CN104089693A - 一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法，其步骤是：在汽轮发电机组机头/机尾测速齿轮盘、盘车齿轮和转子—转子之间联轴器螺栓处设置涡流传感器，将涡流传感器对准测量截面；转动过程中每当齿尖或螺栓对着涡流传感器时，涡流传感器就会产生脉冲输出；测量和记录转动过程中齿、齿之间或螺栓与螺栓之间脉冲信号；等等。本发明可以实现汽轮发电机组转轴各阶扭振模态的在线测试、分析与显示；在传统机头测速齿盘单点监测基础上，提出了轴系多点扭振模态监测方法；充分利用汽轮发电机组盘车齿轮、联轴器螺栓等部件结构特点，无需在转轴上增加新的齿轮盘。

Description

一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法，能突出反映运行状态下汽轮发电机组转动轴扭转振动特征，尤其适用于转动轴扭转振动的信号分析、特征提取、监测和诊断，帮助开展汽轮发电机组轴系强度和疲劳寿命监测与分析工作。主要应用领域包括：电力、冶金、石化等行业大型旋转机械，如：汽轮发电机、燃气轮发电机等。 

背景技术

随着电力系统电压等级的不断提升以及输、配电技术的发展，大规模交、直流混合输电将成为未来发展的主要趋势。为了提高远距离输电系统传输容量和系统稳定性，可控串补技术在电网中得到广泛运用。可控串补技术在提高电力系统暂态稳定性、增加线路输出功率、加强互联电网稳定性的同时，也为汽轮发电机组轴系带来了扭振安全隐患，直接威胁着发电机组和电网的安全、可靠运行。 

弯曲振动和扭转振动是汽轮发电机组转轴两类振动型式。和弯曲振动不同，扭转振动所诱发的故障具有很强的潜伏性和隐蔽性，具有以下2个典型特点：(1)故障初期很难发现；(2)故障一旦进入中晚期，往往会导致大轴和叶片断裂等恶性事故的发生，故障危害和损失较大。因此，在扭振故障发生初期，及时报警并判断发展趋势，以便采取应对措施，避免故障向恶性方向发展，这对于保证机组本身的安全和整个电力系统的稳定运行都具有重要意义。 

由振动理论可知，转动轴的扭转振动是由它的各阶模态叠加而成，轴系扭矩分布由轴系扭振模态决定。目前汽轮发电机组扭振和扭应力监测大多利用计算所得轴系扭振固有特性，如扭振模态振型等，将机头测速齿盘处扭振信号经过多阶带通滤波后，分解为若干阶固有频率下的振动信号，进而对轴系扭振危险截面应力历程进行推算。由于扭振测点少，无法测出扭振模态，转轴扭应力和疲劳寿命监测所需扭振模态只能由轴系动力学模型计算得到。轴系建模和由此所得模态不可避免地会存在误差，这将对扭应力和疲劳寿命计算分析结果产生影响。 

发明内容

本发明提出一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法。这种方法充分利用汽轮发电机组轴系结构特点，借助盘车齿轮、联轴器螺栓等部件，测量多截面处的脉冲信号。在本发明所提出的信号分析算法基础上，可以实现转轴各阶扭振模态监测，具有简单、方便的特点。 

本发明提出一种能够实现汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法，本发明特征是， 

（1）在汽轮发电机组机头/机尾测速齿轮盘、盘车齿轮和转子—转子之间（如：高中压与低压转子之间、低压转子与低压转子之间等）联轴器螺栓处设置涡流传感器，将涡流传感器对准测量截面；转动过程中每当齿尖或螺栓对着涡流传感器时，涡流传感器就会产生脉冲输出；测量和记录转动过程中齿、齿之间或螺栓与螺栓之间脉冲信号； 

