CN1047145A - 汽轮发电机大轴扭转监测器 - Google Patents

Abstract

一个大轴扭转监测器包括多个传感器(43-48)，用以在动态条件下检测大轴(10)的各部分的角度位置和产生代表被检测角度位置的数据组。电路(64)用来周期地存储代表在无扭曲情况下大轴各部分的角度位置的数据组之一，并且为了以每一个其它数据组中减去存储的一组数据，以消除噪音的影响，从而确定大轴(10)所经受的扭曲。

Description

本发明涉及监测发电机中的运行参数，並具体涉及监测汽轮发电机大轴扭转。

在许多应用中，希望对正在旋轴的大轴所受的扭转进行测量。当此旋转轴使用在汽轮发电机上时这尤其是千真万确的，这样的大轴非常昂贵并且为了安排维护的目的需要仔细地监测。同时也希望确定发生汽轮发电机大轴扭转事件的后果。必须密切地监测扭转事件以确定何时大轴接近其使用寿命终期。当大轴到达使用寿命的终点或者当大轴需要维修时而未能正确地预测出来将会引起灾难性事故造成数百万元的损失，以及在这样一个灾难性的事故中任何接近汽轮发电机的人员将会危及其生命安全。

通常扭转监测器装有一个磁性传感器，检测安装在大轴一个选定位置的齿轮的通过齿数。由带齿轮盘所产生的信号的相位移对应于每转一次的信号，提供了一个在装有带齿轮盘的一点和发生每转一次信号之间大轴总扭转的精确测量指示。

为了鑑别大轴的各种方式，需要更多装设的带齿轮盘的位置。这就出现一个问题，亦即大轴处于高速旋转，因为速度这样高，故在大轴上很难提出必需的标记并使其能够产生代表大轴角度位置的信号。遇到的另一个问题是大轴的很多区域是不可接近的。

本发明的主要目的是提供一个汽轮发电机大轴扭转监测器，它可以用于有关一般的汽轮发电机的大轴，不需要作本质上的变更。

从这个目的出发，本发明归于一种扭转监测器，它用于装有多列不带复环的低压汽轮机叶片的汽轮机大轴;和装有大轴各个部分的标记;所说的监测器包括一个第一组传感器，在动态条件下响应于所说的为检测装有所说的大轴各个部分的角度位置，和用于产生代表所说的检测位置的数据;以及和第二组传感器在动态条件下响应于不复环的低压汽轮机叶片列，用于检测装有叶片的大轴的这些部分的角度位置，和产生代表所说位置的数据，其特征为：响应于所说的用于存储代表不存在扭转时大轴的各个部分角度位置的电路和从第二组传感器得到的保留的数据中减去所说的存储数据以消除噪音的影响。所说的电路响应于所说的减法的结果和所说的第一组传感器以确定大轴所经受的扭曲。

本发明涉及一种用于监测大轴扭转的系统，它包括在动态条件下用于检测大轴各个部分的角度位置的许多传感器，和用于产生代表检测位置的数据组的存储器。装有存储代表大轴在没有扭曲情况下各个部分的角度位置的一组数据组，装有从每个其它数据组中减去存储数据组以消除噪音影响的装置，响应于减法装置的电路分析其结果以确定大轴所经受的扭转。

根据本发明的一个实施例，本发明可用于监测汽轮发电机大轴经受的扭转曲，多个传感器响应于二个带齿轮盘，一个是盘车齿轮，和多个列不带复环的低压汽轮机叶片，这些部件都设置在大轴上。从保留数据组中把一组数据减去是首先在有关响应于不带复环的汽轮机叶片列的传感器产生的数据中执行。

根据本发明的另一个实施例，大轴扭转监测器还包括一个记录器，响应于分析和存储发生扭曲情况前后的数据组的电路。

本发明还涉及监测大轴的扭转的方法，包括如下步骤：检测在动态条件下大轴各个部分的角度位置;产生代表检测角度位置的数据组;周期地存储代表大轴在不存在扭转情况下各部分角度位置的数据组中的一组;从每个其它数据组中减去存储数据组以消除噪音影响;並且分析其结果以确定经受大轴的扭曲。

