указанным информационному элементу и датчику первого отметчика оборотов, причем информационные элементы и датчики двух указанных отметчиков оборотов установлены по концам валопровода, а место расположения на валопроводе по меньшей мере одной из указанных измерительных плоскостей определяется исходя из наибольшей чувствительности данного места валопровода к гармоническому воздействию переменных крутящих моментов, характеризуемой величиной коэффициента чувствительности, который вычисляется по формуле
ij
ij
j
δf=A/M,
где
k
ij
k
j
f - частота гармонического крутящего момента; i - количество сечений измерений крутильных колебаний; j - количество сечений приложения гармонического крутящего момента; K - количество учитываемых собственных частот крутильных колебаний; δij - коэффициент чувствительности валопровода в i-й измерительной плоскости к воздействию гармонического крутящего момента с частотой f (k=1, 2, …, K), приложенного в j-м сечении валопровода; A - вычисляемая одним из известных методов амплитуда крутильных колебаний валопровода в i-й измерительной плоскости от действия гармонического крутящего момента с частотой f, приложенного в его j-м сечении; M - амплитуда гармонического крутящего момента, приложенного в j-м сечении валопровода.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками изобретения и указанным техническим результатом заключается в следующем.
Статическая закрутка валопровода является важным диагностическим признаком, изменение которого во времени, как правило, связанное с появлением дефектов валопровода, таких как обрыв болтов муфтового соединения или нарушение сцепления муфты с валом. Введение второго отметчика оборотов с установкой двух указанных отметчиков оборотов по концам валопровода позволяет контролировать изменение его статической закрутки с использованием двух соответствующих информационных элементов.
Расположение на валопроводе измерительных плоскостей для мониторинга характеристик крутильных колебаний, как уже отмечалось, весьма критично, так как изменение форм колебаний валопровода по длине имеет точки перегиба, вблизи которых амплитуды колебаний вообще не могут быть измерены либо измерены с низкой достоверностью. Определение оптимального места расположения на валопроводе измерительной плоскости по приведенной выше математической формуле позволяет при мониторинге получать заведомо надежную и точную информацию об изменении во времени характеристик крутильных колебаний валопровода контролируемого турбинного агрегата.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематически изображен валопровод турбоагрегата с установленными на нем измерительными элементами и с расположенными вне его блоками системы мониторинга согласно изобретению; на фиг. 2 - тот же валопровод с наложенной эпюрой продольного распределения амплитуды крутильных колебаний, иллюстрирующей выбор оптимального расположения на валопроводе измерительных плоскостей.
Условные обозначения
АПБ - аппаратно-программный блок;
АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом;
ДД - дополнительный диск;
ЗД - зубчатый диск;
ИЭ - информационный элемент;
ИП - измерительная плоскость;
PC - рабочая станция
ТЭС - тепловая электростанция.
Расшифровка нумераций позиций чертежей
1 - валопровод; 2 - ИП; 3 - ЗД; 4 - ДД; 5 - АПБ; 6 - АСУТП; 7 - PC.
Подробное описание изобретения
Система мониторинга крутильных колебаний вращающегося валопровода 1 (фиг. 1, 2) турбоагрегата (не показан) согласно изобретению содержит расположенные в данном примере в одной измерительной плоскости (ИП) 2 информационные элементы (ИЭ) угловых перемещений валопровода 1, выполненные в виде зубцов установленного на валу поперечного зубчатого диска (ЗД) 3, и дополнительные ИЭ двух отметчиков оборотов, выполненные в виде расположенных по концам валопровода 1 дополнительных дисков (ДД) 4.1, 4.2, аналогичного упомянутому ЗД 3, но с одиночным зубцом или с одиночной впадиной (не показаны).
Вне валопровода 1 в ИП 2 и в плоскостях расположения ДД 4.1, 4.2 установлены неподвижные измерительные датчики (не показаны), бесконтактно воспринимающие электрические импульсы сигналов соответствующих ИЭ. При этом датчики в ИП 2 установлены под углом 180 градусов относительно друг друга. Все указанные датчики подключены к аппаратно-программному блоку (АПБ) 5 (фиг. 1) для преобразования и математической обработки полученной от указанных датчиков информации. АПБ 5 соединен линиями связи с взаимодействующими с ним АСУТЛ 6 ТЭС и рабочей станцией (PC) 7, осуществляющей мониторинг.
Согласно изобретению определение оптимального места расположения на валопроводе 1 ИП 2 определяется расчетным путем, исходя из наибольшей чувствительности данного места валопровода к гармоническому воздействию переменных крутящих моментов. Графически максимальная величина информационного сигнала, связанного с крутильными колебаниями, должна соответствовать максимуму эпюры распределения амплитуды этих колебаний вдоль валопровода (фиг. 2). Как видно из фиг. 2, ИП 2 с ЗД 3 установлена в области максимума указанной выше эпюры. Для сравнения на той же фиг. 2 показано близкое к оптимальному неудачное место расположения ИП 2.2 с ЗД 3.2 в области узла эпюры крутильных колебаний. Такое расположение ИП представляется вполне реальным при приблизительном выборе ее места на валопроводе без применения настоящего изобретения.
Определение указанного оптимального места расположения ИП 2 на валопроводе 1 согласно изобретению осуществляется расчетом связанного с искомым на валопроводе местом коэффициентом чувствительности валопровода к воздействию гармонических колебаний. Расчет указанного коэффициента производится по формуле
ij
ij
j
δf=A/M,
где
ij
k
ij
k
j
f - частота гармонического крутящего момента; i - количество сечений измерений крутильных колебаний; j - количество сечений приложения гармонического крутящего момента; K - количество учитываемых собственных частот крутильных колебаний; δ - коэффициент чувствительности валопровода в i-й измерительной плоскости к воздействию гармонического крутящего момента с частотой f (k=1, 2, …, K), приложенного в j-м сечении валопровода; A - вычисляемая одним из известных методов амплитуда крутильных колебаний валопровода в i-й измерительной плоскости от действия гармонического крутящего момента с частотой f, приложенного в его j-м сечении; M - амплитуда гармонического крутящего момента, приложенного в j-м сечении валопровода.
Работа системы
Работа системы мониторинга согласно изобретению осуществляется следующим образом.
В процессе эксплуатации турбоагрегата, начиная с момента его пуска в составе оборудования ТЭС, в АПБ 5 поступают информационные сигналы от бесконтактных датчиков измерительных ИЭ и ИЭ отметчиков оборотов. Для получения информации о текущих эксплуатационных параметрах (температуре и давлении пара, электрической нагрузке и пр.) АПБ 5 дополнительно подключен к штатной АСУТП 6 ТЭС. Вся полученная информация математически обрабатывается известным путем, а результаты обработки отправляются для анализа и архивного хранения на PC 7.