pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2018-9-2-121-129pimi-374Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsИЗМЕРЕНИЕ ХОДА ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН В СИЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ СЕРДЕЧНИКА СТАТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА С ПОМОЩЬЮ ЕМКОСТНОГО СЕНСОРАMEASURING THE STROKE OF CONE DISK SPRINGS IN POWER ACCUMULATORS OF THE TURBOGENERATOR STATOR CORE USING A CAPACITIVE SENSORЛевицкийА. С.LevytskyiA. S.ЗайцевЕ. А.ZaitsevI. O.

Адрес для переписки: Зайцев Е.А. – Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, г. Киев 03680,    e-mail: zaitsev@i.ua

Address for correspondence: Zaitsev I.O. – The Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Peremogy Ave., 56, Kyiv 03057, Ukraine.     e-mail: zaitsev@i.ua

zaitsev@i.uaКобзарьК. А.KobzarK. O.Институт электродинамики НАН УкраиныУкраинаInstitute of Electrodynamics of the NAS of UkraineUkraineЗавод «Электротяжмаш»УкраинаState Enterprise plant «Electrotyazmzsh»Ukraine20181506201892121129Copyright © Левицкий А.С., Зайцев Е.А., Кобзарь К.А., 20182018Левицкий А.С., Зайцев Е.А., Кобзарь К.А.Levytskyi A.S., Zaitsev I.O., Kobzar K.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/374

Безаварийная и эффективная работа мощных турбогенераторов в значительной степени зависит от стабильности их основных механических параметров, к которым относится давление прессовки сердечника статора. Целью работы являлось обоснование возможности применения многоэлементного емкостного сенсора с компланарными электродами для измерения хода тарельчатых пружин в силовых аккумуляторах систем стабилизации давления сердечника статора турбогенератора.

Состояние прессовки сердечника косвенным образом можно оценить, измеряя ход тарельчатых пружин в силовых аккумуляторах, которые устанавливаются на стяжных призмах сердечника вместо стяжных гаек. Для измерения хода пружин предложено применение компланарного емкостного сенсора с секторальными электродами, который встраивается в конструкцию силовых аккумуляторов. Каждый сектор содержит свой элементарный сенсор, который размещен на кольцевой диэлектрической пластине и образован компланарными электродами, являющимися составной частью соосных концентрических колец, образующих компланарный емкостной сенсор. Сенсор состоит из высокопотенциального, низкопотенциального и заземленного электродов. Заземленный электрод расположен между высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами, а также вокруг них.

Приведена упрощенная аналитическая модель расчета для получения аналитической зависимости изменения информативной составляющей электрической емкости сенсора от хода тарельчатых пружин в силовых аккумуляторах. Достоверность модели и характеристики зависимости подтверждена экспериментально при испытании лабораторного образца емкостного сенсора.

The troubleproof and efficient work of powerful turbogenerators depends on the stability of their main mechanical parameters, which include the stator core pressing. The aim of the work was to describe the possibility of using a multielement capacitive sensor with coplanar electrodes to measure the movement of disk springs of the stabilizer systems power batteries in the turbogenerator stator core.

The state of the core pressurizer can be indirectly assessed by measuring the displacement of the disk springs in power accumulators, which are installed on the tightening prism of the core instead of the compression nuts. To measure the movement of springs, a coplanar capacitive sensor with sectoral electrodes built into the power accumulators design is proposed. Each sector contains its own elementary sensor formed by coplanar electrodes. Each elementary sensor in each sector is placed on an annular dielectric plate and is formed by coplanar electrodes that are part of coaxial concentric rings. The sensor consists of a high-potential, low-potential and grounded electrodes. A grounded electrode is located between the high-potential and low-potential electrodes, as well as around them.

A simplified analytical calculation model for obtaining the analytical response characteristic of the change in the informative component of the sensor electric capacity on the course of the disk springs in the CA is presented. The reliability of the model and the response characteristics are confirmed experimentally by testing a laboratory prototype of a capacitive sensor.

