CN101093159A - 用于监测转动机器的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种转动机器包括至少一个转动构件和至少一个固定构件，这些构件定位成使得间隙限定在至少一个转动构件的一部分和至少一个固定构件的一部分之间。间隙具有可测量的径向尺寸，并且至少部分通过固定构件和转动构件之间的相对运动，在间隙内产生可测量的磁通。监测转动机器的间隙测量系统的方法包括提供至少一个间隙测量组件。测量组件具有至少一个尺寸测量设备和至少一个磁通测量设备。该方法还包括将至少一个测量组件定位在固定构件上，以有助于在转动机器的操作过程中进行间隙测量。

Description

用于监测转动机器的方法和设备
技术领域
本发明总体涉及转动机器，并且更特别是涉及一种用于监测涡轮机发生器的方法和设备。
背景技术
许多公知的水电涡轮机包括安装在与例如水库的高架流体源流体连通的壳体内的多个叶片的转子。来自于该源的水进入管道并向下运行到水电涡轮机。在水下降时，重力潜能转换成机械液压能形式的动能。水接着引导通过涡轮机，其中水在涡轮机中进行转动。至少一个发生器转子可转动地连接到涡轮机转子上并由其驱动。某些公知的电发生器通常使用连接到转子上的多个磁体和连接到定子上的多个固定线圈以便将涡轮机转动能力转换成电能。
在某些公知的发生器内，转子部件和定子部件通过通常由空气间隙分开，这些间隙通常以距离单位进行测量。在操作过程中，通过安装在转子上的磁体产生的磁场经过限定在转子表面的至少一部分和定子表面的至少一部分之间的空气间隙的一部分。磁场经过空气间隙的传递效率至少部分取决于是否保持空气间隙尺寸，即转子表面和定子表面之间的径向距离。但是，对于转子产生的不对称和/或瞬时载荷会造成转子偏转，使得空气间隙尺寸减小和/或改变成不一致状态。空气间隙尺寸的改变会不利地影响磁场。此外，在发生器故障的情况下，例如绕组短路，对磁场的影响也是不利的。
发明内容
在一个方面，提供一种监测转动机器的方法。转动机器包括至少一个转动构件和至少一个固定构件，这些构件定位成使得间隙限定在至少一个转动构件的一部分和至少一个固定构件的一部分之间。该方法包括提供至少一个测量组件，以便确定间隙的宽度。至少一个测量组件包括至少一个测量设备和至少一个磁通测量设备。该方法还包括将至少一个间隙测量组件定位在固定构件上，以有助于在转动机器的操作过程中进行间隙测量。
在另一方面，提供一种间隙测量组件。该组件包括至少一个间隙径向尺寸测量设备和至少一个间隙磁通测量设备。
在另一方面，提供一种转动机器。该机器包括至少一个转动构件和至少一个固定构件，这些构件定位成使得间隙限定在至少一个转动构件的一部分和至少一个固定构件的一部分之间。该机器还包括间隙测量系统。该系统包括具有至少一个间隙径向尺寸测量设备和至少一个间隙磁通测量设备的间隙测量组件。
附图说明
图1是可以通过水电涡轮机驱动的示例性发生器的一部分的透视图；
图2是可用于图1所示发生器的示例性间隙测量组件的示意图；
图3是图2所示间隙测量组件的一部分的截面图；以及
图4是可以用于图1所示发生器的示例性空气间隙监测系统的方框图。
部件列表
发生器100、转子102、定子104、激励器端108、涡轮机端110、转子极112、绕组114、齿116、内周边117、细槽118、间隙120、间隙宽度121、转动轴线122、间隙测量组件200、设备202、设备204、缆线206、端子连接封闭件208、绝缘材料层210、内板212、绝缘材料层214、外板216、功率供应线218、信号线220、间隙监测系统250、数据处理组件252、感测器缆线254、缆线通道256、接线箱258、输入缆线260、输入通道262、输出通道264、OIT’s 266。
具体实施方式
图1是可通过水电涡轮机(图1未示出)驱动的示例性转动机器100的截面示意图。在示例性实施例中，转动机器100是同步三相60Hz分开激励的发生器100，该发生器包括凸极转子102和定子104。作为选择，发生器100是任何类型的发生器，包括但局限于圆转子发生器。同样，作为选择，转动机器100可以是包括但不局限于凸极马达的电马达。转子102包括转子轴106，转子轴包括激励器端108和涡轮机端110。转子轴激励器端108可转动地连接在激励器(未示出)上，并且涡轮机端110转动地连接在水电涡轮机上。作为选择，涡轮机端110连接在例如但不局限于气体、蒸汽和风力涡轮机(图1均未示出)的驱动器上。转子102还包括多个凸极112，激励绕组114在每个极112上卷绕多个绕圈。
