CN101907486A - 转子动力系统的横向振动、角振动和扭转振动的监测 - Google Patents

转子动力系统的横向振动、角振动和扭转振动的监测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及转子动力系统的横向振动、角振动和扭转振动的监测。具体而言，示例性实施例提供了一种具有相位基准标记和多个附加标记这两者的旋转元件的表面。相位基准标记和多个附加标记这两者在它们旋转通过检测区时由接近探测器检测其通过。产生了相位基准信号和振动基准信号两者，这些信号用于计算旋转元件的横向振动和角振动(且可选的是扭转振动)。

Description

转子动力系统的横向振动、角振动和扭转振动的监测
相关申请
本申请涉及于2009年6月6日提交的名称为″Angular andTorsional Vibration Monitoring of Rotordynamic Systems″的美国临时专利申请序列No.61/184,800，并主张其优先权，该申请的公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明主要涉及转子动力系统，并且更具体地涉及测量、监测和/或分析旋转机械如涡轮机轴的一个或多个轴向平面的各个中的振动。
背景技术
诸如涡轮机(例如，燃气轮机和蒸汽轮机、压缩机)、发电机以及其它旋转机械(例如，电动机驱动式系统)的转子动力系统通常受到持续或间断地监测，以便例如控制运行、防止故障(其可能是灾难性和/或带有危险性的)、评估疲劳程度、诊断问题和/或确定是否需要维护。通常，涡轮机包括径向(横向)振动和轴向(纵向)位移监测设备，该设备构造成用于长期持续和/或间断的监测，而无需使涡轮机停机。
然而，涡轮机通常并未配备角振荡或扭转振荡监测设备。此外，用于转子动力系统的扭转振动监测的大多数公知技术并非很好地适于持续(或间断)监测，且通常需要关停系统来安装扭转振动监测设备(且在测试之后移除该设备)。此外，该类系统是侵入式的，且并未证实可在可能爆炸的分类区域内工作，该分类区域例如可包括吹洗系统，且在一些情况下，如果必须在很热的区域(例如，靠近燃气轮机的排气管道)进行测量，便还包括冷却系统。在油气事务中，系统停机例如因损失油气产量和/或能量生产方面的损失而涉及到较大的金融成本。
此外，在油气行业中，日益复杂的应用和为单独客户的定制设计提出了新的和更为复杂的转子动力难题。因此，除横向振动和/或轴向位移监测之外，还应当在测试(例如，用以验证设计)期间和现场长期运行期间监测和探查扭转振动(例如，持续地或间断地例如周期性地，或在发生意外问题时按需或根据需要)。换言之，转子动力系统的进一步发展应当提供嵌入式或现场的扭转振动监测，其可持续或间断地运行，或以其它方式根据需要运行，并且可在涡轮机在线时进行调用，而无需使系统停机。因此，期望的将是设计用于涡轮机的角振动测量和扭转振动测量的方法和系统。
发明内容
示例性实施例提供了一种具有相位基准标记和多个附加标记的旋转元件的表面。相位基准标记和多个附加标记在它们旋转通过检测区时，由接近探测器检测其通过。产生了相位基准信号以及用于计算旋转元件的角振动的信号这两者。
因此，根据一个示例性实施例，一种测量用于与具有旋转元件的转子动力系统相关的横向振动和角振动的相位基准的方法，包括如下步骤：当旋转元件上的相位基准标记旋转通过与检测装置相关的检测区时，检测相位基准标记的通过；当旋转元件上的附加标记旋转通过检测区时，检测附加标记的通过，该附加标记可区别于相位基准标记；基于对相位基准标记的检测而产生相位基准信号，以及基于对附加标记的检测而产生信号，使用该信号来计算角振动。
根据另一个示例性实施例，一种转子动力机器包括旋转元件，该旋转元件具有相位基准标记和围绕所述旋转元件的表面圆周设置的多个附加标记，其中，相位基准标记和附加标记形成为表面中的凹部，以及进一步地在其中，相位基准标记具有与附加标记不同的深度。
