CZ2019481A3

CZ2019481A3 - Způsob stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace se zvýšenou přesností

Info

Publication number: CZ2019481A3
Application number: CZ2019481A
Authority: CZ
Inventors: Pavel Procházka; Pavel Ing. Procházka
Original assignee: Ăšstav termomechaniky AV ÄŚR, v.v.i.; Ústav Termomechaniky Av Čr, V.V.I.
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2021-02-03
Also published as: CZ308668B6

Abstract

Způsob stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace, spočívá v tom, že na stator lopatkového stroje se v rovině kolmé na osu rotace lopatkového stroje, která je zároveň různá od rovnoběžné roviny, v níž leží střed (O) natáčení břitu lopatky, umístí první senzor (S1) průchodu břitu lopatky a v rovině kolmé na osu rotace lopatkového stroje, která je zároveň různá od roviny prvního senzoru (S1) a zároveň je různá od rovnoběžné roviny, v níž leží střed (O) natáčení břitu lopatky se umístí druhý senzor (S2) průchodu břitu lopatky, přičemž se známými metodami pro měření času stanoví časové diference průchodu břitu lopatek v různých otáčkách pod senzorem (S1) průchodu břitu lopatky a pod senzorem (S2) průchodu břitu lopatky, ze kterých se následně vypočte hodnota úhlového natočení (φ) lopatky jako aritmetický průměr jednotlivých měření nebo vážený aritmetický průměr jednotlivých měření.

Description

Způsob stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace se zvýšenou přesností

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace, který je založen na měření času průchodu sledované lopatky okolo dvou bezkontaktních senzorů umístěných na statoru stroje, přičemž jeden nebo oba senzory mohou být samostatně využity k získání informace o natočení břitu lopatky. Výsledný údaj o natočení břitu lopatky za rotace je získán výpočtem ze dvou nebo tří současně stanovených údajů, což umožňuje dosažení zvýšené přesnosti výsledného údaje.

Dosavadní stav techniky

Na rotující lopatky velkých lopatkových strojů, např. plynových a parních turbín, kompresorů a ventilátorů, působí síly, které jsou výslednicí odstředivých sil a aerodynamických sil, jimiž proudící médium, např. vodní pára, působí na lopatky lopatkového stroje. V důsledku působení těchto sil dochází i ke změně tvaru lopatek, zejména k jejich prodloužení a natočení, resp. rozkroucení. Tyto charakteristiky mají jednak vliv na účinnost stroje a jednak mohou být i projevem poškození příslušné lopatky lopatkového stroje. Je-li některá z lopatek poškozena trhlinou, sníží se hodnota její tuhosti v ohybu a rovněž torzní tuhosti. V důsledku působení tlaku páry, odstředivých a setrvačných sil při rotaci dojde ke zvýšenému ohybu poškozené lopatky a současně dojde i ke změně úhlu sklonu břitu lopatky vzhledem k rovině rotace. Postupující poškození lopatky trhlinou je charakterizováno trendem změny mezilopatkových vzdáleností a současně trendem natáčení břitu lopatky.

