ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ковязін Віктор Олексійович

УДК 621.313.3

КОНТРОЛЬ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ КОНСТРУКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ РОТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА ЕЛЕКТРОІМПУЛЬСНИМ МЕТОДОМ

Спеціальність 05.09.01 – електричні машини і апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті (ДонНТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Рогозін Георгій Григорович,

Донецький національний технічний університет,

професор кафедри електричних систем

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шумілов Юрій Андрійович, Київський національний технічний університет “Київська політехніка”, професор кафедри електромеханіки, м. Київ;

кандидат технічних наук Конохов Микола Миколайович, Донецький інститут залізничного транспорту, доцент кафедри автоматизації, телемеханіки, зв'язку і обчислювальної техніки, м. Донецьк.

Провідна установа:

науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут важкого електромашинобудування Міністерства промислової політики України, відділ головного конструктора з випробувань електричних машин (відд. 129), м. Харків.

Захист відбудеться 24 жовтня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 Донецького національного технічного університету, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 1, ауд. 1.201.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонНТУ, Україна, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 2.

Автореферат розісланий ____________________

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Ларін А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Високі вимоги до надійності турбогенераторів при великих навантаженнях на активні матеріали спонукає до пошуку і впровадження нових способів технічної діагностики в процесі їх виробництва. Підвищення якості виготовлення і рівня надійності експлуатації турбогенераторів може бути досягнуте шляхом розробки ефективних методів діагностики стану окремих елементів їх конструкції. До числа найважливіших задач цього напряму потрібно віднести забезпечення контролю стану елементів конструкції ротора, зокрема, клинової системи і бандажних кілець, не виявлені дефекти яких можуть приводити до важких аварій.

До теперішнього часу розроблено ряд методів контролю стану роторів турбогенераторів. Найбільш поширені з них засновані на використанні для діагностування вібрації ротора машини і ультразвука. При всіх перевагах останнього методу діагностики він трудомісткий і має обмежену область застосування. З аналізу відомих засобів і методів діагностики роторів турбогенераторів, витікає, що в світовій практиці відсутні методи виявлення дефектів клинової системи, а також втомних і корозійних тріщин бандажних кілець в умовах нерухомого ротора і ротора, що обертається на зібраній, відключеній від мережі машини.

Ефективний контроль технічного стану конструктивних елементів ротора турбогенератора, за вказаними умовами, забезпечуються при використанні електроімпульсного тестового впливу, що формується однополярним зрізом перехідного процесу, виникаючого при гасінні постійного струму в обмотці збудження за допомогою конденсатора. У цьому випадку сигнал реакції ротора турбогенератора, що реєструється на його кільцях, пропорційний похідної струму вільного перехідного процесу в масивних елементах конструкції ротора.

З викладеного витікає, що розробка ефективних методів контролю стану масивних елементів конструкції ротора турбогенератора, що механічно сполучаються, в умовах його виробництва є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота відповідає напрямку науково-дослідних робіт кафедри “Електричні системи” Донецького національного технічного університету. Матеріали дисертаційної роботи використовувалися при виконанні науково-дослідної роботи Н-4-97.

Мета роботи. Встановлення критеріїв класифікації несправностей елементів конструкції ротора і на їх основі розроблення методики контролю технічного стану конструктивних елементів ротора при діагностуванні його електроімпульсним методом в умовах виробництва і експлуатації турбогенераторів.

Ідея роботи. На основі математичного моделювання відхилень станів елементів конструкції ротора, експериментального дослідження процесу діагностування з використанням електроімпульсного методу запропоновані критерії працездатності і методика контролю технічного стану елементів конструкції ротора турбогенератора.

Задачі досліджень. Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні задачі:

- математичного моделювання перехідного процесу в масивному роторі турбогенератора та моделювання несправностей елементів конструкції ротора;

- розробки методики проведення діагностичного випробування в умовах заводу-виготівника;

- аналізу експериментальних перехідних функцій вихрових струмів в масивних елементах конструкції ротора;

- розробки промислової методики діагностування ротора турбогенератора.

Об'єктом досліджень є ротор турбогенератора в процесі його виготовлення і випробування в умовах заводу-виготівника.

Предметом досліджень є механічний стан конструктивних елементів ротора турбогенератора.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на положеннях теорії лінійних електричних кіл, загальній теорії електричних машин і теорії розпізнавання образів. Експериментальні дослідження виконані на роторі турбогенератора ТГВ-200М в процесі його збирання на заводі-виготівнику з використанням методів теорії планування експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- отримав подальший розвиток метод визначення перехідних функцій вихрових струмів в масиві ротора, який відрізняється тим, що він застосований в процесі поопераційної зборки ротора турбогенератора;

- встановлена уперше кількісна залежність параметрів імпульсної перехідної функції вихрових струмів в масиві ротора від характеристик завершеності операцій, що дозволяє обгрунтовано застосувати електроімпульсний метод для технічного контролю технологічного процесу зборки ротора турбогенератора;

