CN1039482A - 涡轮叶片振动的检测系统 - Google Patents

Abstract

用以监测布置成排的大量涡轮叶片振动的一种系统，它包括第一和第二传感器16和18，在感知涡轮叶片12时它们分别产生出第一和第二输入信号。第一和第二传感器安装得实际上能同时感知同一涡轮叶片。还包括对第一和第二输入信号进行比较的一种电路28，用以检测轴向位移。另有一个输出装置36和38，对检测出的位移起响应。

Description

本发明一般地涉及监测汽轮机的工作参数，具体涉及监测敞开式涡轮叶片的振动。

由于涡轮叶片的复杂设计，它们会受到对应于叶片各种模式的自然频率的振动。每种模式都与不同型式的振动有关，例如沿涡轮旋转轴方向的振动、垂直于涡轮旋转轴方向的振动等。为了防止叶片在其正常位置周围发生过量的振动，正常的设计实践中，要求叶片制作得其各种振动模式处在汽轮机工作频率的各谐波之间。然而，制造公差，转轴上叶片附件的变化，磨损造成的叶片几何尺寸变化，以及涡轮机工作频率的变化等因素，会造成一些模式频率接近工作频率的谐波。当模式接近工作频率的谐波时，可能造成汽轮机的实体损坏。在振动幅度超过某一量值时，叶片内将产生有害的应力。如果该状态未检测到和未作校正，叶片最后会断裂，导致极高代价的被迫停机。因此，需要有检测这类振动的方法和装置，以防止此种损坏。

检测涡轮机叶片振动的一种装置已在1969年9月16日的Zablotsky等人的第3，467，358号美国专利中公布。在该专利中，将一对无触点的电脉冲发信机安装在靠近涡轮机转子叶片的静止部件上，并且两发信机在旋转平面内相互错开位置，错开量对应于要检测出的预置的或过量的振动幅度。两发信机也可置于叶片的相对两端，如Zablotsky专利的图3中所示。在这样的布置情况下，两发信机之间的位移角可如此导得，即将指定的扭曲振动幅度除以转子的外半径。发信机产生的脉冲由适当的电路进行处理，以产生出指明所检测振动的输出信号。

还有许多其它的系统用来测量敞开式涡轮叶片的振动。然而，需要有一种实施简便和可靠的装置和方法，并且它还能在涡轮机损坏之前以必需的精度检测出损坏性的振动量值。

本发明指出一种系统，可用以监测布置成排的许多涡轮叶片的振动。其第一传感器在感知一个涡轮叶片时产生出第一输入信号。第二传感器在感知一个涡轮叶片时产生出第二输入信号。第一和第二传感器安装得使它们实际上能同时感知同一个涡轮叶片。设置一个对第一和第二输入信号进行比较的电路，以检测涡轮叶片的轴向位移。有一个输出装置，它对检测出的轴向位移起响应。

本发明的广泛形式在于，一种具有许多叶片的涡轮机，一个用以监测布置成排的许多涡轮叶片振动的系统。它包括：第一静止传感器，它在感知一个旋转叶片时产生出第一输入信号;其位置校准到感知同一涡轮叶片的第二传感器，它感知上述同一叶片时产生出第二输入信号;上述第一和第二传感器安装得实际上能同时感知同一个涡轮叶片;用以比较上述第一和第二输入信号（V_In1、V_In2）的一个装置，它检测出涡轮叶片的轴向位移;对上述比较装置起响应的一个输出装置。

根据本发明的一个实施例，第一和第二传感器产生出模拟输入信号，这两个信号的峰值与在第一和第二传感器处出现一涡轮叶片的时间相一致。两传感器安装得当无轴向位移时使第一信号的峰值等于第二信号的峰值。两峰值的幅度差表明了轴向位移的大小。

根据本发明的另一实施例，装有一个感知涡轮叶片旋转速度的传感器。根据测得的速度，可以计算出第一和第二输入信号峰值的出现时间。还装有一个电路，用以将计算出的时间与第一和第二输入信号峰值出现的实际时间进行比较。该时间差是切向位移的一个量度，亦即涡轮叶片旋转平面内叶片位移的一个量度。

根据本发明的再一个实施例，第一和第二传感器对各涡轮叶片顶端处形成的叶片突出起响应。作为一基准叶片，可以使某个涡轮叶片上无突出，或者具有不同类型的突出。

本发明还包括一种监测布置成排的许多涡轮叶片振动的方法。该方法包括感知一个叶片时产生第一和第二输入信号的步骤。在感知同一涡轮叶片时，第一和第二输入信号实际上是同时产生的。无轴向位移时，第一和第二信号间具有已知的预定关系。将第一和第二输入信号进行比较，根据对已知的预定关系的偏离，可检测出涡轮叶片的轴向位移，并指出位移的大小。

本发明的装置和方法提供出一种简单又可靠的检测涡轮叶片振动的方法。此装置和方法容易实施，费用经济，并在不希望的振动达到临界值之前提供出了所需精度的检测。从下面优选的实施例的描述中，可更加明白本发明的这些优点。

