CN103017885A - 用于模态形状识别的系统和方法 - Google Patents

用于模态形状识别的系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103017885A
CN103017885A CN2012103746715A CN201210374671A CN103017885A CN 103017885 A CN103017885 A CN 103017885A CN 2012103746715 A CN2012103746715 A CN 2012103746715A CN 201210374671 A CN201210374671 A CN 201210374671A CN 103017885 A CN103017885 A CN 103017885A
Authority
CN
China
Prior art keywords
turbine blade
patterned
triggering
sensor
shape
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2012103746715A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103017885B (zh
Inventor
L.J.安曼
许立明
S.瓦塞恩格
R.皮尔森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co PLC
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN103017885A publication Critical patent/CN103017885A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103017885B publication Critical patent/CN103017885B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/04—Antivibration arrangements
    • F01D25/06—Antivibration arrangements for preventing blade vibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • G01H1/006—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines of the rotor of turbo machines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

本发明公开用于模态形状识别的系统和方法。该系统可以包括涡轮机叶片，该涡轮机叶片具有布置在该涡轮机叶片的远端的很多触发图案。传感器邻近涡轮机叶片的远端布置以用于检测触发图案。触发图案被图案化以识别涡轮机叶片的至少一个模态形状。

Description

用于模态形状识别的系统和方法
技术领域
本发明的实施例总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地涉及用于涡轮机叶片的模态形状(mode shape，即“振型”)识别的系统和方法。
背景技术
诸如燃气涡轮机的高速涡轮机械大体上包括成以轴向定向的排的形式布置的多个叶片，叶片排响应轴向流动通过机械的高压流体的力而旋转。由于它们的复杂设计，叶片的固有共振机械频率可以与某些叶片旋转速度及其旋转谐波一致或由其激励。每个固有频率与特定模态形状关联，每个模态形状是例如沿着涡轮机的旋转轴线、垂直于涡轮机的旋转轴线等的振动偏转(deflection)的不同组合。
在用于监测并且分析带护罩叶片结构中的振动的已知系统中，其中护罩被制造成与叶片一体化，护罩可以带有置于护罩中的触发器(trigger)。与叶片关联的每个护罩部分通常被提供一个触发器使得每个触发器对应于一个叶片。在多数现场测试和在线应用中，可以提供传感器以用于当触发器经过传感器时感测每个触发器的到达。在用每个触发器(即，每个叶片)识别的数据的基础上分析数据，使得基于叶片排的多次旋转而单独地分析每个目标位置的振动特性，以表征所联接的护罩结构的振动特性。然而在这样的系统中，难以识别叶片的模态形状。
发明内容
以上需要和/或问题中的一些或全部可以由本发明的某些实施例解决。所公开的实施例可以包括用于模态形状识别的系统和方法。根据一个实施例，公开了一种用于模态形状识别的系统。所述系统可以包括涡轮机叶片，所述涡轮机叶片具有布置在所述涡轮机叶片的远端的很多触发图案(trigger pattern)。传感器邻近所述涡轮机叶片的远端布置以用于检测所述触发图案。所述触发图案被图案化以识别所述涡轮机叶片的至少一个模态形状。
根据另一个实施例，公开了一种用于模态形状识别的方法。所述方法可以包括提供涡轮机叶片。所述方法还可以包括图案化涡轮机叶片的远端处的触发器。此外，所述方法可以包括用邻近所述涡轮机叶片的远端布置的传感器检测所述触发器。触发图案被图案化以识别所述涡轮机叶片的至少一个模态形状。
此外，根据另一个实施例，公开了另一种用于模态形状识别的系统。所述系统可以包括旋转元件，所述旋转元件具有布置在所述旋转元件上的多个触发图案。传感器邻近所述旋转元件布置以用于检测所述触发图案。所述触发图案被图案化以识别所述旋转元件的至少一个模态形状。
本领域的技术人员从以下详细描述、附图和所附的权利要求将显而易见的知悉本发明的其它实施例、方面和特征。
附图说明
现在将参考附图，所述附图不必按照比例绘制，并且其中：
图1是根据实施例的燃气涡轮发动机的示例性示意图，该燃气涡轮发动机具有压缩器、燃烧器和涡轮机。