турбогенераторстабилизация давления прессовки сердечника статорасиловой аккумулятортарельчатая пружинаемкостный сенсорturbogeneratorstabilization of the pressure of pressing the stator corepower accumulatorcone disk springcapacitive sensorReferencesГолоднова, О.С. Анализ и мероприятия по предупреждению повреждений сердечников статоров турбогенераторов / О.С. Голоднова, Г.В. Ростик // Сборник «Электросила». – СПб. : Электросила, 2004. – № 43. – С. 56–64.Golodnova O.S., Rostik G.V. [Analysis and measures to prevent damage to the cores of stators of turbogenerators]. Elektrosila, 2004, no. 43, pp. 56–64 (in Russian).Голоднова, О.С. О причинах повреждений торцевых зон сердечников статоров турбогенераторов и мерах по их предупреждению / О.С. Голоднова, Г.В. Ростик // Энергетик. – 2005. – № 1. – С. 17–20.Golodnova O.S., Rostik G.V. [On the causes of damage to the end zones of the cores of stators of turbogenerators and measures for their prevention]. Energetic, 2005, no. 1, pp. 17–20 (in Russian).United States Patent No. 9,016,991 B2. Int. Cl. F16B 31/02, H02 K1/16, H02 K11/00, 3P 19/06, G01L 1/24, G01L 5/24, G01 D 5/353. Bolt tightener device for tightening a through-bolt in a generator core / Twerdochlib Michael (US), Edward David (US), Diatzikis Evangelos V. (US); Assignee Siemens Energy, Inc. (Orlando, FL, US) – Appl. no. 13/863,473; Date of Patent Apr. 28, 2015.Twerdochlib M., Edward D., Diatzikis E.V. Bolt tightener device for tightening a through-bolt in a generator core. Patent U.S. no. 9016991, 2015.Sanjeev, D. Fabrication and Applications of Fiber Bragg Grating – A. Review / D. Sanjeev, G. Vikas, G. Amit // Advanced Engineering Technology and Application. – 2015. – No. 2. – P. 15–25. doi: 10.12785/aeta/040202Sanjeev D., Vikas G., Amit G. Fabrication and Applications of Fiber Bragg Grating – A Review. Advanced Engineering Technology and Application, 2015, no. 2, pp. 15–25. doi: 10.12785/aeta/040202United States Patent No. 7,946,023 B2. Int. Cl. H02K 15/00, H02F 3/04, H01R 31/28. Method and apparatus for measuring compression in a stator core / James Allan Cook (Orlando, FL, US), David T. Allen (Longwood, FL, US); Assignee Siemens Energy, Inc. (Orlando, FL, US) – Appl. no. 11/285,834; Date of Patent May 24, 2011.Cook J.A., Allen D.T. Method and apparatus for measuring compression in a stator core. Patent U.S. no. 7946023, 2011.Paspalovski, T. Replacement (reconstruction) of the active steel end zone of the turbogenerator / T. Paspalovski, N. Mojsoska, N. Jovanovski, V. Jovanovska, Z.V. Sovreski // Proceeding 1-st Global Conference, April 8–12, 2013. – P. 659–663.Paspalovski T., Mojsoska N., Jovanovski N., Jovanovska V., Sovreski Z.V. Replacement(reconstruction) of the active steel end zone of the turbogenerator. Proceeding 1-st Global Conference, April 8–12, 2013, pp. 659–663.Jovanovska, V. Increasing the Power of the Turbogenerator in the Process Of Modernization in the Mining and Energy Industry / V. Jovanovska, M. Arapcheska // International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology. – 2015. – Vol. 2, iss. 2. – P. 162–166.JovanovskaV.,ArapcheskaM.IncreasingthePower of the Turbogenerator in the Process оf Modernization in the Mining and Energy Industry. International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, 2015, vol. 2, iss. 2, pp. 162–166.Минко, А.Н. Оптимальная геометрия и массогабаритные параметры конструкции корпуса статора турбогенераторов с воздушной системой охлаждения / А.Н. Минко // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2012. – № 1.– C. 33–39.Minko A.N. [Optimal geometry and massdimensional parameters of the stator housing structure of turbogenerators with an air cooling system]. Energy saving. Power engineering. Energy audit., 2012, no. 1, pp. 33–39 (in Russian).Зозулін, Ю.В. Створення нових типів та модернізація діючих турбогенераторів для теплових електричних станцій / Ю.В. Зозулін, О.Є. Антонов, В.М. Бичік [та ін.]. – Х. : ПФ «Колегіум», 2011. – 228 с.Zozulin Yu.V., Antonov O.E., Bichik V.M. & others. Stvorennya novykh typiv ta modernizatsiya diyuchykh turboheneratoriv dlya teplovykh elektrychnykh stantsiy [Creation of new types and modernization of existing turbine generators for thermal power stations]. Kharkiv, PF «Collegium» Publ., 2011, 228 p. (in Ukrainian).