为了易于了解和实施本发明，现结合以下附图来描述作为例子的优选实施例：

图1是本发明涡轮叶片振动检测系统优选实施例的方框图;

图2示出涡轮叶片上的突出和涡轮机静止部分上安装的传感器之间的关系图;

图3和图4分别是图2上沿Ⅲ-Ⅲ线和Ⅳ-Ⅳ线的视图;

图5A、6A和7A示出涡轮叶片相对于传感器的三种位置;

图5B、5C、6B、6C和7B、7C分别是图5A、6A和7A中所示涡轮叶片位置时两传感器响应的输出信号;

图8示出本发明中微处理器用的合适编程的流程图。

图1示出根据本发明优选实施例构成的涡轮叶片振动检测系统10。图1中，示出了转轴34上安装的一个涡轮叶片12的一部分。涡轮叶片12例如是蒸汽发生器最后一排40或倒数第二排42涡轮叶片中的一个叶片。每排可以包含120个涡轮叶片。众所周知，在某些类型的蒸汽发生器中，最后两排涡轮叶片是敞开式的。此外，转轴34上还安装有其它的涡轮叶片排（图中未画出），这是公知的。

除了下面要详细讨论的基准叶片外，每个涡轮叶片上都有一个突出14。叶片突出14设计得不在叶片内引入应力集中。

系统10包括一对传感器16和18，每个传感器都由包围有拾取线圈22的永久磁铁20组成。每个涡轮叶片顶端的突出14会使永久磁铁20产生的磁力线分布发生偏转。拾取线圈22对偏转的磁力线分布起响应，使第一传感器16产生第一输入信号V_In1，第二传感器18产生第二输入信号V_In2。

这两个输入信号由放大器24放大，然后输入到复用器26。复用器26由微处理器28以已知的方式控制。微处理器28控制复用器26，使输入信号V_In1和V_In2在输入到微处理器28之前串行地输入到一个模/数转换器（图中未画出）。

系统10还包括一个速度传感器30，用以产生出输入给微处理器28的一个信号。速度传感器30可以是一种已知类型的传感器，它对转轴34上形成的标记32起响应。传感器30对标记32的响应是转轴34每转一圈提供出一个信号，微处理器28用它来计算涡轮叶片上突出14的线速度。

涡轮叶片上的突出14与传感器16和18之间的关系详细地示于图2、图3和图4中。传感器16和18安装在汽轮机的静止部分上，如图2所示。传感器16和18相邻地安装，使它们实际上能在同一时刻感知同一涡轮叶片的出现。它们的安装关系清楚地示于图3中。涡轮叶片12顶端的突出14示于图4中。

本发明检测叶片轴向振动的原理参阅图5A～5C、6A～6C和7A～7C，便可以理解。图5A中，无轴向振动时转子叶片12上突出14的位置与传感器16和18为等距离。在这个位置上，两传感器的永久磁铁22产生的磁力线分布受到相同的影响，所以模拟信号V_In1和V_In2实际上相同，如图5B和5C所示。因此，无轴向位移时，第一传感器16和第二传感器18产生的信号之间存在着一种已知的关系。这种已知关系可以是图5B和5C中所示的关系，即两个信号的形状相同，并在同一时刻出现等同的峰值。

当转子叶片12的突出14由于振动而偏离图5A所示的位置时，一个传感器产生的信号将增强，而另一个传感器产生的信号将相应地减弱，这种情况示于图6A～6C和7A～7C中。

图6A中，转子叶片12有振动，造成轴向位移。这种轴向位移使突出14较靠近传感器16的下部，结果是传感器16产生的输入信号V_In1的幅度比传感器18产生的输入信号V_In2的幅度大，如图6B和6C中所示，相反地，当轴向位移使突出14较靠近传感器18的下部时，情况如图7A～7C所示。微处理器通过比较输入信号V_In1和V_In2的大小，确定出轴向位移的量值。由于已知无轴向位移时信号V_In1等于信号V_In2，所以两信号的幅度差表明了位移的大小。幅度差越大，轴向位移越严重。

如前所述，每个涡轮叶片排内的涡轮叶片上都有一个突出14。然而，每排叶片内有一个叶片上无叶片突出14，或者具有不同形状的叶片突出。它将使输入信号V_In1和V_In2产生不同的波形，因而这个叶片可以当作指引叶片或基准叶片。微处理器可以从指引叶片起计数输入信号的数目，借以跟踪哪个叶片正被感知，从而可使振动数据与相应号数的叶片关联起来。一排内的叶片号数（即1、2、……、120）以及与该叶片关联的振动数据可以存入微处理器28中，也可以输出到绘图器36和报警器38上，或者输出到其它合适的输出装置去，如图1所示。

应用速度传感器30，微处理器28可以控制复用器26，选出特定叶片来的输入信号V_In1和V_In2。因此，复用器可以用来扫描由所有叶片产生的输入信号V_In1和V_In2，或者可以用来选取特定叶片产生的输入信号。