图2是根据实施例的示例性涡轮机叶片的示意图。
图3是根据实施例的示例性带护罩涡轮机叶片的示意图。
图4是根据实施例的包括多个触发图案的示例性带护罩涡轮机叶片的示意图。
图5是根据实施例的示出探头灵敏度与涡轮机叶片的各种模态形状的触发角之间的关系的图形。
具体实施方式
现在将参考以下附图而更完整地描述示例性实施例，在附图中显示了一些、但非全部实施例。本发明可以以许多不同的形式体现并且不应当被理解为限制到本说明书中所述的实施例；相反地，提供这些实施例使得本公开将满足适用法律要求。相似的附图标记始终表示相似的元件。
示例性实施例尤其涉及用于涡轮机叶片或其它旋转元件的模态形状识别的系统和方法。图1显示了可以用于本说明书中的燃气涡轮发动机10的示意图。众所周知，燃气涡轮发动机10可以包括压缩器15。压缩器15压缩引入空气流动20。压缩器15将压缩空气流动20输送到燃烧器25。燃烧器25混合压缩空气流动20和加压燃料流动30并且点燃混合物以产生燃烧气体流动35。尽管仅仅显示了单一燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流动35又被输送到涡轮机40。燃烧气体流动35驱动涡轮机40从而产生机械功。在涡轮机40中产生的机械功经由轴45驱动压缩器15和外部负载50(例如发电机等)。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是由纽约州斯克内克塔迪市(Schenectady)的通用电气公司提供的许多不同燃气涡轮发动机中的任何一种，包括但不限于例如7或9系列重型燃气涡轮发动机等。燃气涡轮发动机10可以具有不同配置并且可以使用其它类型的部件。
其它类型的燃气涡轮发动机也可以用于本说明书中。多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机和其它类型的发电设备也可以一起用于本说明书中。
图2描绘了涡轮机40的部件；具体地，涡轮机叶片或叶55。涡轮机叶片55包括翼型60和根部65。翼型60包括前缘和后缘。大体凹压力表面和大体凸吸力表面在翼型60的相对侧在前缘和后缘之间延伸。在所示例子中，根部65由柄部70和鸠尾榫75组成，所述鸠尾榫接合转子上的相应鸠尾榫凹槽以将涡轮机叶片55固定到转子。
如图2和3中共同地所示，尖端护罩80形成于翼型60的尖端并且从翼型60的表面垂直地向外延伸。尖端护罩80包括径向面向内表面和径向面向外表面并且暴露于流动通过涡轮机部段的热压缩气体。每个尖端护罩80具有支承表面85、90，它在所述支承表面上接触相邻叶片的尖端护罩，由此约束叶片振动。此外，密封轨道95典型地从尖端护罩80的径向面向外表面径向向外延伸以防止热气体从相应的叶片排周围泄漏。在一些常规涡轮机叶片结构中，多个冷却空气通道110通过叶片径向向外延伸到叶片尖端中。在其它常规涡轮机叶片结构中，冷却剂通道可以限定于翼型中。
在图4中描绘了用于涡轮机叶片中的模态形状识别的系统。该系统包括具有尖端护罩80的涡轮机叶片55，如先前所述。而且，该系统包括布置在尖端护罩80的径向面向外表面上的触发图案100。传感器105可以邻近尖端护罩80的径向面向外表面布置，以用于当触发图案100经过传感器105时感测触发图案100。
触发图案被图案化以识别涡轮机叶片的至少一个模态形状。模态与结构共振关联。每个模态由模态频率、模态阻尼(modal dampening)和模态形状限定。模态形状限定涡轮机叶片的运动。
图5示出了不同的触发图案如何可以提供对于不同涡轮机叶片模态形状的或大或小探头灵敏度。例如，取决于涡轮机叶片的模态形状，各种触发角可以提供各种水平的探头灵敏度。在图4和5中，触发器1对应于触发器100，触发器2对应于触发器101，并且触发器3对应于触发器102。如图5中图形地所示，触发器1及其相应触发角提供对于模态形状1的最大探头灵敏度和对于模态形状3的最差探头灵敏度。相反地，触发器3及其相应触发角提供对于模态形状3的最大探头灵敏度和对于模态形状1的最差探头灵敏度。因此，触发图案可以单独地和/或共同地图案化以识别涡轮机叶片的各种模态形状并且提供更大的灵敏度以检测涡轮机叶片的各种模态形状。
在某些实施例中，触发图案放大由传感器观察到的偏转。在其它实施例中，触发图案被图案化以将涡轮机叶片的操作偏转形状与模态形状区分开。而且，在其它实施例中，触发图案被图案化以确定涡轮机叶片的模态形状的方向。
可以通过经由涂覆或其它手段施加图案以改变尖端护罩的径向面向外表面的至少一部分的反射率而形成触发图案。也可以通过雕刻、蚀刻或以另外方式变形尖端护罩的径向面向外表面的至少一部分而形成触发图案。触发图案可以是识别涡轮机叶片的各种模态形状并且提供更大灵敏度以检测涡轮机叶片的各种模态形状的任何形状、尺寸和/或配置。例如，如图4中所示，触发图案包括角间隔矩形条带。
传感器105的类型和配置可以类似于美国专利第7,861,592号中所述的传感器装置，该专利通过引用被合并于本说明书中。例如，在某些示例性实施例中，传感器是激光探头。因此，由触发图案促进的反射率的变化改变从激光探头接收的光量(amount of light)。
通过分析叶片经过至少一个传感器的时间偏差，尖端护罩的径向面向外表面的至少一部分的反射率的变化可以用于识别涡轮机叶片上的特定特征或特征组。使用该数据，可以计算振动偏转。而且，将触发图案施加于尖端护罩的径向面向外表面的至少一部分可以用于将模态形状与其它模态形状区分开。触发图案也可以用于增加测量能力并且确定振动偏转的方向。
已描述了关于涡轮机叶片的用于模态形状识别的本系统和方法。然而，可以预见利用旋转元件的其它应用。而且，尽管用特定于结构特征和/或方法行动的语言描述了实施例，但是应当理解本公开不是必定被限制到所述的具体特征或行动(act)。相反地，具体特征和行动作为实现实施例的示例性形式被公开。