本发明的装置和方法有益于使用汽轮发电机大轴的一般构造以有节省费用的方式产生最大数量的数据点。通过检测叶片末端获得有关大轴各个部位的角度位置的数据。与检测叶片顶端关联的问题，诸如：叶片末端的位置不精确、叶片顶端的不同磁特性、磁性传感器与叶片顶端之间的不同间距、叶片顶端的缺失、和叶片顶端在一个平衡位置左右的振动，这些问题在本发明中均已得到补偿。这样本发明提供了一个节约费用而且可靠的扭曲监测器，只要作很小的修改即可用于有关一般汽轮发电机的大轴。

通过下面所做的仅仅作为举例的一个优选实施例的描述并参照以下附图，将会对本发明更加明白。

图1示出本发明的一个与汽轮发电机大轴有关的扭曲监测器和装设在大轴上的各种设备的方框图;

图2示出用于处理图1所示的部分传感器产生的信号的电路方框图;

图3A和图3B分别示出在无载和有载的条件下，图1传感器组中的一个传感器所产生的信号;和

图4A和图4B分别示出图1传感器组中的一个传感器在无载和有载条件下从叶片变形而产生的信号。

图1示出了与汽轮发电机大轴10有关的扭转监测器8，该大轴10装有高压汽轮机12，三台低压汽轮机14、16和18。一台发电机20和一台励磁机22。大轴10带有标记24，与它相配合有一个传感器26以产生已知的每转一次的信号。

因为汽轮发电机轴10在高速下旋转，限制了接近大轴10，故可进行测量的点的数量也受到了限制。实际上大轴10的数学模型的精确性决定了所需的参数点的数量。当模型的精确性增加，要求精确地预测沿着大轴10任何位置上经受的扭转数据点的数量将减少。这样在消耗于开发一个大轴10的精确的数学模型的时间和金钱与同模型结合使用的、并能方便地接近大轴的数据点的合理数量之间需要作出权衡。

为了提供本发明正确运转所必需的信号，大轴10的第一自由端在那里可形成有多个齿28，它与一对传感器30和31相配合，以产生代表大轴10在这部位的角度位置信号。在大轴10的另一个自由端可装有一个带齿轮盘33，它与传感器35和36相配合，以产生代表大轴这端的角度位置的信号。在发电机20和低压汽轮机18之间的汽轮发电机大轴上装有一个盘车齿轮38，用于在温度过高时缓慢地旋转汽轮机大轴10。盘车齿轮38与传感器40和41相配合以产生代表大轴10的这部分的角度位置信号。

除先前指出的数据点外，六个其它的数据点提供在本发明已公开的实施例中，这些数据点是由通常与在低压汽轮机14中的二列不带复环的汽轮机叶片（图中未示出）相关联的二个传感器43和44所产生。二个传感器45和46通常是与低压汽轮机16中的二列不带复环的低压汽轮机叶片（图中未示出）相关联。而二个传感器47和48通常与低压汽轮机18中的二列不带复环的低压汽轮机叶片（图中未示出）相关联。这样，已公开的实施例提供了代表大轴9个部分的角度位置的9个数据点。具有一般的技术水平的人可以认识到还可以选择其它的数据点，另外也可以提供更多或更少的数据点。已公开的实施例中所选择的数据点是为方便起见，亦即多个齿28和带齿轮盘33设置在大轴10的自由端是便于接近，已经安装在大轴上的盘车齿轮38用来提供一个数据点。

如果已经安装了例如美国专利US202742（申请日1988年6月3日）所公开的那种类型的汽轮机叶片振动监测器（该专利已转让给本发明的受让人并在本文中作为参考文献），则六列汽轮机叶片可能已被监测。于是，只需最小限度地修改原有设备就能实现传感器的配置，这些传感器用以产生本发明所需的信号。

传感器26，30，31，35，36，40和41可以是已知的磁阻探头，例如爱亚帕克斯公司（AIR    PAX    CORP。）的售品，其它型式的探头例如本得利内华达（BENTLY    NEVADA）也可使用。传感器43-48可以磁阻或是本得利内华达装在柔性探头上的传感器。

由传感器26，30和31产生的信号用电缆60通过一个接线盒62连接至一个扭转监测器电路64。由传感器43和44产生的信号输入到前置放大器50，它与120VAC电源连接。传感器45，46，47和48以同样的方式分别与前置放大器52和54连接。前置放大器50，52和54通过合适的电缆58连接到扭转监测器电路64。由传感器40和41产生的信号通过电缆58也输入到扭转监测器电路64。最后，传感器35和36通过电缆58连接到扭转监测器电路64。