附图说明
附图示出了示例性实施例，其中：
图1示出了其中可实施示例性实施例的示例性涡轮机的传动系；
图2示出了根据背景技术的横向振动测量；
图3示出了根据示例性实施例的组合式横向振动和角振动测量系统；
图4绘出了根据示例性实施例的与组合式相位基准和角振动测量系统相关的波形；
图5示出了根据示例性实施例的相位基准标记和多个附加标记的部署；
图6为示出处理根据示例性实施例的通过检测相位标记和多个附加标记而产生的数据的流程图；以及
图7为绘出根据示例性实施例的用于测量角振动和扭转振动中的至少一个以及横向振动的方法的流程图。
具体实施方式
本领域普通技术人员将认识到的是，以下说明示出和描述了本发明的一些实施例，但并非意图对其进行约束，或限制通过本发明可实现的优点。此外，应当理解的是，尽管以下说明代表本发明的一些实施例，但其不必包括本发明范围内的所有主题和实施例。
此外，如本领域普通技术人员将认识到的，尽管后续说明是针对涡轮机实施例来阐述的，但本发明的实施例包括用于在众多的转子动力系统中进行分析、测量、监测、诊断、评估和/或以其它方式确定横向振动相位基准和角振动两者的系统和方法。首先，对振动本身的一些讨论有益于上下文。振动是可称为围绕平衡位置的振荡运动的动态现象。振动是由物体内能量的转移或储存而造成的，其是一个或多个力作用的结果。振动可归类为″平移″(即，作用在一个或多个线性自由度上)振动或″角″振动(即，作用在一个或多个角自由度上)。对于角振动而言，加力作用(function)涉及一个或多个力矩，而非作用在物体上的″线性″力。最后，扭转振动可通过将两个相异区段中所测得的角振动之差乘以两个区段之间的轴刚度来确定。
横向振动信号或径向振动信号的相位为振动信号中的事件(通常为周期中的最大值)与由相位基准信号所给定的脉冲之间的定时关系。得到关于横向振动相位的信息将极大地帮助诊断活动以及何时机器必须在涡轮机的旋转元件上取得平衡，该涡轮机例如包括蒸汽/燃气轮机、压缩机、电动机和发电机，以及负载齿轮箱。在与这些设备相关的传动系中，振动由于其将不希望的应力引至设备元件上而可能成为故障的重要原因。仅作为实例，图1示出了典型的涡轮机传动系，其中，测量横向振动和角(和/或扭转)振动可能很有用，以便补偿振动应力或以其它方式解决振动应力。这里，燃气轮机10连接到轴流式压缩机12上，轴流式压缩机12继而又连接到离心压缩机14上，而离心压缩机14自身连接到辅助电机16上。多个互连的旋转轴18和齿轮箱(未示出)以及本领域普通技术人员将认识到的其它互连件操作，以在由传动系连接的单元之间传递旋转能。
图2中从概念上示出了一种方式，以此方式已在该类传动系中测得横向振动相位基准。这里，接近探测器20(例如，涡流感测器或光学检测器)安置在旋转元件22的表面(例如，上文所述的轴18之一的圆周)附近，在该表面中形成有标记或凹部24。每当旋转元件22的包含标记或凹部24的表面部分经过接近探测器20时，接近探测器识别表面中的变化(例如，由于标记24相对于表面其余部分而表现出的深度差所引起)，并且产生每转一个信号(once per revolution)26。由于每转一个信号可用于提供对于旋转元件22的相位角基准，故该信号有时称为″相位基准信号″，该相位在文中也用来描述该特定信号。因此，标记或凹部24可称为相位基准标记24，但有时也称为″KEYPHASOR″标记，该用语为Bentley Nevada Company的商标。相位基准信号可传递到数据分析器或其它处理器28，在其中，该信号可用来计算滤波的横向(径向)振动测量结果30的相位。因此，接近探测器20和相位基准标记24的组合可由检测系统使用，用以提供对于旋转元件22的转速信息和相位角信息中的一者或两者。