Claims (20)

1.一种用于模态形状识别的系统，包括：
涡轮机叶片；
多个触发图案，所述多个触发图案布置在所述涡轮机叶片的远端；
至少一个传感器，所述至少一个传感器邻近所述涡轮机叶片的远端布置以用于检测所述多个触发图案；
其中所述多个触发图案被图案化以识别所述涡轮机叶片的至少一个模态形状。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮机叶片的远端包括护罩。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个触发图案布置在所述护罩的外表面上。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器是激光探头。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个触发图案放大由所述至少一个传感器观察到的偏转。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个触发图案被图案化以将所述涡轮机叶片的操作偏转形状与模态形状区分开。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个触发图案被图案化以确定所述涡轮机叶片的模态形状的方向。
8.一种用于模态形状识别的方法，包括：
图案化涡轮机叶片的远端处的多个触发器；以及
用邻近所述涡轮机叶片的远端布置的至少一个传感器检测所述多个触发器，
其中所述多个触发器被图案化以识别所述涡轮机叶片的特定模态形状。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述涡轮机叶片的远端包括护罩。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个触发器在所述护罩的外表面上被图案化。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述传感器是激光探头。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个触发器放大由所述至少一个传感器观察到的偏转。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个触发器被图案化以将所述涡轮机叶片的操作偏转形状与模态形状区分开。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个触发器被图案化以确定所述涡轮机叶片的模态形状的方向。
15.一种用于模态形状识别的系统，包括：
旋转元件；
多个触发图案，所述多个触发图案布置在所述旋转元件上；以及
至少一个传感器，所述至少一个传感器邻近所述旋转元件布置以用于检测所述多个触发图案；
其中所述多个触发图案被图案化以识别所述旋转元件的至少一个模态形状。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述旋转元件是具有护罩的涡轮机叶片，所述护罩包括布置在所述护罩的外表面上的所述多个触发图案。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述传感器是激光探头。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个触发图案放大由所述至少一个传感器观察到的偏转。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个触发图案被图案化以将所述旋转元件的操作偏转形状与模态形状区分开。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个触发图案被图案化以确定所述旋转元件的模态形状的方向。
CN201210374671.5A 2011-09-27 2012-09-27 用于模态形状识别的系统和方法 Active CN103017885B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/246309 2011-09-27
US13/246,309 US8689634B2 (en) 2011-09-27 2011-09-27 Systems and methods for mode shape identification

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103017885A true CN103017885A (zh) 2013-04-03
CN103017885B CN103017885B (zh) 2018-12-18

Family

ID=47221923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210374671.5A Active CN103017885B (zh) 2011-09-27 2012-09-27 用于模态形状识别的系统和方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8689634B2 (zh)
EP (1) EP2574734B1 (zh)
CN (1) CN103017885B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201309622D0 (en) 2013-05-30 2013-07-10 Rolls Royce Plc Blade tip timing

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5097711A (en) * 1990-10-29 1992-03-24 Westinghouse Electric Corp. Shrouded turbine blade vibration monitor and target therefor
US20040243310A1 (en) * 2003-05-29 2004-12-02 Griffin Jerry H. Fundamental mistuning model for determining system properties and predicting vibratory response of bladed disks
US20080177485A1 (en) * 2007-01-24 2008-07-24 Massachusetts Institute Of Technology System and method for providing vibration detection in turbomachinery
CN101446207A (zh) * 2007-11-30 2009-06-03 通用电气公司 用于测量涡轮机中叶片变形的方法和系统
CN101622516A (zh) * 2007-02-27 2010-01-06 西门子能源公司 叶片罩振动监测器