- встановлено уперше, що межі між класами, що характеризують операції зборки ротора турбогенератора, ефективно визначаються на основі перцептронного підходу теорії розпізнавання образів, що дозволяє в розрахунках по визначенню областей образів несправностей використати лінійні вирішальні функції;

- уперше отримані критерії спостереження пошкоджень клинової системи і бандажних кілець у вигляді коефіцієнтів лінійних вирішальних функцій, що дозволяють розпізнавати несправності масивних елементів конструкції ротора турбогенератора.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи забезпечується коректним застосуванням чисельних методів прикладної математики і теорії розпізнавання образів на основі фундаментальних положень електромеханіки і підтверджується узгодженням теоретичних висновків про можливості розпізнавання несправностей конструктивних елементів ротора з експериментальними результатами, отриманими в умовах виробництва турбогенераторів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- внаслідок дослідження вперше в світовій практиці розроблений експрес-метод діагностування конструктивних елементів ротора, заснований на застосуванні імпульсного впливу і аналізі діагностичного сигналу, що відображає перехідну функцію вихрових струмів в масиві ротора методами теорії розпізнавання образів;

- розроблені типові матриці симптомів порушення технологічного регламенту поопераційного збирання ротора в умовах його виготовлення;

- вдосконалені принципи побудови систем реєстрації інформативних діагностичних сигналів шляхом оптимізації параметрів схеми формування тестового імпульсного впливу і розроблена структурна схема технічного засобу діагностики елементів конструкції ротора, яка реалізована в лабораторному макеті автоматизованого комплексу.

Реалізація висновків і рекомендацій отриманих в роботі. Встановлені критерії і розроблена промислова методика діагностування ротора в процесі збирання і випробуваннях на стенді рекомендовані для застосування на Харківському турбогенераторному заводі.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації докладалися на семінарах Наукової Ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (Донецьк, ДонДТУ, 1996), на II Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці і електроенергетиці” (Україна, м. Львів, 1997), на Міжнародній науково-технічній конференції “Управління режимами роботи об'єктів електричних систем – 2000” (Україна, м. Донецьк, 2000).

Публікації. По темі дисертації опубліковано шість наукових робіт, серед яких 3 в наукових виданнях України (5 у збірниках наукових праць і 1 у науковому журналі).

Структура і об'єм дисертації. Складається з вступу, 6 розділів, висновку, списку використаних джерел із 61 найменування на 6 сторінках, двох додатків на 13 сторінках. Викладена на 126 сторінках, у тому числі 107 сторінок основного тексту, містить 19 ілюстрацій і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані її мета і задачі дослідження, охарактеризовані наукова новизна і практична значущість результатів.

У першому розділі дана оцінка сучасному стану технічної діагностики турбогенераторів. Відзначено, що розвиток промислових випробувань спочатку відбувався по шляху використання методів і засобів контролю різних параметрів, потім - моніторингу, і, на останньому етапі - систем діагностики і прогнозу технічного стану. Сучасні системи моніторингу і діагностики електричних машин будуються на базі неруйнуючих методів контролю і діагностування.

Охарактеризовані ультразвуковий і віброакустичний методи діагностики електричних машин, які отримали найбільший розвиток в цей час. Вказані їх переваги і недоліки при контролі стану конструктивних елементів ротора турбогенератора.

Показано, що проблема діагностики і прогнозування технічного стану елементів конструкції ротора турбогенератора в умовах його виробництва може бути ефективно вирішена з використанням електроімпульсного методу діагностування, що дозволяє збуджувати в масивних конструктивних елементах ротора вихрові струми, що протікають в тонкому поверхневому шарі. Характер зміни останніх відображає перерозподіл шляхів протікання вихрових струмів в масивних конструктивних елементах ротора, зумовлений зміною контактних опорів в місцях механічних сполучень клинової системи і бандажних кілець. Діагностичний сигнал, як реакція на імпульсний вплив, містить необхідну інформацію для того, щоб за допомогою сучасних інформаційних технологій виявити дефектний вузол ротора, характер і інтенсивність пошкодження і відхилення від регламенту збирання.

Обгрунтована необхідність проведення досліджень в області контролю стану клинів і бандажних кілець ротора турбогенератора імпульсним методом і позначена перспективність застосування отриманих результатів в складі систем діагностування турбогенераторів на електричних станціях і контролю якості їх виготовлення в процесі виробництва.

У другому розділі розроблена методика досліджень на основі методів неруйнуючого контролю. Алгоритм виконання основних етапів досліджень розроблений у вигляді діаграми Нессі-Шнейдермана (рис. 1) і передбачає теоретичні і експериментальні дослідження направлені на проведення поглибленого аналізу перехідних функцій вихрових струмів в елементах конструкції ротора і розробку промислової методики діагностування ротора в умовах виробництва турбогенератора на основі теорії розпізнавання образів.