（2）用多通道、高精度、同步计数器卡测量和记录各测量截面处脉冲之间间隔变化情况，计算各截面在同一时刻下、两个脉冲之间的瞬时角速度； 

（3）从瞬时角速度中减去当前转轴转动角速度，得到瞬时脉动扭振角速度； 

（4）对瞬时脉动扭振角速度信号进行快速傅里叶变换（FFT），求出信号频谱，得到不同频率点处相应频率成分的实部和虚部； 

（5）由频谱中各频率成分的实部和虚部计算相应频率成分的幅值和相位； 

（6）由不同截面、不同频率点处的扭振幅值和相位绘制相应频率点的扭转振型； 

给定分析频率f，从测量截面j频谱分析结果中找出该频率点所对应的幅值A_j(f)和相位 计算测量截面j与起始截面之间的相位差

计算相应各频率分量的模态幅值： 

对其进行归一化处理： 

${\stackrel{\‾}{x}}_j\left(f\right)=\frac{x_j\left(f\right)}{\max \left(\right|x_j\left(f\right)\left|\right)}$

以测量截面所在轴向位置为x轴，各测量截面处的为y轴，将各点相连，得到相应频率点处的扭振振型。 

与现有技术相比，本发明提出的方法的有益效果如下： 

（1）可以实现汽轮发电机组转轴各阶扭振模态的在线测试、分析与显示。与计算结果相比，测试结果更为准确、客观； 

（2）在传统机头测速齿盘单点监测基础上，提出了轴系多点扭振模态监测方法，扭振状态监测信息更为丰富、全面； 

（3）充分利用盘车齿轮、联轴器螺栓等部件结构特点，无需在转轴上增加新的齿轮盘； 

（4）本发明所采用的联轴器截面在很多情况下也是扭应力监测关键截面。 

附图说明

图1是某汽轮发电机组扭振模态测试测点布置图； 

图2(a)是盘车齿轮测点的实物结构图； 

图2(b)是联轴器测点的实物结构图； 

图3是波形整形示意图； 

图4是涡流传感器所测6个截面含扭振、非均匀间隔脉冲信号； 

图5是瞬时角速度测量方法； 

图6是从6个截面脉冲信号中提取出的瞬时角速度信号； 

图7是由6个截面信号测试得到的扭振模态； 

图8是本方法实施流程图。 

具体实施方式

一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法，本发明方法为， 

（1）在汽轮发电机组机头/机尾测速齿轮盘、盘车齿轮和转子—转子之间（如：高中压与低压转子之间、低压转子与低压转子之间等）联轴器螺栓处设置涡流传感器，将涡流传感器对准测量截面；转动过程中每当齿尖或螺栓对着涡流传感器时，涡流传感器就会产生脉冲输出；测量和记录转动过程中齿、齿之间或螺栓与螺栓之间脉冲信号； 

（2）用多通道、高精度、同步计数器卡测量和记录各测量截面处脉冲之间间隔变化情况，计算各截面在同一时刻下、两个脉冲之间的瞬时角速度； 

（3）从瞬时角速度中减去当前转轴转动角速度，得到瞬时脉动扭振角速度； 

（4）对瞬时脉动扭振角速度信号进行快速傅里叶变换（FFT），求出信号频谱，得到不同频率点处相应频率成分的实部和虚部； 

（5）由频谱中各频率成分的实部和虚部计算相应频率成分的幅值和相位； 

（6）由不同截面、不同频率点处的扭振幅值和相位绘制相应频率点的扭转振型； 

给定分析频率f，从测量截面j频谱分析结果中找出该频率点所对应的幅值A_j(f)和相位 计算测量截面j与起始截面之间的相位差

计算相应各频率分量的模态幅值： 

对其进行归一化处理： 

${\stackrel{\‾}{x}}_j\left(f\right)=\frac{x_j\left(f\right)}{\max \left(\right|x_j\left(f\right)\left|\right)}$

以测量截面所在轴向位置为x轴，各测量截面处的为y轴，将各点相连，得到相应频率点处的扭振振型。 

本实施例是以图1所示某大型600MW汽轮发电机组为例，给出运行状态下机组转轴扭振模态在线测试方法，参照图1～8。 

（1）在图1和图2所示机头测速齿盘、高中压转子－低压转子联轴器、盘车齿轮、低压转子－发电机转子联轴器、发电机转子－励磁机转子联轴器和机尾测速齿轮盘处（合计6个截面）安装涡流传感器，将涡流传感器信号接入扭振模态测试分析系统。 

（2）波形整形：为了提高后续分析精度，在对脉冲信号进行信号分析之前，必须首先将脉冲波形整形。如图3所示，设置脉冲触发阈值。波形幅值大于脉冲触发阈值时，令波形幅值为1,；反之，令波形幅值为0； 

