本发明涉及一种旋转机器，例如涡轮机、泵或泵式涡轮机。本发明还涉及一种用于将水能转换为电能或机械能并且进行相互转换的装置。本发明还可以应用于燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或风力涡轮机。
背景技术：
以已知的方式，用于将水能转换为电能的装置包括至少涡轮机，所述涡轮机具有在第一端处连接转子的轴，所述转子是涡轮机的旋转部分。该装置还包括用于将涡轮机连接到电网的发电机。所述发电机具有连接在轴的第二端处的转子。然后，轴在其第一端处承受由转子施加的正扭矩，并且在其第二端处承受由发电机施加的负扭矩。涡轮机轴由流体轴承支撑和引导旋转。油膜径向插入轴与轴承的刚体之间。
涡轮机轴具有细长形状。其长度可以超过20米。因此，机器中的任何缺陷会导致在由在轴的两端施加的扭矩形成的激励下的重要轴振动。典型的缺陷是轴承内的轴错位、裂纹、机器不平衡、轴弯曲、扭转。
因此，重要的是监测轴振动，以便评估机器的操作状态。例如，新机器的振动少于旧机器。已知的方法包括向流体轴承配备位移探针，以便测量轴与轴承刚体之间的径向间隙。这允许防止轴压坏轴承油膜。加速度计(或速度探针)也可以嵌在轴轴承上，以确定轴沿着局部空间参考的三个方向施加在轴承上的力。
该方法提供了机器操作状态的第一估计。然而，无法分别测量在激励状态下的轴围绕偏航轴线、俯仰轴线和滚动轴线的模态响应。因此，难以检测和评估轴扭转、弯曲或轴向泵送性能，因为无法确定轴内部动量。此外，附接到轴轴承的近贴探针和加速度计(或速度探针)不直接测量应在嵌入式旋转参考轴线系统中评估的轴振动。这意味着，表示加速度和间隙的信号包大量噪声。
此外，为了提高涡轮机性能，已知尽可能减小转子和定子之间的间隙。然而，轴振动可能暗示转子与定子接触。这称为摩擦现象。使用已知的振动监测方法难以检测摩擦现象，因为它常常被环境噪声所隐藏。这可能导致轴承故障，从而引起昂贵的长时间意外停机。
技术实现要素：
本发明旨在通过提出一种可以更好地监测的旋转机器来克服这些缺点。
为此，本发明涉及一种如权利要求1所限定的旋转机器。
使用本发明，可通过由安装在轴上的所述或每个测量设备测量的数据完全了解机器轴动态性能。实际上，使用测量设备可以基于所测量的角位置和所测量的加速度来确定围绕俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的模态或强制响应。然后可以检测轴扭转、异常弯曲或摩擦现象等。此外，由于其细长形状，轴是振动最大的机器部件，使用直接安装在轴上的测量设备可允许减小噪声，因为测量是直接在振动源，即轴上执行的。所测量的振动的振幅和频率可与在相同激励条件下的新机器的振幅和频率进行比较，或者与从诸如有限元模拟等数值模拟获得的振幅和频率进行比较。然后可以识别机器缺陷，并且可以设置预防措施以修复所述缺陷并避免整个机器故障。例如，可以更换或重新定位存在缺陷的部件。
权利要求2至13中规定了旋转机器的有利但非强制性的其他方面。
本发明最后涉及如权利要求14所限定的用于转换能量的装置。
附图说明
现在将对应于图1来解释本发明，其中示出了根据本发明的用于转换能量的装置的示意图，所述装置包括旋转机器，并且作为说明性实例，而不限制本发明的目的。
具体实施方式
图1示出了用于将水能转换为电能的装置1。装置1包括旋转机器10，即，在该实例中，水力机器，特别是卡普兰涡轮机(Kaplan turbine)。卡普兰涡轮机10包括转轮12，所述转子配置成在操作条件下围绕垂直轴线Z1旋转，并且所述转子包括轮毂14，所述轮毂配备有一系列可移动转轮叶片16。
连接法兰18将每个转轮叶片16连接到轮毂14。连接法兰18允许每个转轮叶片16围绕相对于轴线Z1的径向轴线Y16旋转，以调整机器操作点。例如，转轮叶片16可旋转以调整转子旋转速度，特别是使水力机器10与电网同步或者在同步之后立即更改负载。
转轮12封装在尾水管20的上部中，所述部分设计成向下游排水并且提高涡轮机10的效率。蜗壳22围绕转轮12布置并且以高速供水。实际上，蜗壳22通常连接到未示出的压力水管，所述压力水管从未示出的上游蓄水池延伸。因此，水以高势能在蜗壳22中喷发。之后水在转轮12的叶片16之间流动，从而引起转轮12旋转。围绕转轮12循环的水的流速通过导流轮叶24进行调节，所述导流轮叶以圆形样式设置在蜗壳22内。每个导向轮叶24各自可围绕平行于轴线Z1的轴线枢转，以减小或增加进入涡轮机10的水的流速。
因此，涡轮机10是双调节式涡轮机，因为它包括两个连接在一起的调节装置，分别是导向轮叶24和可移动叶片16。在图1中，循环穿过涡轮机10的水流由箭头F表示。