Визначені три групи задач по дослідженню імпульсного методу і шляхи їх вирішення. До першої групи відносяться моделювання перехідного процесу в масивних елементах конструкції ротора при гасінні постійного струму в обмотці збудження на конденсатор і математичне моделювання несправностей конструктивних елементів з використанням структурної схеми заміщення ротора турбогенератора, що виконуються методами теорії лінійних електричних кіл і загальної теорії синхронних машин, котрі мають достатню точність для досліджень, що проводяться. Друга група задач, пов'язана з плануванням, організацією і проведенням експерименту в процесі виробництва ротора на заводі-виготівнику, вирішується відповідно до технологічних карт провадження робіт на роторі турбогенератора. При цьому застосовуються методи теорії планування експерименту при первинній обробці отриманій в ході експерименту інформації (апроксимація перехідних функцій експоненційними складовими, оцінка погрішності результатів вимірювань), і використовується лабораторний макет автоматизованого комплексу засобів вимірювання діагностичного сигналу. Третя група задач, яка пов'язана з виробленням діагностичних критеріїв стану клинової системи та бандажних кілець ротора турбогенератора, вирішується за допомогою методів теорії розпізнавання образів.

Рис. 1. Схема досліджень при розробці нової методики діагностування ротора.

У третьому розділі виконується моделювання перехідного процесу в масивному роторі турбогенератора при гасінні постійного струму в обмотці збудження на конденсатор з метою визначення оптимальних параметрів схеми формування імпульсного впливу (ємності конденсатора) і оцінки впливу на перехідну функцію основних факторів, що обумовлюють фактичні умови проведення експерименту при видаленому і встановленому в розточку статора роторі (параметрів пристрою реєстрації діагностичного сигналу, блокового трансформатора при розімкненій обмотці високої напруги, міжвиткової ємності обмотки збудження).

Приведена схема (рис. 2) тестового діагностування з коротким описом суті і особливостей електроімпульсного методу.

Рис. 2. Схема випробувань синхронної машини при видаленому (1, 2) і встановленому роторі в розточці статора (1, 2, 3):

1 – блок формування тестового впливу: VT – діод; UG – блок живлення; С1 – ємність, що гасить струм обмотки збудження; S – транзисторний ключ;

2 – ротор: LD – еквівалентні контури масивних конструктивних елементів ротора; LG – обмотка збудження;

3 – статор: LS – обмотка статора; PS – пристрій реєстрації напруги; T – трансформатор силовий; QF – вимикач.

Вказані наступні допущення, що приймаються при моделюванні перехідного процесу:

- не враховується вплив реакції шихтованого магнітопроводу статора;

- магнітна система машини по шляхах основного магнітного потоку і потоків розсіяння в процесі діагностування ротора приймається ненасиченою, при величині магнітної проникності сталі рівної деякому незмінному значенню в залежності від передісторії електромагнітного перехідного процесу;

- складні явища в масивних елементах ротора представляються відповідно до загальноприйнятої практики обмеженим числом еквівалентних контурів (рівним двом), які отримані шляхом синтезу схеми заміщення за експериментальною частотною характеристикою статорної провідності;

- реальна характеристика транзистора при переході протікаючого струму через нульове значення приймається ідеальною.

Умова лінійності зміни магнітного потоку турбогенератора по шляхах основного магнітного потоку і потоків розсіяння забезпечується переходом до часткового несиметричного гістерезисного циклу за допомогою багаторазових циклічних перемагнічювань масиву струмом величиною тестового впливу в режимі формування початкових умов, відповідних прийнятим допущенням.

Особливості реальної характеристики транзистора приймаються до уваги при аналізі результатів експерименту. Основні часові інтервали, що характеризують електромагнітний перехідний процес показані на рис. 3. Зміни електромагнітних координат стану ротора при проведенні діагностичного експерименту працюючої на холостому ході машини (елементи 1, 2, 3 рис. 2) містять наступні часові інтервали: 0 – t1 - підйом струму збудження від джерела постійного струму малої потужності; 0 – t2 - формування вхідного імпульсного впливу; t1 – t2 - гасіння магнітного поля струму в обмотці збудження за допомогою конденсатора; t2 - t?8- вільна зміна вихрових струмів в масиві ротора.

Рис. 3. Характер зміни струмів в роторі і електрорухомої сили на виводах обмотки збудження турбогенератора.

Характер зміни струму в роторі при відсутності в схемі рис. 2 діода VT показан на рис. 3 пунктирною лінією (інтервал t2 - 8).

На основі схем заміщення турбогенератора для етапів формування діагностичного сигналу (рис. 4) і вільного загасання струмів в масиві ротора (рис. 5), а також параметрів, що відповідають їх елементам з використанням законів Кирхгофа складені і вирішені за допомогою математичного редактора MathCAD_7 системи диференціальних рівнянь перехідного процесу в роторі турбогенератора ТГВ-200М. У матричній формі запису для етапу формування діагностичного сигналу система диференціальних рівнянь записується таким чином:

У системі рівнянь:

Рис. 4. Схема заміщення турбогенератора при моделюванні перехідних процесів в роторі на етапі формування діагностичного сигналу.

Рис. 5. Схема заміщення турбогенератора при моделюванні перехідних процесів в роторі на етапі вільного загасання струмів в демпферній системі.