（3）用高精度、多通道同步计数器卡对各通道传来的脉冲信号（如图4所示）进行同步计数，得到第j个测量截面处脉冲i与脉冲i+1之间的时间间隔△t_j,i，如图5所示。信号采集和分析时，建议：①为了提高计数精度，计数器卡的晶振频率≥80MHz；②为了提高抑噪能力和频谱分辨率，建议信号连续采样时间≥20个转动周期；③为了提高频谱分析精度，建议采取整周期采样方式，信号采集自起始脉冲开始至终止脉冲为止，两者之间的脉冲个数等于：齿数（或螺栓数）×分析周期数。④测试分析时，各测量截面处的齿数（螺栓数）可以不等，相应的分析脉冲个数也可以不等。 

（4）对每一测量截面j，求出该截面脉冲i与脉冲i+1之间的瞬时角速度ω_j,i： 

${\mathrm{\ω}}_{j,i}=\frac{2\mathrm{\π}}{N_j\×{\mathrm{\Δt}}_{j,i}}$

式中：ω_j,i为截面j处i时刻的瞬时角速度，N_j为截面j处的齿数（或螺栓数）。 

（5）从瞬时角速度信号中减去转动角速度，得到瞬时脉动扭振角速度信号，如图6所示： 

式中：为平均角速度，也就是转动角速度。 

（6）对瞬时脉动扭振角速度信号进行快速傅里叶（FastFourierTransformation,FFT） 变换，得到各通道瞬时脉动扭振角速度信号频谱； 

（7）从频谱分析结果z_j(f)的实部和虚部中求出相应的幅值谱A_j(f)和相位： 

A_j(f)＝|Z_j(f)| 

式中：|Z_j(f)|为复数Z_j(f)的模，imag[Z_j(f)],real[Z_j(f)]分别代表复数Z_j(f)的实部和虚部。 

（8）给定频率f，各测量截面处与该频率分量相对应的相对于第1个测量截面的扭振角速度相位差为 

M 

（9）计算各截面处的扭振角速度模态幅值 

（10）对求得的扭振角速度值作归一化处理： 

${\stackrel{\‾}{x}}_j\left(f\right)=\frac{x_j\left(f\right)}{\max \left(\right|x_j\left(f\right)\left|\right)}$

（11）以各测量截面到机头的距离为x轴，归一化后的扭振角速度值为y轴，绘制出一条曲线，该曲线即为相应频率成分的扭振模态振型，如图7所示。 

Claims (1)

1.一种汽轮发电机组转动轴扭振模态在线测量方法，其特征是，

（1）在汽轮发电机组机头/机尾测速齿轮盘、盘车齿轮和转子—转子之间联轴器螺栓处设置涡流传感器，将涡流传感器对准测量截面；转动过程中每当齿尖或螺栓对着涡流传感器时，涡流传感器就会产生脉冲输出；测量和记录转动过程中齿、齿之间或螺栓与螺栓之间脉冲信号；

（2）用多通道、高精度、同步计数器卡测量和记录各测量截面处脉冲之间间隔变化情况，计算各截面在同一时刻下、两个脉冲之间的瞬时角速度；

（3）从瞬时角速度中减去当前转轴转动角速度，得到瞬时脉动扭振角速度；

（4）对瞬时脉动扭振角速度信号进行快速傅里叶变换，求出信号频谱，得到不同频率点处相应频率成分的实部和虚部；

（5）由频谱中各频率成分的实部和虚部计算相应频率成分的幅值和相位；

（6）由不同截面、不同频率点处的扭振幅值和相位绘制相应频率点的扭转振型；

给定分析频率f，从测量截面j频谱分析结果中找出该频率点所对应的幅值A_j(f)和相位计算测量截面j与起始截面之间的相位差

计算相应各频率分量的模态幅值：

对其进行归一化处理：

${\stackrel{\‾}{x}}_j\left(f\right)=\frac{x_j\left(f\right)}{\max \left(\right|x_j\left(f\right)\left|\right)}$

以测量截面所在轴向位置为x轴，各测量截面处的为y轴，将各点相连，得到相应频率点处的扭振振型。