除了检测轴向振动外，也能检测切向振动，即旋转平面内的振动。图1中，叶片12的旋转平面是垂直于纸面的。检测切向振动可以结合图8来说明，图8示例出微处理器28的编程。

检测切向振动从步骤50开始。不过在检测切向振动之前，如前所述的轴向振动可能已经确定。也就是，在步骤44读出了输入信号值。在步骤46比较了两个信号，如果它们相等，则微处理器进入步骤50。如果两个信号不等，则根据两个信号差值计算出轴向位移量。然后微处理器进入步骤50。

在步骤50，微处理器28利用速度信息和指引叶片前后计数得的脉冲数目，确定出每个叶片的输入信号V_In1和V_In2的峰值出现的准确时间。在步骤52，微处理器测量峰值出现的实际时间。在步骤54，将峰值出现的计算时间与峰值出现的实际时间进行比较。如果两者相等，表明无切向位移，微处理器返回到步骤44。如果两者不等，在步骤56计算出涡轮叶片旋转平面内的位移量。两个时间相差越大，表明切向位移越大。然后，微处理器返回步骤44。

还可以提供附加的传感器对16和18。传感器对的数目和传感器对的位置取决于涡轮机的额定速度和有关的谐振值范围。根据选定的位置，可由微处理器28计算出叶片的振动模式。严重的或快速的叶片位移的变化可被检测出，并发出告警声音。为使每个叶片产生的感应效应较为显见，在每个传感器上跨置一个阻尼电路（图中未画出），以快速地消解磁场。

总之，本发明可测量汽轮机叶片的切向和轴向位移。本发明中包含有许多对安装在涡轮机内圆柱上的磁传感器16和18。在每个涡轮叶片的顶端有一个小突出14。一个微处理器28扫描传感器16和18，测量出感应电势。当叶片上的突出接近或离开各别的传感器时，拾取线圈22内的感应电势比例地上升或下降。微处理器按程序将这些电势变化转换成轴向位移。它通过计算来确定突出14将于何时出现在传感器16和18处，并将计算结果与突出14出现在传感器16和18处的实际时间进行比较，从而确定出切向位移量。得出的位移量可以存入微处理器28，绘制成图，或者当检测出叶片谐振或过量位移时，发出告警声音。

上面结合示例性的实施例说明了本发明，而对于本技术领域内的一般技术人员，会想出许多显而易见的修改和变型。本申请和下面的权利要求包括了所有这些修改和变型。

Claims (10)

1、在具有许多涡轮叶片的涡轮机中，对于布置成排的大量涡轮叶片的振动进行监测的一种系统，它包括：

第一静止传感器(16)，它感知一个旋转涡轮叶片(12)时产生出第一输入信号，其特征在于：

有一个第二传感器(18)，其位置校准到能感知上述的同一涡轮叶片，产生出第二输入信号，这第一和第二传感器安装得实际上同时感知同一个涡轮叶片；

用以对上述第一和第二信号(V_In1、V_In2)进行比较的装置(28)，以检测出涡轮叶片的轴向位置；

对上述比较装置起响应的输出装置。

2、根据权利要求1所述的系统，其中，上述的第一和第二输入信号各有一个峰值，它们分别与涡轮叶片出现于上述第一和第二传感器处的时间一致，又在无轴向位移时，上述第一信号的峰值等于上述第二信号的峰值。

3、根据权利要求2所述的系统，其中，叶片包括在其顶端具有突出的敞开式涡轮叶片，另外，上述的第一和第二传感器包括有对上述突出起响应的磁性传感器。

4、根据权利要求2所述的系统，它还包括有感知涡轮叶片速度的装置，以及对感知的叶片速度起响应并计算上述第一和第二输入信号的峰值出现时间的装置。

5、根据权利要求4所述的系统，它还包括有将计算出的时间与上述第一和第二输入信号峰值出现的实际时间进行比较的装置，以检测出涡轮叶片旋转平面内的叶片位移。

6、根据权利要求5所述的系统，其中，叶片排列成许多排，每排上的叶片除一个之外在它们的顶端都具有突出，此种突出由上述的第一和第二传感器感知。

7、利用能感知运动叶片的传感器对布置成排的许多涡轮叶片的振动进行监测的一种方法，其特征在于以下步骤：

感知同一涡轮叶片时，实际上同时响应产生第一和第二输入信号，上述第一和第二输入信号之间在无轴向振动时具有一种已知的预定关系;

根据对已知的预定关系的任何偏离，通过将第一和第二信号作出比较来检测轴向振动;

对检测出的轴向振动给出指示。

8、根据权利要求7所述的方法，其中，对已知的预定关系偏离越大时，表明轴向振动越大。

9、根据权利要求7所述的方法，它附加包括这样的步骤，即计算第一和第二输入信号应产生的时间，测量第一和第二输入信号实际产生的时间，将计算出的时间与测得的时间进行比较，以检测出涡轮叶片旋转平面内的叶片切向位移。

10、根据权利要求9所述的方法，其中，计算出的时间与测得的时间之间差值越大时，表明叶片切向位移越大。

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