CN1013405B - 测定涡轮机叶片共振的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测定涡轮机(12)中一排转动叶片(22)共振响应特性的方法。该方法采用包括一组绕一排叶片设置，以可选择的振动频率激振叶片(22)的可控流体喷口(16)，以一组小间隔频率向叶片喷射高温高压流体来连续激振叶片，同时监测叶片的响应，充分地求出共振的中心频率及其谐频，以便检测出叶片共振特性的改变。

Description

本申请涉及测定涡轮机一排或多排旋转叶片的共振特性的一种改进方法。

在高速涡轮机，例如汽轮机或燃气轮机中，多级涡轮的每一级都包括许多周向分布的叶片以形成一涡轮，多级涡轮沿一旋转轴轴向布置。高压流体轴向流过涡轮机，冲击涡轮的叶片，此高压流体的力使涡轮转动。叶片的自然共振频率可能与轴的某些转速和总体谐振吻合或者为其所激发。以轴的转动频率的倍数频率所激发的叶片共振所产生的应力会使一个或者多个叶片折断并引起重大事故，因而导致停机，需要大修。

为了避免共振，需要调谐汽轮机低压段中的叶片以避免在工作转速的倍数频率激振。这种调谐是在叶片设计过程中通过精细的分析而实现的。在涡轮机运转之前要进行细致的测试以保证新的叶片在正常运转中不会共振。一排涡轮机叶片的转动测试包括流体喷射下叶片的激振，用应变仪测量若干叶片的振动响应以测定共振频率，即最大响应出现时的激振频率。这样一种稳定的流体喷射只激发轴转速的整倍数的频率。轴转速必须加以变化以便改变激振频率。然后进行严格的质量控制以保证叶片的制造符合设计要求。这些质量控制措施取决于试验室测试以确定制造公差并保证叶片的调谐。但是因为对制造的叶片进行个别的评定可能是很费时的，所以在普通转动条件下对所有叶 片进行实验室测试以验证叶片的正确的调谐，一直不是可行的方案。另一方面，在非工作环境中的叶片测试一直不是一种完美的替代方案，这是因为这种方案需要修正测试数据以便预言在转动条件下的振动响应。这种调整是必要的，因为在工作中的向心力会导致叶片应力，而共振频率会随着叶片应力的变化而改变。

在工作过程中最好也要监测转动的叶片以便及时发现涡轮机投入使用后产生的振动问题。这种运转中的检测是必要的，这部分是因为在实际使用前的检测，即使是转动测试，叶片所承受的力，温度和压力也与现场工作中所要碰到的有所不同。

为了检测出标志着结构变化的共振频率的飘移，连续监测叶片的振动也是重要的。例如，一条正在扩展的裂缝将引起叶片共振频率的下降。这就需要在叶片变得在轴的转速或其谐频下会发生共振之前就检测出这种变化。否则振动的叶片就会承受破坏性应力。其它因素也会使叶片的共振频率随时间而发生变化。例如，翼面区域的腐蚀也会改变共振频率，把叶片组固定在一起的或把其固定在涡轮轴上的铆接或焊接接头可以改变共振频率。

转动叶片的最常见频率（modal    frequency）也取决于叶片在转子上的固定叶片的装配槽中的装配情况。因为向心力会使联结更为紧密，所以高速转动的动态效果一般会改善叶片的固定状况。这种在工作转速下的动态加载是难于模拟的。因为向心力既加强叶片的刚度也加强了叶片与转子间的联结，所以叶片的频率响应是工作转速的一种很强的作用。如果所使用的是静态测试数据，则必须测定共振频率随转速产生的变化。

虽然静态测试加之适当的修正数据可能为新叶片提供有意义的资料，但是人们知道转子的装配槽的腐蚀会影响叶片的固定，也会 改变叶片的刚度和阻尼特性。因此，工厂测试数据并不一定相应于在旧涡轮机中发现的叶片特性。而且，也是因为使用时间产生的效果会改变转子装配槽的原有公差，所以对静态测试数据的类似调整不会导致改型叶片的正确动态特性。不进行直接的测定，就无法充分确定这些易变的物理变化。