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4373804A (en) * 1979-04-30 1983-02-15 Diffracto Ltd. Method and apparatus for electro-optically determining the dimension, location and attitude of objects
US4422333A (en) * 1982-04-29 1983-12-27 The Franklin Institute Method and apparatus for detecting and identifying excessively vibrating blades of a turbomachine
US5365663A (en) * 1992-04-28 1994-11-22 Westinghouse Electric Corporation Method of attaching a monitor target to a shrouded blade
FR2695205B1 (fr) * 1992-09-03 1994-11-18 Europ Propulsion Procédé et dispositif de mesure de vibrations d'aubes de turbine en fonctionnement.
US5471880A (en) * 1994-04-28 1995-12-05 Electric Power Research Institute Method and apparatus for isolating and identifying periodic Doppler signals in a turbine
US6094989A (en) * 1998-08-21 2000-08-01 Siemens Westinghouse Power Corporation Method and apparatus for analyzing non-synchronous blade vibrations using unevenly spaced probes
FR2807834B1 (fr) * 2000-04-13 2002-06-28 Snecma Moteurs Procede de mesure sans contact des vibrations d'un corps tournant
US8096184B2 (en) * 2004-06-30 2012-01-17 Siemens Energy, Inc. Turbine blade for monitoring blade vibration
CN101849169B (zh) * 2007-04-30 2013-05-08 新比隆股份公司 涡轮叶片特性化的方法和系统
JP4560110B2 (ja) * 2008-09-17 2010-10-13 ジヤトコ株式会社 異常診断装置及び異常診断方法
US8256297B2 (en) * 2010-01-05 2012-09-04 General Electric Company Systems and methods for measuring turbine blade vibratory response

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5097711A (en) * 1990-10-29 1992-03-24 Westinghouse Electric Corp. Shrouded turbine blade vibration monitor and target therefor
US20040243310A1 (en) * 2003-05-29 2004-12-02 Griffin Jerry H. Fundamental mistuning model for determining system properties and predicting vibratory response of bladed disks
US20080177485A1 (en) * 2007-01-24 2008-07-24 Massachusetts Institute Of Technology System and method for providing vibration detection in turbomachinery
CN101622516A (zh) * 2007-02-27 2010-01-06 西门子能源公司 叶片罩振动监测器
CN101446207A (zh) * 2007-11-30 2009-06-03 通用电气公司 用于测量涡轮机中叶片变形的方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP2574734B1 (en) 2018-11-14
US20130078094A1 (en) 2013-03-28
US8689634B2 (en) 2014-04-08
EP2574734A3 (en) 2017-09-20
CN103017885B (zh) 2018-12-18
EP2574734A2 (en) 2013-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Madhavan et al. Vibration based damage detection of rotor blades in a gas turbine engine
US10908050B2 (en) Methods and systems for monitoring rotor blades in turbine engines
Zielinski et al. Noncontact vibration measurements on compressor rotor blades
CN103429852B (zh) 通过压力监控确定风扇参数
US7424823B2 (en) Method of determining the operating status of a turbine engine utilizing an analytic representation of sensor data
JP5903223B2 (ja) ブレード監視システム
CN103592053A (zh) 用于涡轮发动机的蠕变寿命管理系统及操作其的方法
US11193388B2 (en) Methods and systems for monitoring rotor blades in turbine engines
KR20100083096A (ko) 터빈 블레이드의 특성화 방법 및 시스템
Nitschke et al. An advanced experimental method and test rig concept for investigating the dynamic blade-tip/casing interactions under engine-like mechanical conditions
US10908049B2 (en) Methods and systems for monitoring rotor blades in turbine engines
JP2017096272A (ja) 構成部品をモニタリングするシステムおよび方法
JP2016061295A (ja) ターボ機械におけるブレード又はベーンの幾何学的パラメータを測定するツール
US9528387B2 (en) Blade tip timing
JP2008261335A (ja) ターボ機械
CN104454606A (zh) 压缩机叶片监测系统
Zhang et al. Five dimensional movement measurement method for rotating blade based on blade tip timing measuring point position tracking
Bornassi et al. Blade synchronous vibration measurements of a new upgraded heavy duty gas turbine MGT-70 (3) by using tip-timing method
EP3012414B1 (en) Gas turbine engine with seal inspection features
KR20140007817A (ko) 로터를 모니터링하기 위한 장치 및 방법
Kulkarni et al. Vibratory response characterization of a radial turbine wheel for automotive turbocharger application
CN103017885A (zh) 用于模态形状识别的系统和方法
Bennington et al. Investigation of tip-flow based stall criteria using rotor casing visualization
Singh et al. Resonance Identification For Impellers.
US20190376411A1 (en) System and method for turbomachinery blade diagnostics via continuous markings

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240102

Address after: Swiss Baden

Patentee after: GENERAL ELECTRIC CO. LTD.

Address before: New York State, USA

Patentee before: General Electric Co.