Z těchto skutečností je zřejmé, že je důležité získat informace o skutečném úhlovém natočení břitu lopatky za provozu. Střídavá složka této charakteristiky poskytuje informaci o torzních kmitech lopatky, které mohou mít vliv na její životnost. V patentovém dokumentu CZ 307571 B6 Způsob identifikace poškozené lopatky lopatkového stroje za provozu je popsán způsob stanovení úhlu sklonu břitu lopatky vzhledem k rovině rotace pomocí dvou statorových senzorů, přičemž jeden senzor je umístěn u náběžné hrany lopatek a druhý u odtokové hrany. Pomocí časoměmých zařízení jsou měřeny a ukládány časy průchodů všech lopatek lopatkového stroje. Z časových údajů se následně vyhodnotí časové diference časů průchodu lopatek a z nich se vypočtou mezilopatkové vzdálenosti a současně lopatkové vzdálenosti, které charakterizují natočení lopatky. Pro stanovení časů průchodu lopatek je zapotřebí třetí, referenční snímač, který slouží k identifikaci jednotlivých lopatek a odečtu nulového časového údaje v každé otáčce. Vzhledem k tomuto času jsou pak vyhodnoceny časy průchodu lopatky pod náběžným a odtokovým senzorem a z nich stanovena časová diference a příslušné mezilopatkové vzdálenosti, které nepřímo vypovídají o úhlu natočení břitu lopatky. Nevýhodou je, že časové diference jsou stanoveny jako rozdíl dvou rozdílů časových hodnot a to: 1. času průchodu lopatky pod senzorem náběžné hrany a nulového času referenční značky a 2. času průchodu lopatky pod senzorem odtokové hrany a nulového času referenční značky. Tento složitější postup výpočtu může vést ke zvýšené chybě měření.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se na stator lopatkového stroje umístí dva bezkontaktní senzory průchodu břitu lopatky, které leží v rovinách kolmých na osu rotace lopatkového stroje a zároveň rovnoběžných s rovinou, rovněž kolmou na osu rotace lopatkového stroje, v níž leží střed natáčení břitu lopatky, kolem nějž se otáčí břit lopatky při úhlovém natočení. Důležitou podmínkou je, že rovina, jíž prochází střed natáčení břitu lopatky, není totožná s rovinou, v níž leží senzory průchodu břitu lopatky. V takovém případě při úhlovém

- 1 CZ 2019 - 481 A3 natočení břitu lopatky dojde k časovému posunu okamžiku průchodu břitu lopatky pod bezkontaktními senzory. Tento časový posun se pro každý sledovaný režim provozu kola, např. otáčky, a každý senzor stanoví zařízením pro měření času. Z rozdílu časů průchodu lopatky je pak ve vyhodnocovacím zařízení vyhodnocena hodnota úhlového natočení břitu lopatky zvlášť pro každý senzor.

Objasnění výkresů

Vynález je dále blíže objasněn pomocí výkresu, kde na obr. 1 je schematicky zobrazen v půdorysu pohled na koncový profil, tedy břit lopatky v různých polohách, a to při průchodu natočeného i nenatočeného břitu lopatky pod senzory průchodu lopatky a při průchodu natočeného i nenatočeného břitu lopatky středem natáčení břitu lopatky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Způsob stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace je demonstrován na příkladu podle obr. 1, kde jsou znázorněny dva senzory Sl a S2 průchodu břitu lopatky, pod nimiž právě prochází břit LI lopatky ve výchozí úhlové poloze.

V půdorysu na obr. 1 se břit LI lopatky při otáčení lopatkového kola pohybuje ve směru tangenciální osy y, tedy v obvodovém směru. Břit LI lopatky svírá s osou y úhel α. V jiném časovém okamžiku, tedy v jiné otáčce stroje, může dojít k tomu, že se břit LI lopatky natočí o úhel <2· Taková situace je znázorněna břitem L2 lopatky, který právě prochází pod senzorem Sl průchodu břitu lopatky. V jistém časovém okamžiku prochází břit L2 lopatky středem O natáčení břitu lopatky. Tato situace je zobrazena jako břit L3 lopatky, který je vůči ose y natočen o úhel α+φ. Senzor Sl průchodu břitu lopatky a střed O natáčení břitu lopatky leží ve dvou různých rovinách, kolmých na osu otáčení lopatkového kola, mezi nimiž je nenulová vzdálenost dl. Osa otáčení lopatkového kola je ve znázorněném příkladu rovnoběžná s osou x souřadnicového systému. Rozdílnému času průchodu břitu L3 lopatky středem O natáčení břitu lopatky a průchodu břitu L2 lopatky pod senzorem Sl průchodu břitu lopatky odpovídá na ose y vzdálenost cl. tedy vzdálenost mezi body Pl a Sl na obr. 1.

Způsob I.