虽然以前进行评定的方法已成功地消除了某些严重的振动问题，但是为了进一步避免上述问题，还是需要进行可靠的，全面的监测。过去，监测运转中的叶片振动的能力很有限，但是由于叶片振动监测的最新进展，现在快速，高寿和低成本的监测系统已能对涡轮机所有的叶栅提供并随时更新叶片振动的情况。转让给本发明受让人的4，573，358号美国专利中公开了一种这样的典型系统。

由于叶片振动监测改进系统的问世，为了检查出结构上的变化，最好定期测量运转中设备的叶片共振。过去这一直是不能做到的，因为叶片振动的现场监测一直局限于被动的评定，也就是局限于检查出自然出现的响应于轴的转动频率或其谐频的共振。当然，被动评定的缺点在于：标志结构缺陷的共振频率的飘移，在严重的损坏之前可能发现不到。现场监测不到叶片共振飘移的一个原因在于：一直找不到一种在正常运转中在可变的频率下激振涡轮机叶片的方法。很明显，这样一种方法，与一种适当的叶片振动监测系统相结合，就会在最接近实际的条件下获得可靠的和精确的数据。

本发明克服了现有技术的上述缺点，局限或者不很理想的特点，提供了一种有选择地激振转动叶片的装置和方法。这样的激振，当结合其它设备，如叶片振动监测系统一起使用时，就提供了一前所未有 的综合测量，诊断和检查叶片振动问题的手段。用这样的装置及方法可以在涡轮机以同步转速运转时以一种安全、可控的方式有选择地激发同步的和非同步的叶片振动频率，这就可以对因裂纹，热梯度，材料变化，沉淀，腐蚀和其它因素引起的叶片共振特性的频率飘移和放大变化进行测量和评定。这样的装置和方法也简化了测试工作，提高了涡轮机叶片共振响应特性的测试速度和精度并减少了监测一排转动的叶片所需要的叶片振动传感器的数目。

本发明的目的是提供一种监测涡轮机叶片振动的可编程序的叶片激振方法。

按照本发明的在具有一排转动叶片的涡轮机中测定叶片共振的方法包括以下步骤：a）在涡轮机外壳上接近叶片顶端处设置一高温高压流体喷口，所述喷口包括与高温高压流体源连通的一个入口，一个与所述入口相连的喷嘴以便向叶片喷射流体;一个可选择开关的位于入口和喷嘴之间的阀以及用于控制所述阀的控制装置;b）通过所述控制装置控制所述阀的开关，以至少一个预定的频率，用喷口中喷射的高温高压流体脉冲激振所选择的叶片;以及c）用安装在机壳上叶片顶端附近的振动传感器测量被激振叶片顶端振动的大小，从而确定所测定叶片的共振频率。

下面参照附图说明本发明的推荐实施例。

图1是涡轮机横截面的示意图，表明本发明的可编程序的可控流体喷口叶片激振系统的一个实施例;

图2是汽轮机的局部纵剖视图，表明一可编程序的流体喷口相对于一排叶片的设置情况;

图3至图7是对叶片开始各种激振频率的液体喷口工作的定时曲线图;

图8是本发明的系统和方法的一实施例所能引起的供选择的叶片振动频率及其谐频的表格。

下面以在汽轮机一排叶片的激振中的具体应用为例，对本发明的方法进行说明。

参照图1。图1是装在一涡轮机12上的本发明的可编程序的流体喷射叶片激振系统。该系统包括一组可控的流体喷口16，它们环绕圆柱形涡轮机外壳35设置。每个喷口16包括一进口管24，一装有可选择地关闭进口管24的可控阀（未画出）的促动器26以及把液体喷射到涡轮叶片的出口18。一高压蒸汽源（未画出）通过进口管24与每个喷口16相连，促动器26有选择地打开和关闭喷口中的阀门以便有选择地通过出口18喷射高压蒸汽流。每个喷口绕涡轮叶轮20定位，在叶轮20上装有许多涡轮叶片以形成涡轮。为了便于理解，只画出了一个叶片22和三个等间距的喷口16。借助从出口18喷射的流体对转动叶片的冲击而产生激振。