Для схеми заміщення, що відображає етап вільної зміни струмів в контурах демпферної системи ротора (рис. 5), диференціальні рівняння в матричній формі запису мають вигляд:

де

Вплив досліджуваних факторів проводиться при включенні тільки одного з ключів S2 – S5 (див. рис. 4 і 5).

Далі аналізуються результати моделювання перехідних процесів в масиві ротора турбогенератора. Оцінка впливу вказаних вище факторів проводилася шляхом зіставлення характеристик розрахункових перехідних функцій струму в конструктивних елементах ротора турбогенератора, отриманих без урахування і з урахуванням їх впливу. При виборі оптимальної ємності конденсатора в колі обмотки збудження розрахунки проводилися при варіації величини ємності конденсатора С1 (рис. 1) в межах від 50 до 900 мкФ. При оцінці впливу вимірювального комплексу активний опір макета змінювався в межах від 20 кОм до 1000 кОм, а вхідна ємність – від 10 пФ до 10 мкФ, що перевищує величину ємності обмотки збудження на порядок. Параметри схеми заміщення блокового трансформатора в режимі холостого ходу зведені до потужності турбогенератора, значно перевищують параметри схеми заміщення останнього.

За підсумками моделювання перехідних процесів в еквівалентних контурах масивного ротора турбогенератора типу ТГВ-200М встановлено:

- оптимальна, за умовою наведення в масиві ротора найбільшого значення вихрових струмів, величина емності конденсатора в схемі формування діагностичного впливу становить 500 – 900 мкФ;

- вхідний опір і вхідна ємність макета вимірювального комплексу, а також ємність міжвиткової ізоляції обмотки збудження не надають істотного впливу на аперіодичні складові перехідної функції діагностичного сигналу;

- вплив активних і індуктивних опорів обмоток статора і нижчої напруги трансформатора енергоблока, відключених від енергосистеми вимикачем на стороні вищої напруги трансформатора, при проведенні діагностичних впливів з боку обмотки збудження, практично не змінює характеру перехідного процесу вихрових струмів в масиві ротора турбогенератора.

У четвертому розділі здійснюється математичне моделювання пошкоджень елементів конструкції ротора турбогенератора з метою виявлення найбільш інформативних діагностичних параметрів і найбільш ефективних заходів схожості образів.

Математичне моделювання тестового діагностування включає:

- синтез структурної схеми заміщення ротора за експериментальними даними ідентифікації електромагнітних параметрів масиву у вигляді амплітудно-фазної частотної характеристики еквівалентної провідності;

- побудову моделей пошкоджень ротора і відображення варіацій останніх в частотну область з використанням структурної схеми заміщення елементів конструкції ротора;

- аналіз моделей несправностей стану ротора, що представляються в формі амплітудно-фазних частотних характеристик, з використанням методів теорії розпізнавання образів.

При побудові структурної схеми заміщення приймаються наступні допущення:

а) залежність еквівалентних опорів від величини протікаючих вихрових струмів в масиві при моделюванні пошкоджень не враховується;

б) магнітна проникність сталі, при зміні її магнітного стану по несиметричних стійких часткових гістерезисних циклах в дослідах імпульсного впливу, приймається постійною;

в) активні складові еквівалентного комплексного опору масивної поковки ротора і еквівалентного комплексного опору кінцевих елементів ротора приймаються, аналогічно тому, як це прийняте в розрахунковій практиці пропорційними кореню квадратному від частоти, а індуктивні - такий же, але зворотно-пропорційною залежністю.

Умовою синтезу структурної схеми, розрахунково-експериментальним методом, що розглядається, є відомість комплексного вхідного опору масивного ротора при промисловій частоті струму . Можливість однозначного визначення параметрів елементів структурної схеми заміщення забезпечується при відомих значеннях співвідношень:

Два перших співвідношення визначаються початковими умовами діагностичного експерименту. Формування діагностичного впливу і вільний перехідний процес в масиві ротора, відбуваються при зміні магнітного стану машини по частковому несиметричному гістерезисному циклу. Магнітна проникність по основному шляху магнітного потоку при цьому виявляється близькою до її значення, визначуваного на прямолінійній дільниці низхідної гілки основної петлі гістерезиса. Подібна умова дозволяє приймати . Третє співвідношення визначається геометричними розмірами ротора турбогенератора за виразом

де - число пар полюсів;

- радіус кола по дну паза ротора, см;

- довжина активної частини машини, см;

- діаметр бочки ротора, см.

Таким чином, аналітичний метод синтезу структурної схеми заміщення ротора турбогенератора заснований на рішенні рівнянь, перше з яких включає в себе активний опір клинів :

Як приклад розглядається синтез структурної схеми заміщення по відомих значеннях параметрів "сходової" схеми заміщення демпферної системи ротора турбогенератора ТВВ-200-2, отриманим співробітниками ВНІІЕлектромаш (м. Санкт-Петербург) за даними досліду загасання постійного струму в обмотці статора турбогенератора.