Vzdálenost cl můžeme vyjádřit jako cl = DRAčl kde Ω [rad/s] je úhlová frekvence otáčení lopatkového kola, R je poloměr lopatkového kola a Atl je naměřená časová diference průchodu břitu L2a L3 pod senzorem Sl průchodu břitu lopatky. Pro úhlové veličiny v obr. 1 platí vztahy

Z obou vztahů můžeme odvodit výsledný vztah pro výpočet úhlového natočení cg břitu lopatky

-2 CZ 2019 - 481 A3

Při měření senzorem S2 svírá břit LI lopatky s osou y úhel α. V jiném časovém okamžiku, tedy v jiné otáčce stroje, může dojít k tomu, že se břit LI lopatky natočí o úhel cg. Taková situace je znázorněna břitem L2 lopatky, který právě prochází pod senzorem S2 průchodu břitu lopatky. V jistém časovém okamžiku prochází břit L2 lopatky středem O natáčení břitu lopatky. Tato situace je zobrazena jako břit L3 lopatky, který je vůči ose y natočen o úhel α + cp. Senzor S2 průchodu břitu lopatky a střed O natáčení břitu lopatky leží ve dvou různých rovinách, kolmých na osu otáčení lopatkového kola, mezi nimiž je nenulová vzdálenost d2. Osa otáčení lopatkového kola je ve znázorněném příkladu rovnoběžná s osou x souřadnicového systému. Rozdílnému času průchodu břitu L3 lopatky středem O natáčení břitu lopatky a průchodu břitu L2 lopatky pod senzorem S2 průchodu břitu lopatky odpovídá na ose y vzdálenost c2, tedy vzdálenost mezi body P2 a S2 na obr. 1.

Způsob II.

Obdobně jako v předchozím případě můžeme vzdálenost c2 při měření senzorem S2 vyjádřit jako = kde Ω [rad/s] je úhlová frekvence otáčení lopatkového kola, R je poloměr lopatkového kola a At2 je naměřená časová diference průchodu břitu L2 a L3 pod senzorem S2 průchodu břitu lopatky. Pro úhlové veličiny v obr. 1 platí vztahy

Způsob III.

Uvažujme nyní třetí možnost, kdy břit LI lopatky leží pod senzorem S1 a zároveň prochází bodem PO, přičemž svírá s osou y úhel a. Na senzorech SI, S2 registrujeme průchody břitu lopatky v časech t3S 1 at3S2, jejichž časová diference těchto údajů je

Pro úhlové veličiny v obr. 1 platí vztahy

kde At3'je časová diference časů průchodů břitu lopatky v jiné otáčce po natočení břitu LI lopatky

-3 CZ 2019 - 481 A3 do polohy L2 o úhel g)

Pro stanovení výsledného úhlu natočení lopatky jsou k dispozici následující způsoby výpočtu:

1. Aritmetický průměr hodnot (g stanovených způsobem I a II.

2. Aritmetický průměr hodnot stanovených způsobem I a III.

3. Aritmetický průměr hodnot (g stanovených způsobem II a III.

4. Aritmetický průměr stanovených způsobem I, II a III.

5. Vážený aritmetický průměr hodnot (g stanovených způsobem I a II.

6. Vážený aritmetický průměr hodnot (g stanovených způsobem I a III.

7. Vážený aritmetický průměr hodnot g) stanovených způsobem II a III.

8. Vážený aritmetický průměr cg stanovených způsobem I, II a III.

Tímto způsobem je dosaženo potlačení soustavných chyb a zvýšení přesnosti měření úhlu natočení břitu lopatky.