Левицький, А.С. Контроль стану потужних гідрота турбогенераторів за допомогою ємнісних вимірювачів параметрів механічних дефектів / А.С. Левицький, Г.М. Федоренко, О.П. Грубой. – К. : Ін-т електродинаміки НАН України, 2011. – 242 с.Levytskyi A.S, Fedorenko G.M. Gruboj O.P. Kontrol stanu potuzhnykh hidrota turboheneratoriv za dopomohoyu yemnisnykh vymiryuvachiv parametriv mekhanichnykh defektiv [Monitoring of the status of powerful hydro and turbo generators using capacitive meter for the parameters of mechanical defects]. ІED NANU Publ., 2011, 242 р. (in Ukrainian).Иванов, В.В. О способе стабилизации плотности прессования активной стали турбогенераторов / В.В. Иванов, В.Н. Петров, Г.В. Ростик // Энергетик. – 2009. – №. 8. – С. 29–30.Ivanov V.V., Petrov V.N., Rostik G.V. [On the method of stabilizing the pressing density of the active steel of turbogenerators]. Energetic, 2009, no. 8, pp. 29– 30 (in Russian).Paspalovski, T. Partial replacement of the active steel on the turbogenerator end zone / T. Paspalovski, V. Jovanovska // Termotechnika. – 2015. – XLI, 1. – P. 1–7.Paspalovski T., Jovanovska V. Partial replacement of the active steel on the turbogenerator end zone. Termotechnika, 2015, XLI 1, pp. 1–7.Шевченко, В.В. Модернизация конструкций отечественных турбогенераторов с учетом требований поддержания их конкурентоспособности / В.В. Шевченко, А.Н. Минко // Вісник НТУ «ХПІ». – 2014. – № 38 (1081). – С. 146–155.Shevchenko V.V., Minko A.N. [Moder-nization of domestic turbogenerator designs taking into account the requirements of maintaining their competitiveness]. News of NTU «KhPI», 2014, no. 38 (1081), pp. 146–155 (in Russian).Неболюбов, Е.Ю. Электронные преобразователи для работы с емкостными датчиками (аналоговые и цифровые) / Е.Ю. Неболюбов, А.И. Новик // Техническая электродинамика. – 2015. – № 3. – С. 67–74.Nebolyubov E.Yu., Novik A.I. [Electronic converters for working with capacitive sensors (analog and digital)]. Technical Electrodynamics, 2015, no. 3, pp. 67–74 (in Russian).Baxter, L.K. Capacitive Sensors: design and applications / L.K. Baxter. – New York : IEEE Press, 1997. – 320 c.Baxter L.K. Capacitive Sensors: design and applications. New York, IEEE Press, 1997, 320 p.Mamishev, A.V. Interdigital Dielectrometry Sensor Design and Parameter Estimation Algorithms for Non-Destructive Materials Evaluation / A.V. Mamishev. – Cambridge : MIT, 1999. – 709 p.Mamishev A.V. Interdigital Dielectrometry Sensor Design and Parameter Estimation Algorithms for Non-Destructive Materials Evaluation, Cambridge, MIT, 1999, 709 p.Джежора, А.А. Электроемкостные преобразователи и методы их расчета / А.А. Джежора. – Минск : Белорусская наука, 2008. – 305 с.Jezhora A.A. Elektroemkostnye preobrazo-vateli i metody ikh rascheta [Electrocapacitance Transducers and Methods of Their Calculation], Minsk, Belorus. Nauka Publ., 2007, 305 p. (in Russian).Xiaohui, H. Planar capacitive sensors – designs and applications / H. Xiaohui, Y. Wuqiang // Sensor Review. – 2010. – No. 30(1). – P. 24–39. doi: 10.1108/02602281011010772Xiaohui H., Wuqiang Y. Planar capacitive sensors – designs and applications. Sensor Review, 2010, no. 30(1), pp. 24–39. doi: 10.1108/02602281011010772Mamishev, A.V. Interdigital Sensors and Transducers / A.V. Mamishev, K. SundaraRajan, F. Yang, Y. Du, M. Zahn // Proceeding of the IEEE. – 2004. – Vol. 92, no. 5. – P. 808–845. doi: 10.1109/JPROC.2004.826603Mamishev A.V., Sundara-Rajan K., Yang F., Du Y., Zahn M. Interdigital Sensors and Transducers. Proceeding of the IEEE, 2004, vol. 92, no. 5, pp. 808–845. doi: 10.1109/JPROC.2004.826603Yong, Y. Novel Method for Proximity Detection of Moving Targets Using a Large-Scale Planar Capacitive Sensor System / Y. Yong, D. Jiahao, S. Sanmin, H. Zhuo, L. Yuting // Sensors (Basel). – 2016. – No. 16(5): 699. doi: 10.3390/s16050699Yong Y., Jiahao D., Sanmin S., Zhuo H., Yuting L. Novel Method for Proximity Detection of Moving Targets Using a Large-Scale Planar Capacitive Sensor System. Sensors (Basel), 2016, no. 