当轴首先沿一个方向围绕其轴线扭曲且之后沿另一个方向围绕其轴线扭曲时，会发生扭转振动。因此，扭转振动可通过在轴上的两个不同位置上进行角振动测量并取得它们之差来确定。扭转振动出现在涡轮机的传动系中，而如果未检测到，则可能造成系统故障。根据本发明的示例性实施例，在转子动力系统中，传递转矩(例如，联接件或轴)或并不传递转矩而是机械地联接到转矩传递构件上且与其一起旋转(例如，直接附接到轴上或经由一个或多个其它构件间接地附接的螺母、螺栓或轮)的至少一个旋转构件中的各个均制造成也包括相位基准标记。
图3中示出了示例性实施例，其显示了单个相位基准标记24和多个附加标记32的组合。在此，附加标记32可区别于相位基准标记24，使得在感测到相位基准标记24时，传感器20产生的相位基准信号26可区别于由传感器20在感测到附加标记32时所产生的信号34。本领域普通技术人员将认识到的是，尽管图3中示出了两个箭头26和34而使分别源自感测到不同类型的标记24和32的不同信息概念化，但从物理上来说，这可作为单个信号或单个数据流从接近探测器20传递到处理器36。例如，如图4中所见，接近探测器20可产生数据的连续波形，在进行采样时，数据例如可通过相关显示器(未示出)上的处理器36而显示为波形40。从图4中将看到的是，波形40具有数目相对较大的脉冲，例如脉冲42，其可归因于附加标记通过接近探测器20。还示出了可归因于相位基准标记24通过的较少脉冲44。阈值46和48可分别根据需要而设置成使得处理器36能够在脉冲42和44之间进行区分，即，突出与相位基准标记24相关的正确脉冲。
因此，根据这些示例性实施例，由接近传感器20在沿转子动力系统的轴的给定轴向位置处所获取的信息很好地适于(例如，由于附加标记)提供数据用以产生相位基准横向振动测量结果37和角(和/或扭转)振动测量结果38。尽管给定的探测器20检测到给定旋转构件上的相位基准标记24和附加标记32，但可认识的是，一个以上的接近探测器可排列成检测给定旋转构件上的标记，以便由于横向振动而对构件补偿。更具体而言，多个探测器中的各个均可排列成分别监测对于给定旋转构件上的相位基准标记和附加标记两者。
如本领域普通技术人员将理解到的那样，由于附加标记提供对于每转的附加样本，故它们能够实现和/或改善基于末端定时分析的角振动测量。例如，一般而言，增加每转的样本增大了角振动波谱的带宽，且还增大了在其中可确定角振动波谱的RPM(转/分)范围(例如，提供在较低RPM下的分析，如在爬升或下降期间)。在与相位基准标记相同的旋转构件上提供附加标记例如提供了对于转子动力系统而言更为简单且成本效益更为合算的设计和/或改装，用以包括长期(例如，嵌入式或现场的)角振动监测和扭转振动监测。例如，通常包括相位基准标记的任何旋转构件可制造成包括可区分的附加标记，从而提供了角(扭转)振动监测，而不会明显改变当前的系统设计(例如，可以不需要附加的接近探测器；不需要添加具有标记的附加旋转部件，等)。根据各种实施方式，通常包括相位基准标记的涡轮压缩机系统(例如，列车)的各平面可修改成还包括可区别于相位基准标记24的一个或多个附力标记。
图5示出了在旋转元件52的表面50上提供附加标记32的另一实例，该旋转元件52也包含根据示例性实施例的相位基准标记24。在此，可看到的是，相位基准标记24比附加标记32更深，后者中的各个均具有相同或相似的深度。例如，在接近探测器20实现为涡流感测器的情况下，以此方式区分标记可能很适合，其基于由接近探测器20所产生的磁场中的变化来检测从接近探测器20到旋转元件52表面50的距离。当旋转元件52旋转通过与接近探测器20相关联的检测区时，相位基准标记24和附加标记32的不同深度导致不同的检测距离。根据一个仅为示范性的实例，相位基准标记24的深度54可以是附加标记32深度56的1.5倍至2倍，但本领域普通技术人员将认识到，相对的深度差异可基于实施方式的细节而有所变化。在该示例性实施例中，所有标记的宽度可相同或大致相同。根据一些示例性实施例，形成或设置在表面上的附加标记32的数目N可由以下关系确定：