Моделювання пошкоджень здійснювалося шляхом внесення змін в параметри структурних елементів схеми заміщення. Рівень впливів встановлювався відповідно до виразу

де - символ елемента в структурній схемі заміщення, ;

- дискретна міра приростів вар'іруємого параметра.

При моделюванні не розглядалися комбінації пошкоджень різного характеру, і приймалося допущення про пропорційну зміну активних і індуктивних складових опорів феромагнітних елементів конструкції ротора при їх пошкодженні. Аналіз моделей пошкоджень в частотній і часовій області провідності масиву ротора показав, що розпізнавання найбільш небезпечних пошкоджень в кінцевих елементах ротора можливе, а пошкодження клинової системи і масиву бочки ротора практично не помітні між собою.

Аналіз можливості застосування неметричних заходів схожості вказує на неефективність останніх для розпізнавання пошкоджень елементів конструкції ротора турбогенератора.

У п'ятому розділі представлені результати експериментального дослідження похідних перехідних функцій вихрових струмів масиву ротора турбогенератора.

Фізичне моделювання якості зборки елементів конструкції ротора здійснювалося шляхом зміни кількості клинів в пазах ротора, в процесі послідовної установки бандажних кілець і випробувань ротора, що обертається з різною частотою.

При проведенні досліджень використовувався, розроблений в ході проведення експериментальної частини роботи, лабораторний макет комплексу засобів вимірювань. Для вимірювального комплексу зроблений аналіз погрішностей. Отримані метрологічні характеристики підтверджують, що комплекс задовольняє вимозі по точності реєстрації початкової стадії зміни похідної перехідної функції струму.

Реєстрація діагностичного сигналу проводилася в процесі збирання ротора на етапах проведення технологічних операцій по монтажу клинової системи, після установки першого бандажа (розташованого з боку протилежного кільцям ротора) і після установки другого бандажа. При оцінці якості виконання технологічних операцій по установці клинів і бандажних кілець як еталонний зразок був прийнятий ротор в зборі. Реєстрація діагностичного сигналу на кільцях ротора в процесі проведення досліджень здійснювалася через інтервали часу 100 ?кс. Величина постійного струму в обмотці збудження при формуванні вхідного сигналу при напрузі 15 В становила 10 А. Вихід на стабільну дільницю початкової кривої несиметричного гістерезисного циклу забезпечувався 5 - 7 кратною подачею тестового впливу на масив ротора, що раніше не піддавався намагніченню (після завершення технологічних операцій по укладанню, паянню та обпресовуванню котушок ротора). Випробування ротора на оборотах проводилися при обертанні ротора з частотою 1000, 2000 і 3000 об/хв. Як еталонний образ була прийнята імпульсна перехідна функція ротора, що обертається з частотою 3000 об/хв.

Виміряні на кільцях ротора значення електрорухомої сили взаємоіндукції пропорційні похідної перехідної функції вихрових струмів в елементах конструкції ротора, наведених діагностичним впливом в обмотці ротора, в процесі обробки сигналу відгуку апроксимувались сумою експонентних складових:

де ufk, aDk - початкове значення і коефіцієнт загасання k-тої експоненційної складової.

Початкові значення електрорухомої сили , нормувалися виходячи з умови:

.

Внаслідок апроксимації визначалися параметри виділених експоненційних складових перехідних функцій, які надалі використовувалися для кількісної оцінки міри відмінностей, відповідних окремим етапам збирання ротора і частотам обертання останнього.

Перевірка однорідності результатів вимірювань в дослідах (виявлення грубих помилок) проводилася у відповідності з “Правилами оцінки аномальності результатів спостережень” (СТ 545 - 77). Методика рішення цієї задачі зводиться до визначення відповідного довірчого інтервалу при рівні значущості a= 0,05.

Результати апроксимації експериментальних перехідних функцій ротора турбогенератора, що відображають окремі характерні стадії процесу збирання, а саме, установки клинів і бандажних кілець, приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Параметри апроксимації імпульсних перехідних функцій ротора

Виконані етапи збирання ротора і характеристика їх завершеності: | Початкове значення

експоненційної складової ЕРС, ufk, д.о. | Постійна часу aDk=1/aDk, с

1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3

вентиляційні клини, 14,3 % | 0,103 | 0,700 | 0,197 | 0,229 | 0,025 | 0,0036

три ряди клинів,

35,7 % | 0,094 | 0,730 | 0,175 | 0,250 | 0,029 | 0,0039

вісім рядів клинів, 71,4 % | 0,093 | 0,725 | 0,182 | 0,256 | 0,030 | 0,0045

дванадцять рядів клинів, 100 % | 0,093 | 0,740 | 0,167 | 0,268 | 0,031 | 0,0051

перше бандажне кільце | 0,098 | 0,672 | 0,230 | 0,288 | 0,033 | 0,0066

друге бандажне кільце | 0,091 | 0,620 | 0,289 | 0,427 | 0,046 | 0,0074

Результати апроксимації дослідних імпульсних перехідних функцій вихрових струмів експоненційним рядом при різних значеннях частоти обертання ротора приведені в табл. 2.