不言而喻，虽然这种喷口布置可以用来同时为一叶栅的所有叶片激振，但是其它的喷口布置也可用来成功地实施本发明的方法。例如，一个单一的喷口可以用来以共振频率为若干转动的叶片激振，但是因为此时一个叶片每转一圈只能接受一次激振脉冲，所以激振作用之间隔中的叶片振动的振幅衰减可以使检测共振频率的工作难以进行。为了以预定的频率激振叶片，喷口16的间距也不必是均等的。事实上，在一整圈喷口难于安装或安装起来费用过高的场合，更宜于采用间距不等的喷口。

促动器26由一种本专业熟知的数字控制装置28，如一种程序控制装置来控制。对于一定的喷嘴16的布置，可以把适当定相的定时信号编入数字控制装置28，以便通过叶片和喷口中喷出的流体之间的接触使叶片22引起需要的振动。数字控制装置28有选择地对每个促动器26沿着控制线30提供控制信号，以便有选择地打开或者关闭喷口中的阀门，因此可以向每个叶片射出流体以产生需要的激振频率。控制装置28通过一种由本专业熟知的轴速传感器（未画出）发出的同步（SYNC）信号与叶片转速同步。可控的喷口相对于一排叶片的布置进一步由图2表明，在图2中，一振动传感器40相临于这排转动叶片设置，以便于检测由喷口引起的叶片振动。

图2是一低压汽轮机12的局部纵剖视图，在该汽轮机中应用了本发明。汽轮机的该剖视图中可见一环绕并支承转动轴32的外壳35，在转动轴32上安装着若干排叶片22。每排转动叶片都相临于一排相应的静止叶片34定位;一排叶片和一排静止叶片34即构成一级涡轮。压力蒸汽通过一环形室36进入汽轮机并经导向而通过各级涡轮。静止叶片34影响蒸汽流射向叶片22的方向。本发明连同最后两级涡轮示于图2的右侧。蒸汽出口18通过一静止叶片的一支承件38。出口18端部临近于叶片22的径向向外的尖端23。促动器26和喷口16的进口管24最好定位于涡轮机外壳35的外部（图2中未画出）。在涡轮机运转过程中，通过各级涡轮的蒸汽作用于叶片22，使轴32转动。如果供给促动器26能量使高压蒸汽脉冲从出口18喷出，转动的叶片将受到蒸汽脉冲的冲击。这样在叶片22上产生的振动就可以由装在临近叶片22的尖端23的涡轮机的不转动的结构部分上的振动传感器40检测出来。从传感器40到涡轮机外部仪器的连接是公知的技术，没有画出。传感器40可以是许多适用的传感器中的任何一种，例如，电磁探针。

在一推荐实施例中，可控的喷口在绕一排叶片的圆周上等间距布置。在该实施例中，三个喷口16以预定的频率（此处称作喷口循环速度）进行顺序的定期的喷射。应该注意，当喷口喷射时，内 部阀门打开，一股蒸汽流就射入叶片转动路径。若干相继的叶片可以由一股连续的蒸汽流激振。出口18可以沿着涡轮机的径向线定向，这是由于作用在叶片上的主要的力是叶片转速引起的蒸汽流的冲击力。

在以下的说明中，J代表沿叶片转动方向的，做为转速一部分的喷口的表观转速，也就是说，由于控制了喷口喷射时间，看起来喷口是在转动。当喷口的转速与叶片的转速相同时，J＝1;当喷口转动与叶片转动方向相反时，J小于0;当喷口转动与叶片转动同向时，J大于0。举例来说，如R＝60hz，喷口循环速度为36hz，则J＝0.1，当实施本方法时，根据一个或若干选定的J值，可以编程序使控制装置28产生所需要的喷口循环速度。