N＝πd/2x，其中：
d为设置有相位基准标记和多个附加标记的表面的直径；以及
x为现有相位基准标记的宽度。
如果该关系导致标记数N为非整数，则该数例如可四舍五入为最相近的整数。
不管相位基准标记24和多个附加标记32由此提供在旋转元件表面上用于检测的特定实施方式怎样，在标记旋转通过检测区时，接近探测器20都将检测各个标记，且产生与此相关的数据。处理器36接收该数据，且对其进行处理来产生横向振动相位基准测量结果37和角振动测量结果38这两者。根据一个示例性实施例，这可使用图6的流程图中所示的处理方法来实现。在此，在步骤60，处理器36接收和处理从接近探测器20(传感器)接收到的原始数据。例如，可分析由传感器输出的信号来识别各标记通过传感器的时间。各个该种传感器通过事件(或就传感器而言，等同于各标记到达事件)的定时可确定为信号等于用户设置阈值的时间。各种信号处理技术(例如，在原始信号上升沿的内插和/或曲线拟合)可用于改善对于确定各传感器通过事件或标记到达事件的精确度。接下来，在步骤62，旋转元件52的回转速度对时间计算为dq/dt，其中：dq[°]为齿对齿的角，而dt为齿对齿的时间延迟[s]。
速度对时间的分布然后在步骤64进行积分，以获得角对时间的波形。该波形可选在步骤66进行滤波而获得角振动对均匀时间的分布，用以提供角振动波谱，和/或基于要求的波谱带宽来重新采样。如果还希望计算扭转振动，则该参数然后可计算为在旋转元件52两个不同区段处确定的角振动之差。此外，在给定旋转元件52刚度的情况下，还可计算交替的转矩。角振动测量结果38可用频率和振幅来表示。然而，已经知道的是，使用上述结构和方法可能会低估测得的角振动振幅。
具体而言，已经确定的是，所测量的角振动振幅是实际角振动振幅、事件(标记)数目和角振动频率的函数。如果只使用了相位基准标记，则根据示例性实施例，作为产生角振动测量结果的过程的一部分，应当对所测结果应用校正因数以便获得正确的振幅值，例如，在上文所述的任一步骤64或66之后。校正因数C可通过使用公知的角振动输入(即，具有公知的频率和公知的振幅A1)的模拟和确定以上述方式所测得的角振动振幅Ameansured来确定。校正因数C然后可确定为C＝Ameasured/A1。当系统运行时，校正因数C然后可用于补偿所测的角振动，使得角振动测量信号38的振幅部分A计算为A＝Ameasured×C。有利的是，该校正因数提供了改善的精确度，且还使得能够在较少数目的事件/秒的情况下例如，在较低RPM时和/或旋转构件具有少量的标记/转时)精确地确定角振动。
因此，根据示例性实施例的用于测量横向振动相位基准和另外的与具有旋转元件的转子动力系统相关的角振动中的至少一个的方法可包括在图7的流程图中所示的步骤。在此，在步骤70，相位基准标记在其旋转通过与检测装置相关的检测区时受到检测。类似的是，如步骤72中所示，可区别于相位基准标记的附加标记在它们通过检测区时受到检测。然后在步骤74，基于相位基准标记的检测而产生相位基准信号。在步骤76，基于附加标记的检测而产生振动基准信号，且用于测量角振动和扭转振动中的一个。
构思出了前文的许多变型和替换方式。例如，将会认识到的是，例如对于横向振动测量硬件已经在适当位置上的改装实施方式而言，角(且可选的是扭转)振动测量硬件可根据示例性实施例而添加，以便仅使用由相位基准标记所产生的相位基准信号来测量角振动而用以确定角振动，且之后校正如上文所述的最后得到的角振动测量结果的振幅。这样，可监测已在运行的机器的角振动/扭转振动，而不用关停该机器。作为备选，对于前述附加标记提供在运行机器上的实施方式，可单独和/或并行地执行横向振动测量和角振动测量。对于这些实施例，图7的流程图可修改成具有两个并行的分支，例如，一个包括步骤70和74用于测量横向振动(相位基准)，而另一个则包括步骤72和76用于测量角(或扭转)振动。