绕组114经由滑环(图1未示出)与激励器电连通地连接，激励功率经由滑环传递以便产生和转子102一起转动的磁场(图1未示出)。作为选择，发生器100是永磁体发生器，使得转子102包括产生磁场的封闭永磁体(图1未示出)。同样，作为选择，绕组114可与例如但不局限于电池和/或整流器的直流电功率源电连通地连接。
在示例性实施例中，定子104包括多个齿116(图1中只以虚线示出两个)，每个齿具有限定多个细槽118(图1只示出一个)的多个径向内周边117。定子绕组(图1未示出)定位在细槽118内。间隙120限定在定子104的径向内周边和转子102的径向外周边之间。间隙120有助于转子102和定子104的磁耦合，使得定子102内产生变化的电压和变化的电流。多个功率供应缆线(图1中未示出)将发生器100电连接到功率输送系统(图1未示出)。转子轴106围绕可以位于任何取向上的转动轴线122转动，有助于获得发生器100的预定的操作参数。
发生器100还包括有助于将发生器100与外部环境隔离的壳体(图1未示出)以及下面更加详细描述的至少一个间隙测量组件200。组件200连接到定子齿的内周边117上，在图1中以虚线表示，并且测量空气间隙120的宽度121和磁场，如下面进一步描述那样。
发生器100还包括有助于将发生器100与外部环境隔离的壳体(图1未示出)以及下面更加详细描述的至少一个间隙测量组件200。组件200连接到定子齿的内周边117上，在图1中以虚线表示，并且测量空气间隙120的宽度121和磁场，如下面进一步描述那样。
图2是间隙测量组件200的示意图。图3是组件200的一部分的截面示意图。在示例性实施例中，多个间隙测量组件200定位在发生器100内以有助于测量间隙120的宽度121。通常，组件200在发生器100内定位在任何地方，使得组件200如这里描述那样操作。在示例性实施例中，使用包括但不局限于粘合剂、保持硬件和点焊的方法，将200牢固地固定在定子齿116的内周边117上。作为选择，多个测量组件200可定位在细槽118内。在一个实施例中，每个组件是大致矩形的形状。作为选择，组件200可具有使得组件200如这里描述那样操作的任何形状。
测量组件200包括宽度测量设备202和磁通测量设备204。在示例性实施例中，设备202是平行板电容性近极202，并且设备204是感应回路。作为选择，设备202和204是如这里描述那样操作的任何部件。每个组件包括有助于供能设备202和204并有助于间隙宽度121和磁体信号的传递的至少一个缆线206。在示例性实施例中，每个缆线206经由端子连接封闭件208与设备202和204电连接。此外，每个缆线206延伸经过定子104内部或附近形成的缆线通道(图2和3未示出)。
设备202包括将内板212与定子齿周边117电隔离的第一电绝缘材料层210。设备22还包括将内板212与外板216电隔离的第二电绝缘材料层214。层210和214在端子连接封闭件208和板212和216之间延伸，以有助于将封闭件208与板212和216绝缘。电连接到电功率源(图2和3未示出)上的功率供应线218将功率供应到内板212上并有助于在板212和216之间产生静电场(图2和3未示出)。另外，设备202还包括电连接到远程监测系统(图2和3未示出)上以便传递指示间隙120的宽度121的信号的信号线220。
在示例性实施例中，磁通测量设备204是包括但不局限于金属材料和/或金属合金的闭环导电材料。在示例性实施例中，设备204是使用已经进行调整的公知空气间隙感测器的公知防护元件或屏蔽件。例如，在一个实施例中，设备204是可以从Genreal Electric BentlyNevada，Minden，Nevada购买的改型4000系列50毫米空气间隙感测器。防护元件通常是包括限定在防护件一部分内的裂口(slit)的导电带，其中防护件大致垂直于正在测量的间隙宽度。类似于设备202，防护件有助于引导空气间隙感测器产生的静电场，使得场在感测器和转子102之间集中。通常，防护件保持在与感测器大致相同的电压下。限定在防护件内的裂口缓和防护件内电流产生，随后有助于空气间隙感测器内电干扰的缓和。在示例性实施例中，除了防护元件裂口被密封以便形成闭合回路之外，设备204大致类似于该防护件。此外，设备204构造成在暴露于磁场时产生电压。因此，设备204不外部供能。