Таблиця 2

Параметри апроксимації імпульсних перехідних функцій ротора, що обертається

Частота обертання ротора,

об/хвПочаткове значення

експоненційної складової ЕРС, ufk, д.о.

Постійна часу aDk=1/aDk, с

1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3

0 | 0,092 | 0,734 | 0,174 | 0,268 | 0,031 | 0,0055

1000 | 0,088 | 0,676 | 0,236 | 0,289 | 0,034 | 0,0096

2000 | 0,089 | 0,617 | 0,293 | 0,277 | 0,031 | 0,0083

3000 | 0,105 | 0,658 | 0,237 | 0,242 | 0,030 | 0,0055

Аналіз діагностичних сигналів включав в себе (як міра схожості образів стану клинової системи і бандажних кілець, при нерухомому роторі, і що обертається) М вирішальних функцій d(x), що володіють тією властивістю, що при наявності деякого образу (вектора) х i-му класу, виконується система нерівностей:

di(x)>dj(x), j ? i.

Рішення задачі про розділення на класи простору образів ротора еквівалентне рішенню системи лінійних нерівностей. Рішення останньої шукається у вигляді вектора терезів w, що визначає межі між класами, які є критеріями класифікації несправностей елементів конструкції масивного ротора турбогенератора.

Рівняння поверхні, що забезпечує розділення класів ?i і ?j, в загальному вигляді задається рівнянням

di, j(x)=di(x)-dj(x)=(wi1-wj1)x1+(wi2-wj2)x2+…+(win-wjn)xn+(wi, n+1-wj, n+1)=0.

Для визначення кількості кластерів, що виділяються в початкових даних, використовувався алгоритм, заснований на максимінній (максимально-мінімальній) відстані і що являє собою евристичну процедуру, що використовує евклидову відстань. Межі між класами образів станів елементів конструкції ротора визначалися за допомогою одного з різновидів перцептронного підходу, а саме, алгоритму фіксованого приросту.

На основі вирішальних функцій визначені рівняння меж (гіперплощин), що відділяють класи між собою.

Отримані в результаті обробки імпульсних перехідних функцій вихрових струмів, межі, що розділяють класи, тобто, коефіцієнти у вигляді векторів терезів, є основою для створення автоматичної системи розпізнавання образів несправностей масивних елементів конструкції ротора турбогенератора.

У шостому розділі розроблена методика діагностування конструктивних елементів ротора турбогенератора і приведені принципи побудови матриці симптомів порушення технологічного регламенту при збиранні ротора. Основні положення методики контролю стану клинової системи та бандажних кілець ротора можуть бути зведені до наступного:

- для кожного типорозміру з вироблюваних на заводі-виготівнику турбогенераторів встановлюється еталонна характеристика, що відображає стабільність характеристик схожості образу стану ротора для ряду машин, що мають ідентичні властивості матеріалів, що використовуються, якості обробки поверхонь елементів конструкції ротора і допустимих відхилень від заданого класу точності виготовлення останніх;

- проведення діагностичних процедур здійснюється при стандартних умовах: а) за тепловим станом ротора; б) по швидкості обертання ротора; в) по методиці стабілізації магнітного стану сталі ротора для переходу до несиметричного часткового циклу перемагнічювання сталі ротора близькому до лінійної частини спадаючої гілки граничного гістерезисного циклу при малій напруженості магнітного поля;

- оцінюється стан елементів конструкції ротора шляхом визначення міри схожості образів стану ротора, при використанні лінійних розділяючих функцій.

На базі функціонального алгоритму і структурної схеми типового автоматизованого експериментального комплексу, виходячи із задач контролю стану ротора і враховуючи основні положення по діагностиці останнього, розглянутий один з можливих варіантів структурної схеми автоматизованого пристрою контролю стану елементів конструкції ротора турбогенератора. Автоматизація процесів роботи пристрою заснована на застосуванні комп'ютера як одного з його компонентів.

У додатках представлені тексти програм, що використовуються при моделюванні пошкоджень ротора турбогенератора і аналізі експериментальних даних.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача по визначенню критеріїв класифікації відхилень станів елементів конструкції ротора турбогенератора від їх еталонних характеристик в умовах його виробництва. Запропоновані критерії, у вигляді лінійних вирішальних функцій, дозволяють поставити діагноз про технічний стан елементів конструкції ротора турбогенератора. Використання отриманих критеріїв при діагностуванні ротора імпульсним методом в умовах виробництва турбогенераторів підвищує якість виготовлення і надійність турбогенераторів в експлуатації.

Основним підсумком виконаної роботи є отримання наступних основних наукових і практичних результатів:

1. На основі аналізу існуючих методів діагностування електричних машин, в тому числі ультразвукового і віброакустичного, показана перспективність застосування імпульсного методу для контролю технічного стану клинової системи і бандажів ротора турбогенератора.

2. Внаслідок математичного моделювання перехідного процесу в обмотці збудження і масивних елементах конструкції ротора турбогенератора:

- визначені оптимальні параметри схеми формування імпульсного впливу;

- оцінена міра впливу на діагностичний сигнал кіл вимірювального комплексу і ємності обмотки збудження;

- отримані параметри перехідної функції струмів в масиві ротора, видаленого з розточки статора.