如文中所用，旋转构件包括可移除地紧固(例如，使用螺栓)、不可移除地紧固(例如，通过焊接)到转子动力系统(例如，涡轮机)的转子或轴上，或与其形成为一体(例如，法兰部分)，且与其一起旋转的任何机械结构或器件。例如，旋转构件可包括但不限于毂、法兰、螺母(例如，承载锁定螺母)、齿轮或隔板(diaphragm)或盘式联接件、可固定地附接(例如，螺栓连接或焊接)到该种联接件上的齿形或有齿的轮。举例来说，该种旋转构件可包括联接构件或在给定轴向位置处附接(例如，焊接或螺栓连接)到轴上的其它构件。根据本发明的一些实施例，任何该种旋转构件均可适于或构造成包括沿周向设置的标记(例如，齿、凹槽、槽口、螺栓等)，当转子动力系统运行时，这些标记可随旋转构件的旋转而由传感器(例如，接近感测器如涡流探测器)进行检测。在一些实施例中，旋转构件包括可构造(例如，通过磨削)为具有相位基准标记和附加标记的轴自身的一部分。
如文中所用，旋转构件上的标记包括例如可通过除去材料、或通过添加材料，或通过添加或附接另一构件而形成的任何器件或结构，且可在旋转构件旋转时由排列成用以观察(检测)标记(目标)的探测器(例如，接近探测器和/或光学探测器)进行检测。例如，标记可形成为(例如，通过磨削)轮、螺母或毂的外表面或内表面中的切口、凹槽、齿、键槽。还举例来说，标记可为轮、螺母、毂、轴、法兰或其它旋转构件上的螺栓或块体(例如，焊接的器件)或其它凸出的目标。
这种用于提供横向振动相位基准、角振动以及还可选为扭转振动(如果可用一个以上的测量区段)的方法和/或系统可在硬件和/或软件中予以实施。例如，使用浮点门阵列(FPGA)装置的CompactRIO(CRIO，一种嵌入式控制和采集平台)系统可经编程而从多个传感器通道获得数据，确定对应于各通道的角振动，且基于通道之间的角振动之差来确定扭转振动。用以确定角振动的该种处理方法和系统不限于由接近探测器获得的处理信号，而是还可应用于由其它类型的探测器所获得的信号，如监测旋转构件上的标记或其它印记的光学(例如，激光)探测器。使用CRIO硬件的优点例如包括：i)其极为轻便；ii)硬件稳健且可靠(可安置成连续运行数年)；iii)使用具有校正因数的软件可用于仅使用相位基准信号(仅一个标记)来计算角振动。因此，利用上述方法，在紧急情况下，该装置可运输至机器地点，且在涡轮机单元运行的情况下进行安装而无需任何改变。通过比较，用于扭转振动测量的现有技术方法是侵入式的，且总是需要使单元停止。
因此，应当认识到的是，示例性实施例能够例如使用在工业应用中通常得到的信号来进行振动测量。可在大多数机器中得到且可用于克服这些振动测量难题的信号包括但不限于来自于齿轮传动轮(例如具有60个齿的轮)上的磁性传感器(magnetic pickup)的速度信号，以及在监测横向振动或测量系统中所使用的由涡流探测器给出的有关轴上的单个标记的相位基准信号。
上述示例性实施例意图在各个方面示出本发明，而非对本发明进行限制。因此，本发明能够由本领域普通技术人员对源于本文所包含的说明的详细实施例方式进行多种改变。所有这些改变和修改均认作是在由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神内。用于本申请的说明中的元件、动作或指令不应看作是对于本发明很关键或必不可少的，除非明确如此描述。另外，如文中所用，用词″一个″表示包括一个或多个物件。

Claims (15)

1.一种用于测量与具有旋转元件(52)的转子动力系统相关的横向振动和角振动两者的方法，包括如下步骤：
当所述旋转元件(52)上的相位基准标记(24)旋转通过与检测装置相关的检测区时，检测所述相位基准标记(24)的通过；
当所述旋转元件(52)上的附加标记(32)旋转通过所述检测区时，检测所述附加标记(32)的通过，所述附加标记(32)可区别于所述相位基准标记(24)；