16(5), pp. 1–17. doi: 10.3390/s16050699Cheng, H. Analysis of a concentric coplanar capacitor for epidermal hydration sensing / H. Cheng, Z. Yihui, H. Xian, A.R. John, H. Yonggang // Sensors and Actuators A203: Physical. – 2013. – P. 149–153. doi: 10.1016/j.sna.2013.08.037Cheng H., Yihui Z., Xian H., John A.R., Yonggang H. Analysis of a concentric coplanar capacitor for epidermal hydration sensing. Sensors and Actuators A203: Physical, 2013, pp. 149–153. doi: 10.1016/j.sna.2013.08.037Amr, N.A. Improved interdigital sensors for structural health monitoring of composite retrofit systems / A.N. Amr, W. Wael // Journal of Reinforced Plastics and Composite. – 2011. – No. 30(7). – P. 621– 629. doi: 10.1177/0731684411399944Amr A.N., Wael W. Improved interdigital sensors for structural health monitoring of composite retrofit systems. Journal of Reinforced Plastics and Composite, 2011, no. 30(7), pp. 621–629. doi: 10.1177/0731684411399944Chen T. Capacitive sensors for measuring complex permittivity of planar and cylindrical structures: A dissertation of doctor of philosoph: Electrical Engineering /T. Chen. – Iowa State University, 2012. – 204 p.Chen T. Capacitive sensors for measuring complex permittivity of planar and cylindrical structures: A dissertation of doctor of philosophy: Electrical Engineering. Iowa State University, 2012, 204 p.Sheiretov, Y. Modeling of Spatially Periodic Dielectric Sensors in the Presence of a Top Ground Plane Bounding the Test Dielectric / Y. Sheiretov, M. Zahn // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2005. – Vol. 12, no. 5. – P. 993–1004. doi: 10.1109/TDEI.2005.1522192Sheiretov Y., Zahn M. Modeling of Spatially Periodic Dielectric Sensors in the Presence of a Top Ground Plane Bounding the Test Dielectric. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, vol. 12, no. 5, pp. 993–1004. doi: 10.1109/TDEI.2005.1522192Xiaobei, Li B. Design Principles for Multicuhannel Fringing Electric Field Sensors /X. Li, S. Larson, A. Zyuzin, A.V. Mamishev // IEEE Sensors jornal. – 2006. – Vol. 6, no. 2. – P. 434–440. doi: 10.1109/JSEN.2006.870161Li X., Larson S., Zyuzin A., Mamishev A.V. Design Principles for Multicuhannel Fringing Elec-tric Field Sensors. IEEE Sensors jornal, 2006, vol. 6, no. 2, pp. 434–440. doi: 10.1109/JSEN.2006.870161Chen, T. Analysis of a concentric coplanar capacitive sensor for nondestructive evaluation of multilayered dielectric structures / T. Chen, N. Bowler // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2010. – Vol. 17, iss. 4. – P. 1307–1318. doi: 10.1109/TDEI.2010.5539703Chen T., Bowler N. Analysis of a concentric coplanar capacitive sensor for nondestructive evaluation of multilayered dielectric structures. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010, vol. 17, iss. 4, pp. 1307–1318. doi:10.1109/TDEI.2010.5539703Gorbova, G.M. Analysis capacitance and linearity gauge characteristic of coplanar micro-displacement sensor / G.M. Gorbova, M.M. Gorbov, G.C. Meijer // Proceeding XVII IMECO World Congress, June 22–27, 2003, Dubrovnic, Croatia. – TC15. – P. 1965–1968.Gorbova G., Gorbov M., Meijer G.C. Analysis capacitance and linearity gauge characteristic of coplanar microdisplacement sensor. Proceeding XVII IMECO World Congress, 2003, TC15, pp. 1965–1968.Левицький, А.С. Визначення функції перетворення ємнісного сенсора повітряного зазору в гідрогенераторі СГК 538/160-70М / А.С. Левицький, Є.О. Зайцев, Б.А. Кромпляс // Пр. Ін-ту електродинаміки НАНУ : зб. наук. пр. – К. : ІЕД НАНУ, 2016. – Вип. 43. – С. 134–136.Levytskyi A.S., Zaitsev I.O., Kromplyas B.A. [Determination of the response characteristic of the capacitive sensor of the air gap in the hydrogenerator SGK 538/160-70М]. Pratsі Іnstitutu elektrodinamіki Nacіonal'noji akademіji nauk Ukrajini, 2016, no. 43, pp. 134–137 (in Ukrainian).Srbulov M. Ground Vibration Engineering: Simplified Analyses with Case Studies and Examples / M. Srbulov. – Netherlands : Springer, 2010. – 233 p.Srbulov M. Ground Vibration Engineering: Simplified Analyses with Case Studies and Examples. Netherlands., Springer Publ., 2010, 233 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.