在示例性实施例中，磁通信号经由缆线206内使用的至少一条线(图2和3中未示出)传递到监测系统。作为选择，磁通信号经由与间隙距离信号结合使用的线220传递到监测系统。在另一可选择实施例中，设备204不与板261共面，而是可以靠近绝缘层210，使得设备204和周边117以及板212之间不存在电接触。在此可选择实施例中，与公知空气间隙感测器相关的原始防护件可与组件200保持。同样，在另一可选择实施例中，用于组件200的防护件(图2和3中未示出)与相关裂口保持，并且设备204靠近防护坚并在防护件的周向内部或者在周向外部定位。此外，在可选择实施例中，设备204包括各自定位在设备204内的单个平行平面(或层)内的多个传导回路。
在操作中，在转子极112转动经过定子齿外周边117时，间隙宽度121通过设备202测量。在间隙宽度121保持大致恒定，并且设备202的电容性能保持大致恒定时，设备201传递大致恒定的间隙宽度信号(图2和3中未示出)。如果间隙宽度121改变，设备202的电容改变，并且从设备202传递到监测系统220的间隙宽度信号改变或变化。
同样，在操作中，设备204暴露于间隙120内产生的变化的磁场，并且与磁场的变化强度成正比的变化电压(即磁通密度)产生，并传递到监测系统。设备204内产生的电压也与设备204内的圈数以及垂直于磁场磁力线的设备204的表面面积大小成正比。转子201和定子204进行构造，并且组件200进行定位，以有助于增加大致垂直于设备204的磁力线的数量。
图4是可用于发生器100的示例性间隙监测系统250的方框图。在示例性实施例中，系统250包括定位在至少一个定子齿的径向内周边117上的至少一个组件200。组件200构造成测量径向距离尺寸，即周边117和转子极112之间的间隙120的宽度121和磁通。此外，组件200经由延伸经过缆线通道256、中间电接线箱258和数据处理组件输入缆线260的感测器缆线254电连接到至少一个数据处理组件252。可包括但不局限于至少一个信号调节设备(图4未示出)的电信号装置可定位在接线箱258内和/或其它地方，以有助于这里描述的电子信号传递。在示例性实施例中，感测器缆线254、接线箱258和缆线260相互协作，以便限定多个处理器输入通道262，即至少一个间隙尺寸通道以及至少一个磁通测量通道(图4均未示出)。作为选择，在无线电频率(RF)下操作的传送器和接收器的网络可用来限定输入通道262。接线箱258构造成接收类似于感测器缆线254的多个缆线。此外，数据处理组件252构造成接收类似于缆线260的多个缆线。在示例性实施例中，缆线254包括功率供应线218、专用间隙距离测量线220(均在图3中示出)以及专用磁通测量线(图4未示出)。作为选择，间隙距离和磁通测量在公共线220上传递。
数据处理组件252包括至少一个处理器和存储器(图3均未示出)、至少一个输入通道262、至少两个输出通道264，并且可包括至少一个计算机(图4未示出)。在示例性实施例中，每个输出通道264包括电连接到至少一个输出装置266(即操作者界面终端(OIT’s)226)和/或数据处理组件252上的缆线264。输出通道264还包括至少一个间隙宽度通道和至少一个磁通测量通道(图4均未示出)。作为选择，在无线电频率(RF)带的预定部分下操作的传送器和接收器的网络可用来限定多个输出通道264。
如这里使用那样，术语计算机不仅仅局限于本领域称为计算机的集成电路，而是广义指的是处理器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、特定应用的集成电路以及其它可编程回路(图4均未示出)，并且这些术语在这里可互换地使用。在示例性实施例中，存储器可包括但不局限于计算机可读取介质、例如随机存储的存储器(RAM)(图4均未示出)。作为选择，可以使用软盘、致密盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/和数字通用盘(DVD)(图4均未示出)。同样，在示例性实施例中，另外的输入通道(图4未示出)可以是但不局限于与例如鼠标、键盘(图4均未示出)的OIT’s 266相关的计算机外设。作为选择，还可使用包括例如但不局限于扫描器(图4未示出)的其它计算机外设。另外，在示例性实施例中，另外的输出通道可包括但不局限于另外的数据显示器和操作控制机构(图4均未示出)。
用于组件252的处理器处理包括来自于组件200的间隙位置信号和磁通信号的信息。RAM和存储装置存储并传递信息和指令，以便通过处理器执行。在通过处理器执行指令的过程中RAM和存储装置还可用来为处理器存储和提供临时变量、静态(即不变化的)信息和指令或者其它的中间信息。所执行的指令包括但不局限于驻留转换(residentconversion)以及比较器算法。指令执行的顺序不局限于硬件回路和软件指令的任何特定的组合。