3. Внаслідок математичного моделювання відхилень станів елементів конструкції ротора турбогенератора:

- запропонований розрахунково-експериментальний метод синтезу структурної схеми заміщення ротора, що визначає електромагнітні параметри, які відображають зміну реакції вихрових струмів в клиновій системі, бандажних кільцях і поковці ротора;

- визначені найбільш ефективні заходи схожості, що дозволяють кластеризувати образи відхилень станів елементів конструкції ротора;

- встановлена область спостереження відхилень станів елементів конструкції ротора турбогенератора, що визначається пороговим значенням симптому пошкодження, рівним 0,36 при коефіцієнті запасу, рівним 2.

4. На основі експериментальних досліджень:

- встановлена безпека (для ізоляції обмотки збудження) застосування імпульсного методу діагностування ротора;

- підтверджені результати математичного моделювання відносно можливості розпізнавання відхилень станів елементів конструкції ротора (клинової системи і бандажних кілець);

- з використанням теорії розпізнавання образів отримані критерії у вигляді лінійних вирішальних функцій, які однозначно визначають кордони між класами образів відхилень станів елементів конструкції ротора;

- запропоновані функціональний алгоритм, структурна схема контролю технічного стану ротора і методика діагностування конструктивних елементів ротора, заснована на застосуванні матриць симптомів відхилень станів елементів конструкції ротора.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ковязін В.О., Пятліна Н.Г. Математичне моделювання несправностей ротора турбогенератора з використанням структурної схеми заміщення, що відображує стан непровідникових елементів його конструкції // Семінар Наукової Ради НАН України “Ідентифікація електричних параметрів та діагностика електричних машин змінного струму”. – Донецьк: ДонДТУ. - 16 травня 1996.

2. Рогозин Г.Г., Ковязин В.А. Математическое моделирование неисправностей непроводниковых элементов конструкции ротора турбогенератора // Тез. докл. ІІ Міжнар. наук.-техн. конф. “Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці”. – Львів: ДУ “Львівська політехніка”. – 23-25 вересня 1997.

3. Рогозин Г.Г., Ковязин В.А., Пятлина Н.Г. Моделирование переходного процесса в массивном роторе турбогенератора при подаче видеоимпульса // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 4: Донецк:ДонГТУ.-1999.-С. 177-180.

4. Рогозин Г.Г., Ковязин В.А. Диагностика бандажных колец ротора турбогенератора // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія: електротехніка і енергетика, випуск 17: Донецьк: ДонДТУ.– 2000.- С. 154 – 157.

5. Рогозин Г.Г., Ковязин В.А., Пятлина Н.Г. Расчет и исследование импульсных переходных функций ротора турбогенератора и разработка методики экспресс-диагностирования бандажных узлов ротора // Збірник наукових праць Донецького державного технічного університету. Серія: електротехніка і енергетика, випуск 21: Донецьк: ДонДТУ.- 2000.- С. 162 – 167.

6. Рогозин Г.Г., Ковязин В.А., Пятлина Н.Г. Математическое моделирование повреждений непроводниковых элементов конструкции ротора турбогенератора // Электромеханика.- 2000.- №4.- С. 31 – 36.

7. G.G. Rogozin, V.A. Kovjazin Express-method for monitoring the state of turbogenerator rotor end bells // Proceedings of the 3rd International Conference on Quality, reliability and Maintenance (QRM 2000).- Oxford: 2000.-№1.- P. 167 – 170.

8. G.G. Rogozin, V.A. Kovjazin Modelling of Turbogenerator Rotors-non Condactive Monitoring // Proceedings of the 4rd International Conference on Quality, reliability and Maintenance (QRM 2002).- Oxford: 2002.

Здобувачем: в [1, 2] – розроблена програма визначення кластерів, що характеризують моделі несправностей ротора турбогенератора; в [3] - оцінений вплив кіл вимірювального комплексу і міжвиткової емності обмотки збудження на характер перехідного процесу в роторі; в [4] - визначені ефективні заходи схожості образів несправностей; в [5] – розроблена методика діагностування ротора турбогенератора; в [6] - встановлена область спостереження пошкоджень кінцевих елементів ротора; в [7, 8] - виконані експериментальні дослідження і апроксимовані перехідні функції.

АНОТАЦІЯ

Ковязін В.О. Контроль технічного стану конструктивних елементів ротора турбогенератора електроімпульсним методом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.09.01 – Електричні машини і апарати. – Донецький національний технічний університет. Донецьк, 2002.

Дисертація присвячена розробці методики контролю технічного стану конструктивних елементів ротора турбогенератора при діагностуванні його електроімпульсним методом.

Внаслідок математичного моделювання перехідних процесів і експериментальних досліджень, виконаних на роторі турбогенератора ТГВ-200М в процесі його виготовлення, встановлені критерії класифікації пошкоджень клинової системи і бандажних кілець у вигляді лінійних вирішальних функцій і на їх основі розроблена методика діагностування конструктивних елементів ротора турбогенератора.