基于对所述相位基准标记(24)的所述检测而产生相位基准信号(34)；以及
基于对所述附加标记(32)的所述检测而产生振动基准信号(38)，以及使用所述振动基准信号(38)来测量所述角振动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位基准标记(24)在所述旋转元件(22)上具有不同于所述附加标记(32)的深度(54)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生振动基准信号(38)和使用所述振动基准信号(38)来测量所述振动的所述步骤还包括：
使用所述振动基准信号(38)来计算与所述旋转元件(22)相关的角振动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
校正所述计算的角振动(38)的振幅。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述校正步骤还包括：
使与所述计算的角振动相关的测得的振幅乘以校正(38)因数，其中，所述校正因数基于模拟结果确定。
6.一种转子动力机器，包括：
旋转元件(22)，其具有相位基准标记(24)和围绕所述旋转元件的表面(50)的圆周设置的多个附加标记(32)；
其中，所述相位基准标记(24)和所述附加标记(32)形成为所述表面(50)中的凹部；以及
还在其中，所述相位基准标记(24)具有不同于所述附加标记的深度。
7.根据权利要求6所述的转子动力机器，其特征在于，所述转子动力机器包括压缩机(12，14)，以及所述旋转元件(22)为所述压缩机(12，14)的轴。
8.根据权利要求6所述的转子动力机器，其特征在于，所述旋转元件(22)为所述转子动力机器上的螺栓。
9.根据权利要求6所述的转子动力机器，其特征在于，形成在所述旋转元件(22)中的所述附加标记(32)的数目等于πd/2x，其中：
d为所述相位基准标记(34)和所述多个附加标记(32)设置于其上的表面的直径；以及
x为所述相位基准标记(24)的宽度。
10.根据权利要求6所述的转子动力机器，其特征在于，所述转子动力机器还包括：
检测装置，其具有检测区且定位成邻近所述旋转元件(22)并构造成用以在所述相位基准标记(24)和所述多个附加标记(32)旋转通过所述检测区时检测它们的通过。
11.根据权利要求6所述的转子动力机器，其特征在于，所述转子动力机器还包括：
处理器(28)，其构造成用以接收与由所述检测装置对所述相位基准标记(24)和所述附加标记(32)的检测相关的数据，且构造成用以处理所述数据来产生横向振动的测量结果(30)以及所述旋转元件的角振动和扭转振动(38)中的至少一个的测量结果。
12.根据权利要求11所述的转子动力机器，其特征在于，所述处理器(36)还构造成用以校正所述测得的角振动和扭转振动(38)中的至少一个的振幅。
13.根据权利要求12所述的转子动力机器，其特征在于，所述处理器(36)通过使与所述测得的角振动(38)和扭转振动(38)中的至少一个相关的测得的振幅乘以校正因数来校正所述振幅，其中，所述校正因数基于模拟结果确定。
14.一种用于测量扭转振动(38)的方法，包括：
感测相位基准标记(24)通过便携式感测器的检测区来产生相位基准信号；
利用便携式硬件，基于所述相位基准信号(37)来确定角振动；
校正所述确定的角振动(38)的振幅；以及
使用所述确定的角振动的所述校正振幅来确定扭转振动(38)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述确定步骤还包括：
仅使用所述相位基准信号(37)作为输入来确定所述角振动。
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