Průmyslová využitelnost

Způsob stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace lze využít pro monitorování stavu lopatek velkých lopatkových strojů za provozu a jejich ochranu před devastujícími haváriemi. Vynález lze využít zejména při zajištění bezpečného provozu parních a plynových turbín, velkých ventilátorů a kompresorů, kde dochází v důsledku odstředivých sil a superpozici vibrací k nadměrnému namáhání dlouhých rotujících lopatek, které může vést při jejich odlomení k havárii stroje s velkými ekonomickými ztrátami a v případě elektrárenských turbosoustrojí i celospolečenskými škodami. Znalost skutečné hodnoty natočení břitů lopatek je také důležitá pro optimalizaci účinnosti lopatkového stroje.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob stanovení natočení břitu lopatky lopatkového stroje za rotace, vyznačující se tím, že na stator lopatkového stroje se v rovině kolmé na osu rotace lopatkového stroje, která je zároveň různá od rovnoběžné roviny, v níž leží střed (O) natáčení břitu lopatky, umístí první senzor (Sl) průchodu břitu lopatky a v rovině kolmé na osu rotace lopatkového stroje, která je zároveň různá od roviny prvního senzoru (Sl) průchodu břitu lopatky a zároveň je různá od rovnoběžné roviny, v níž leží střed (O) natáčení břitu lopatky, se umístí druhý senzor (S2) průchodu břitu lopatky, přičemž se známými metodami pro měření času stanoví časové diference průchodu břitu lopatek v různých otáčkách pod prvním senzorem (Sl) průchodu břitu lopatky a pod druhým senzorem (S2) průchodu břitu lopatky, ze kterých se následně vypočte hodnota úhlového natočení (φ) lopatky jako aritmetický průměr nebo vážený aritmetický průměr z jednotlivých měření prvním senzorem (Sl) průchodu břitu lopatky a druhým senzorem (S2) průchodu břitu lopatky, nebo prvním senzorem (Sl) průchodu břitu lopatky a současně prvním senzorem (Sl) průchodu břitu lopatky a druhým senzorem (S2) průchodu břitu lopatky, nebo druhým senzorem (S2) průchodu břitu lopatky a současně prvním senzorem (Sl) průchodu břitu lopatky a druhým senzorem (S2) průchodu břitu lopatky nebo prvním senzorem (Sl) průchodu břitu lopatky a druhým senzorem (S2) průchodu břitu lopatky a současně prvním senzorem (Sl) průchodu břitu lopatky a druhým senzorem (S2) průchodu břitu lopatky.

1 výkres

Seznam vztahových značek x osa x souřadnicového systému (axiální směr) y osa y souřadnicového systému (obvodový směr otáčení) ý posunutá osa souřadnicového systému

O střed natáčení břitu lopatky

LI břit lopatky - výchozí poloha

L2 břit lopatky - poloha po natočení

L3 břit lopatky - posunutá poloha po natočení

S1 první senzor průchodu břitu lopatky

S2 druhý senzor průchodu břitu lopatky PO průsečík břitu LI lopatky a osy y[ P1 průsečík břitu L3 a osy y P2 průsečík břitu L3 a osy y[

P3 průsečík kolmice na osu y procházející středem O natáčení břitu lopatky a osy y P4 průsečík kolmice na osu y procházející středem O natáčení břitu lopatky a osy y[ a výchozí úhel břitu lopatky vůči ose y φ hodnota úhlového natočení břitu lopatky al vzdálenost mezi průmětem senzoru Sl do osy y a průsečíkem P3 kolmice procházející středem O natáčení břitu lopatky a osy y a2 vzdálenost mezi průmětem senzoru S2 do osy y a průsečíkem P4 kolmice procházející středem O natáčení břitu lopatky a posunuté osy y[ aO 1 vzdálenost průsečíku PO a průsečíku osy y[ a kolmice vedené senzorem Sl na osu y[ a02 rozdíl vzdáleností al a a2 bl vzdálenost mezi průsečíkem Pl a průsečíkem P3 kolmice procházející středem O natáčení břitu lopatky a osy y b2 vzdálenost mezi průsečíkem P2 a průsečíkem P4 kolmice procházející středem O natáčení břitu lopatky a posunuté osy y[ c 1 rozdíl vzdáleností al abl c2 rozdíl vzdáleností a2 ab2 dO vzdálenost osy y a posunuté osy y[

- 5 CZ 2019 - 481 A3 dl vzdálenost roviny kolmé na osu otáčení lopatkového stroje, v níž leží senzor S1 průchodu břitu lopatky a roviny kolmé na osu otáčení lopatkového stroje, v níž leží střed O natáčení břitu lopatky d2 vzdálenost roviny kolmé na osu otáčení lopatkového stroje, v níž leží senzor S2 průchodu břitu lopatky a roviny kolmé na osu otáčení lopatkového stroje, v níž leží střed O natáčení břitu lopatky