转轮12固定在以轴线Z1为中心的旋转轴26的第一端处。在图1中，部分地表示轴26的长度。发电机转子32连接在轴26的第二端处，所述第二端沿轴26的纵向方向，即沿轴线Z1与其第一端相对。转子32同轴地设置在发电机30的定子34内。
在操作条件下，转轮12在第一轴端上施加正扭矩T1，并且发电机30在第二轴端上施加负扭矩T2。扭矩T1和扭矩T2施加在轴线Z1上。在该实例中，转轮12用作发动机，而发电机30用作制动器。
出于清楚说明的目的，图1中示出了笛卡尔轴线系统X′1、Y′1和Z′1。笛卡尔轴线系统X′1、Y′1和Z′1是固定的。
轴线Z1表示轴26的滚动轴线。X1和Y1表示彼此垂直并且相对于轴线Z1在径向上的两个轴线。轴线X1表示轴26的俯仰轴线，并且轴线Y1表示轴26的偏航轴线。轴线X1、Y1和Z1是轴26所固有的，这意味着，当轴26围绕任何轴线X1、Y1或Z1旋转时，这些轴线形成相对于笛卡尔轴线系统移动的轴线系统。
流体轴承21和35围绕轴26设置。在图1的实例中，两个流体轴承21设置在端部处，并且推力轴承35设置在轴26的中间。设置在轴的端部处的流体轴承21是导向轴承，其在轴26围绕轴线Z1旋转时引导所述轴。设置在轴的中部的流体轴承35是在轴26围绕轴线Z1旋转时支撑所述轴的推力轴承。导向轴承和推力轴承包括主体和油膜，所述油膜分别径向或轴向地介入所述轴和轴承主体之间。
新的水力机器或经整修的水力机器的轴在标准操作条件下不会产生很大的振动。然而，磨损、损坏的部件或者特定的瞬态液压现象可以导致重要的或异常的轴振动。例如，在机器启动和机器停机期间会出现瞬态液压现象。当以泵或涡轮模式切换机器时，或者当通过移动导流轮叶24和/或转轮叶片16改变负载，即扭矩T1时，也会出现瞬态液压现象。另一个液压瞬态现象出现在液压涡轮设置在用于排放洪水的排放模式时。在本文件中，轴振动与轴26分别沿着或围绕俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的位移或旋转相对应。由于涡轮机轴26具有细长形状并且长度可超过20米，所以轴或机器中的任何缺陷均会导致在激励状态下的重要的轴振动，所述轴振动是由施加在轴的两端的扭矩T1和T2形成的，或者由其他故障或瞬态激励形成的。瞬态激励可来自上述的瞬态液压现象。轴振动响应的频率和振幅取决于激励频率和/或振幅。
典型的缺陷是流体轴承21内的轴错位、裂纹、机器不平衡、轴弯曲。振动可导致机器故障或由于摩擦现象而导致轴承损坏。
因此，重要的是监测涡轮10，以检测水力机器10何时发生初期故障。为此，测量设备28安装在轴26上。更确切地说，设备28嵌在轴26的外表面上。它们沿着轴26均匀分布。设备28允许测量轴26沿着俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线，分别是X1、Y1和Z1的加速度，以及轴26围绕俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的角位置。根据轴长度，可能只使用一个测量设备28。
轴26围绕滚动轴线Z1的角位置限定成轴线X1与X′1之间或者轴线Yl与Y′1之间的角度。轴26围绕俯仰轴线X1的角位置限定成轴线Z1与Z′1之间或者轴线Y1与Y′1之间的角度。轴26围绕偏航轴线Y1的角位置限定成轴线Z1与和Z′1之间或者轴线X1与X′1之间的角度。在图1的配置中，轴线X1、Y1和Z1分别与轴线X′1、Y′1和Z′1混合。因此，轴26处于参考位置，其中，轴26围绕任何俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的角度为零。
每个设备28包含三轴加速度计和三轴陀螺仪。三轴陀螺仪可以是光纤或基于MEMS的陀螺仪。每个设备28能够使用诸如Wi-Fi或蓝牙技术等无线技术与未示出的监测系统通信，如从图1中的两个设备28发出的无线电波所示。设备28还可使用滑环与监测系统通信。
监测系统可以基于围绕这些轴线的所测量的角位置确定围绕俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的旋转速度和旋转加速度。这可以通过计算器执行，所述计算器集成在陀螺仪中或监测系统中并且能够相对于时间一次或多次对角位置进行微分计算。以相同的方式，轴26沿着俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的速度和位移还可以通过沿着这三个轴线一次或多次积分所测量的加速度来确定。可从轴26沿着俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的加速度推导出轴内力，并且可从轴26围绕俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的旋转速度推导出轴内部动量。因此，监测单元可以基于由测量设备28发送的信息，输出涡轮机轴的完整动态性能。