Запропоновані критерії працездатності і методика контролю технічного стану ротора турбогенератора можуть використовуватися як на заводах-виготівниках для контролю якості, так і в умовах експлуатації на електричних станціях.

Ключові слова: ротор турбогенератора, клинова система, бандажні кільця, перехідний процес, критерії класифікації пошкоджень, лінійні вирішальні функції, методика діагностування конструктивних елементів ротора.

АННОТАЦИЯ

Ковязин В.А. Контроль технического состояния конструктивных элементов ротора турбогенератора электроимпульсным методом. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – Электрические машины и аппараты. – Донецкий национальный технический университет. Донецк, 2002.

Диссертация посвящена разработке методики контроля технического состояния конструктивных элементов ротора турбогенератора при диагностировании его электроимпульсным методом.

Повышение качества изготовления и уровня надёжности эксплуатации турбогенераторов может быть достигнуто путём разработки эффективных методов диагностики состояния отдельных элементов их конструкции. К числу важнейших задач этого направления следует отнести обеспечение контроля состояния элементов конструкции ротора, в частности, клиновой системы и бандажных колец, не выявленные дефекты которых могут приводить к тяжёлым авариям.

Используемые в настоящее время методы контроля технического состояния роторов турбогенераторов недостаточно эффективны при диагностировании клиновой системы и бандажных колец. Развитие новых способов технической диагностики обусловило необходимость исследования возможности применения импульсного метода для контроля механического состояния конструктивных элементов ротора турбогенератора.

Идея работы заключается использовании импульсного метода для контроля механического состояния конструктивных элементов ротора турбогенератора и, на основе результатов применения импульсного метода, установлении критериев работоспособности и разработке методики контроля технического состояния элементов конструкции ротора турбогенератора.

В качестве тестового воздействия используется электроимпульс, формируемый однополярным срезом переходного процесса, возникающего при гашении постоянного тока в обмотке возбуждения с помощью конденсатора. В этом случае сигнал реакции ротора турбогенератора, регистрируемый на его кольцах, пропорционален производной тока свободного переходного процесса в массивных элементах конструкции ротора.

Математическое моделирование переходных процессов в роторе турбогенератора позволило определить оптимальные параметры схемы формирования диагностического сигнала, оценить влияние блочного трансформатора, цепей измерительной аппаратуры и межвитковой емкости обмотки возбуждения, исследовать характер переходного процесса в роторе, удаленном из расточки статора.

В результате математического моделирования неисправностей конструктивных элементов ротора предложен расчетно-экспериментальный метод синтеза структурной схемы замещения ротора, определяющий электромагнитные параметры, которые отражают изменение реакции вихревых токов в клиновой системе, бандажных кольцах и поковке ротора. С помощью выше указанной схемы замещения определена “чувствительность” импульсного метода и выявлены наиболее эффективные меры сходства образов повреждений.

Экспериментальные исследования, выполненные на роторе турбогенератора ТГВ-200М в процессе его изготовления, подтвердили результаты моделирования и выводы о возможности использования импульсного метода для диагностирования ротора турбогенератора.

При помощи теории распознавания образов установлены критерии классификации повреждений клиновой системы и бандажных колец в виде линейных решающих функций и на их основе разработана методика диагностирования конструктивных элементов ротора турбогенератора.

Разработаны типовые матрицы симптомов для контроля технологического регламента сборки ротора и контроля состояния бандажного узла ротора во время режимных отключений турбогенератора.

Предложенные критерии работоспособности и методика контроля технического состояния ротора турбогенератора могут использоваться как на заводах-изготовителях для контроля качества, так и в условиях эксплуатации на электрических станциях.

Ключевые слова: ротор турбогенератора, клиновая система, бандажные кольца, переходный процесс, структурная схема замещения ротора, критерии классификации повреждений, линейные решающие функции, методика диагностирования конструктивных элементов ротора.

THE SUMMARY

Kovyazin V.A. The control of mechanical condition of the constructional elements of the turbine-type rotor by impulsive method. – Manuscript.

Dissertation is prepared to get a degree of candidate of technical sciences on speciality 05.09.01 – Electric machines and devices. – Donetsk national technical university. Donetsk, 2002.

The dissertation is initiated to develop methods of control technical condition of the constructional elements of the turbine-type rotor for diagnosing it by electroimpulsive method.

As result of mathematical design of transitional processes and experimental investigations, execute on turbogenerator rotor ТГВ-200М during it's making, are established the damages classification criterions of the rotor end bells in appearance of linear decisive functions and on it's basis is elaborating a diagnosing methods of the constructional elements of the turbine-type rotor.

The offered criterions capacity for work and methods of control technical condition turbogenerator rotor can use how on works-manufacturers for quality control, so and in exploitation conditions on electric stations.

Key words: turbogenerator, rotor, rotor end bells, transitional process, damages classification criterions, linear decisive functions, diagnosing methods of the constructional elements of the turbine-type rotor.