可以由喷口激发的振动频率F_n由下式求出：

Fn＝nR（1-J）

式中n为整数，R为涡轮机转动频率。F₀为稳定的，非摆动的分力，基本振动频率F₁相应于n＝1，F₁的谐振出现在n为其它值时。

例如，当J＝+0.25时，一个喷口循环周期的完成将对应于转子的四个转数及F₁＝0.75R;F₂＝1.5R;R₃＝2.25R;F₄＝3.00R;F₅＝3.75R;F₆＝4.50R;等等。图3、4和5分别是相当于F₁、F₃和F₆的定时曲线图。图6和7是n为非整数，即n＝2.75和n＝3.50时F值的情况下，叶片的响应。一般来说，在图3至图7中，标有喷口1、喷口2和喷口3的上三条曲线表示由于喷口16在控制装置28指令下打开和闭合的通-断循环。各图中下面的标有“在喷口处”的一条曲线表示选定的一个叶片经过每个喷口的时间。标有“速度”的曲线表示叶片尖端对喷口喷射的蒸汽流引起的激振的速度响应。标有“功率”的曲线表示功率输入，即，做为时间的函数的，从每次流体脉冲对叶片的冲击向叶片的能量传递。在图3-5中，每次功率输入与表示叶片激振频率的加强的叶片尖端速度的正峰值一致。另一方面，在图6和7中，某些功率输入则并不 加强叶片的激振频率，这由功率曲线的反向脉冲所指示，恰恰相反，叶片振动能量却被不时地减弱。

图8是基于各表观喷口转速而产生的振动频率及其谐振表，用监测共振响应的叶片振动监测器监测对于一系列J值的叶片振动，可以检测出若干重叠的Fn系列。虽然图8表示对于一些J值可能具有的重叠Fn值。为了确定每个叶片共振的中心频率，J必须以小增量变化，例如，已经发现，如果以百分之0.1转速的增量，从转子转速的-0.1到+0.1变化J值，那么为了测定高于五倍谐频的每次共振的中心频率，必须进行充分的解析。

因此，在所需频率范围内的叶片共振的综合特性测定可以用下述方法进行，即用各种振动频率Fn来逐步增加频率以激振叶片，并监测叶片的共振响应。

Claims (6)

1、在包括一排转动叶片(22)的涡轮机(12)中，测定叶片共振的方法，其特征在于：

在涡轮机外壳上接近叶片顶端处设置一高温高压流体喷口(16)，所述喷口包括与高温高压流体源连通的一个入口，一个与该入口相连的喷嘴(18)以便向叶片(22)喷射流体，一个可选择开关的位于入口与喷嘴之间的阀以及用于控制所述阀的控制装置；

通过所述的控制装置控制所述阀的开关，以至少一个预定的频率，用喷口中喷射的高温高压流体脉冲激振所选择的叶片；以及

用安装在机壳上叶片顶端附近的振动传感器测量被激振叶片顶端振动的大小，从而确定所测叶片的共振频率。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：叶片（22）是以许多可选择的频率来激振的，以便测定一组可引起共振的频率。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：绕上述一排转动叶片（22）间隔分布着可分别控制的流体喷口（16）以便用流体脉冲引起转动叶片的振动。

4、按照权利要求3所述的方法，其特征在于：还包括分别地控制流体喷口（16）的步骤以便以一组可选择的频率激振叶片（22）。

5、按照权利要求3所述的方法，其特征在于：为了引起叶片共振，在叶片转动的交替周期中，喷口（16）被控制以激振叶片（22）。

6、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：检测各叶片（22）的共振频率是通过一组传感器（40）监测一排叶片的各叶片（22）的尖端位置进行的，传感器（40）绕这排叶片设置，每个传感器都提供响应于各叶片通过的输出信号。

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