在操作中，在转子轴106偏离正常的转动轴线122时，间隙120围绕发生器100周边的宽度121可变得不均匀。组件200监测间隙120的尺寸和磁通，并且将相关间隙宽度121和磁通测量信号或者间隙宽度121或磁通信号(图4均未示出)传递给组件252。间隙宽度和磁通测量信号通常是电压或电流信号，通过用于每个宽度和磁通测量的至少一个驻留转换算法，该信号在组件252的处理器内转换成将尺寸和磁通测量分离。转换算法的实例可包括但不局限于积分算法，以便将与间隙120内的磁通变化速度成正比的变化磁通电压信号转换成可以通过操作者解释的磁通数值。在可选择的实施例中，距离和磁通数值在单个通道上传递，并且区分算法用来在距离和磁通信号之间区分，并且配置成分开传递到组件252的分开部分上，从而进一步处理。被处理的间隙尺寸和磁通信号随后通过输出通道264传递到OIT’s 266。通过来自于发生器100内的大致公共点的信号以及大致同时获得和产生的信号有助于操作者对于间隙尺寸和磁通信号的评估。
用于这里描述的发生器间隙测量系统的方法和设备有助于水电涡轮机发生器的操作。特别是，所述的发生器间隙测量组件有助于有效和有利的间隙径向距离和磁通测量方案。更特别是，这种测量组件有助于这种发生器内较小的安装面积，这是由于只需要一个组件定位在发生器内，而不是两个独立的感测器。此外，这种组件还有助于距离和磁通测量的时间和位置同步。这种测量组件有助于减小投资和安装成本、发生器可靠性以及减小的维护成本和发生器停止运转。
以上详细描述了与水电涡轮机发生器相关的发生器测量系统的示例性实施例。所述的方法、设备和系统不局限于这里描述的特定实施例，也不局限于特别描述的水电涡轮机发生器。
虽然针对多个特定实施例描述了本发明，本领域普通技术人员将理解到本发明可通过权利要求的精神和范围内的变型来实施。

Claims (10)

1.一种间隙测量组件(200)，包括：
至少一个间隙尺寸测量设备(202)；以及
至少一个间隙磁通测量设备(204)。
2.如权利要求1所述的间隙测量组件(200)，其特征在于，所述至少一个尺寸测量设备(202)包括电容性近极。
3.如权利要求1所述的间隙测量组件(200)，其特征在于，所述至少一个磁通测量设备(204)包括形成在至少一个回路内的导电材料，该回路定向成如下的至少一种情况：
围绕所述至少一个尺寸测量设备(202)的周边的至少一部分周向延伸；
在大致类似于所述至少一个尺寸测量设备的平面的平面内延伸；
在大致平行于所述至少一个尺寸测量设备的平面的平面内延伸。
4.如权利要求1所述的间隙测量组件(200)，其特征在于，所述至少一个尺寸测量设备(202)和至少一个磁通测量设备(204)大致是时间和位置同步的，从而从大致类似的位置处大致同时获得间隙尺寸输入信号和间隙磁通输入信号。
5.一种转动机器(100)，包括：
至少一个转动构件(102)；
至少一个固定构件(104)，定位成使得间隙(120)限定在所述转动构件的一部分和所述固定构件的一部分之间；
间隙测量系统(200)，包括间隙测量组件，该组件包括至少一个间隙尺寸测量设备(202)和至少一个间隙磁通测量设备(204)。
6.如权利要求5所述的转动机器(100)，其特征在于，所述至少一个尺寸测量设备(202)包括电容性近极。
7.如权利要求5所述的转动机器(100)，其特征在于，所述至少一个磁通测量设备(204)包括形成在至少一个回路内的导电材料，该回路定向成如下的至少一种情况：
围绕所述至少一个尺寸测量设备(202)的周边的至少一部分周向延伸；
在大致类似于所述至少一个尺寸测量设备的平面的平面内延伸；
在大致平行于所述至少一个尺寸测量设备的平面的平面内延伸。
8.如权利要求5所述的转动机器(100)，其特征在于，所述测量组件固定连接到所述固定构件(104)上。
9.如权利要求8所述的转动机器(100)，其特征在于，所述测量组件定位在所述固定构件(104)的径向内部处。
10.如权利要求5所述的转动机器(100)，其特征在于，还包括：
至少一个处理器输入通道(262)，以电子数据连通的方式与所述测量设备连接，所述至少一个输入通道有助于间隙尺寸输入信号和间隙磁通输入信号的传递；
至少一个处理器(252)，经由所述输入通道以电子数据连通的方式与所述测量设备连接，所述至少一个处理器构造成接收所述尺寸输入信号和磁通输入信号；以及
至少一个处理器输出通道(264)，以电子数据连通的方式与所述至少一个处理器连接，所述至少一个处理器输出通道有助于至少一个处理器输出信号的传递。
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