然后可评估水力机器10的健康状况。例如，涡轮机轴26的动态性能可与属于新涡轮机或经整修的涡轮的轴的动态性能进行比较。还可将振动水平与根据涡轮10年龄的常规预期水平进行比较，或者与通过诸如有限元模拟等理论计算所得出的振动水平进行比较。
例如，监测单元可包含嵌入式数据处理系统，所述嵌入式数据处理系统将来自工程师知识的振动阈值作为输入。这些输入振动阈值是轴振动的特定频率带宽和最大振幅。然后，当振动振幅或频率在这些振动阈值之外时，即当水力机器10发生故障时，监测系统可以报警。因此，监测系统能够处理从设备28接收的测量，以检测机器故障。
以下是连接到监测系统的测量设备28的详细潜在应用。
测量设备28可用于检测轴裂纹或连接故障。在实践中，可通过在轴26的若干旋转期间评估围绕俯仰轴线和滚动轴线的旋转速度变化来检测沿着轴26的裂纹。当在旋转期间交替地打开和闭合所述裂纹时，轴刚度的变化会引起旋转速度变化。假定设备28沿着轴26均匀分布，则还可以确定轴26的受影响最大的部分。因此，可以近似地定位裂纹的位置，即在两个相邻的设备28之间。为此，监测系统可包括嵌入式数据处理系统，例如，现场可编程门阵列(FPGA)，所述嵌入式数据处理系统能够处理由每个设备28发送的数据并且近似地定位输入激励。所述输入激励与轴26的振动最大部分相对应。因此，监测系统能够通过比较从沿着轴26分布的不同设备28接收的测量来定位轴缺陷。设备28越靠近彼此，输入激励的定位越精确。一般来说，至少一个设备28将针对每个轴部分仪表化。
还可处理由设备28测量的信息，以检测摩擦现象或者评估轴偏航响应，即扭转。
此外，设备28可以用于评估涡轮机10与发电机转子32之间的围绕轴线Z1的相位差。设备28还可用于评估轴26对于特定负载，即特定扭矩T1的剪切角，并将其与在所述特定负载下的预期值，特别是使用出厂设计模型获得的期望值进行比较。所测量剪切角与该特定负载下的预期剪切角之间的间隙较大可指示机器故障。也可通过测量连接之前和连接之后的偏航角位置来检测连接故障，并且输入可以用于计数、疲劳模型和剩余寿命计算。
设备28还可用于通过测量由转子激励引起的径向负载下的轴性能来检测机器的磁失衡。
对于配备有制动系统的装置，可使用设备28来评估所述制动系统的工作状态。尤其是，可以确定所述制动系统是否效率低下或者是否存在硬点。
还可使用从围绕俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的旋转速度推导出的轴内部动量来评估轴动态弯曲。
转子32和定子34之间的间隙异常也可以通过设备28检测。具体来说，如果转子32与定子34不同心，则在将增加偏心率的方向上产生电磁力。这称为不平衡磁拉力。不平衡磁拉力可导致当转子32接触定子34时的摩擦现象。
可分析轴振动频率以确定在振动频谱中存在的激励频率。例如，如果确定轴部分在接近转轮12的频率的频率下强烈振动，则可以推导出问题来自转轮12的旋转运动。
在一个未示出的替代实施例中，水力机器10可以是泵或涡轮泵。
在另一个未示出的替代实施例中，水力机器10不是卡普兰涡轮机，而是另一种类型的涡轮机，例如费朗西斯式涡轮机(Francis)、佩尔顿涡轮机(Pelton)或螺旋桨式涡轮。
在另一个未示出的替代实施例中，旋转机器10不是液压涡轮机，而是另一种类型的涡轮，例如燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或风力涡轮机。
在另一未示出的替代实施例中，轴26的第二端连接到机械设备。在这种情况下，在第二轴端施加模拟扭矩T2的电阻扭矩。该电阻扭矩表示机械设备的负载。装置1然后仅将水能转换成机械能。
在另一未示出的替代实施例中，一个或多个设备28仅测量轴26沿俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的加速度。
在另一未示出的替代实施例中，一个或多个设备28仅测量轴26围绕俯仰轴线、偏航轴线和滚动轴线的角位置。
总之，设备28可包含三轴加速度计和/或三轴陀螺仪。
上述的本发明的不同实施例和替代实施例的技术特征可以组合在一起以产生本发明的新实施例。