利用带齿轮盘例如28和33进行扭转测量，这对于本领域普通技术人员是很容易理解的，不用在此作更多的说明。然而基于监测低压汽轮机叶片列产生数据进行大轴扭转测量所造成的问题比起用带齿的轮盘来是缺乏经验的。产生这些问题是由于（1）叶片顶端位置不精确，（2）叶片顶端不同的磁特性，（3）叶片顶端与磁性传感器之间可变的间距，（4）叶片顶端的缺失，（5）在一个平衡状态位置在左右的叶片顶端振动。

正如下文更充分论述，本发明消除前面所提到的问题并允许在沿着大轴的许多点从先前讨论过的检测叶片列和带齿轮盘同时实时地监测大轴的扭转幅度。本发明还包括从这些大轴许多位置大探知大轴扭转发生时对探测到的扭转数据自动记录。发生扭转情况前约8秒的数据和后约16秒的数据都被记录下来。本发明满足了一个重要的条件是同时采集沿大轴方向所有位置的数据，因此可以实现将来长期地数据分析，以确定大轴扭转的方式，最大的轴应力和大轴寿命的损耗。实施本发明还可利用现有的电路。

在图2中示出了扭转监测、路64的详图。一般地，传感器检测到叶片或齿通过的情况，並产生一响应于这些情况的类似正弦波信号。这些信号之间的相位关系包含了由沿着大轴传导扭矩所导致大轴角度位移。为简明起见，只需考虑这样一个正弦信号零交点，举例来说，从叶片顶端，传感器43来的这样一个正弦信号的零交点，因为零交点包含位置信息。对一列叶片具有理想的位置，叶片一点也没有上面所确定的偏差（1）-（4）並且也没有上面所确定的振动（5）正弦形信号，其零交点与时间的曲线分别按无载及有载条件在图3A和3B中示出。在图3A和3B中示出了从信号之间的相位移中清楚地显示由大轴传导所引起的相位移。它可以与传感器26所产生的每转一次信号相比较。

偏差（1）-（4）的影响在信号中发生一个恒定的干扰，其形状以放大的方式表示在图4A和4B中，这个干扰形式在扭转测量中引起误差。当扭转测量采用带齿轮盘或齿轮时，将不会发生这样的误差，因为这些齿是精确定位的。本发明的优点之一就是当数据是由监测汽轮机叶片列产生时，消除了扭矩测量引入的误差，允许把汽轮机叶片列作为数据采集点来应用。

虽然本发明可以在每个位置以单个传感器来工作，传感器对30和31，40和41及35和36每一个都是采用并联连接以减少位置误差，每个传感器对及43-48传感器中的每个传感器都馈送给西屋（Westinghouse）相位调制器电路66。相位调制器电路66包含一个频率对电压转换器（图中未示出）它产生一个与输入信号的频率成比例的电压，输入到一个积分电路（图中未示出）並产生一个代表大轴这部分角度位移的输出信号，通过所有的相位调制器电路66产生的输出信号都输入到一个数字转换器68，该数字转换器可以是莫特雷比德（Metrabyte）生产的DAS-20板。这样一块板可以把相位调制器输出的信号以每秒100，000个样本的速度进行数字转换，使用顺序技术允许用-DAS-20单板读出所有相位调制器66与从相邻的相位调制器66来的数据采样，分辨率为10微秒。转换了的数据可输入到一个中央处理单元（CPU）74中扩展的存储器（图中未示出）内。并使用了直接存储取数（DMA），在那里以最先的数据被冲掉的方式保存24秒内的数据。

每一个相位解调器66还包含了一个比较器（未示出）它响应于积分电路，以产生一个报警输出信号，输入到一个“或”门70，当相位解调器66之一产生一个报警输出信号，或者如果在线路72上得到一个外部触发信号，一个信号将输入到CPU74中。该信号即表示大轴扭转事件或在外部触发信号的情况下按用户的希望记录附加数据，在这两种情况下，16秒的数据，还有常规的8秒数据都记录在存储器式记录器76中。某些显示装置例如屏幕（CRT）78和用户接口诸如键盘80使图2中所示的电路64的介绍完整了。用户将认识到可以有许多其它的用于处理传感器产生的数据的方案，诸如全数字系统。

数据经数字转换器数字化后通过CPU被存储。这样产生了独立的数据组与各自的代表在给定时间中由传感器检测到的大轴各部分的角度位置的数据组。如果没有交流分量，也即传感器产生的信号变化类似图4B所示可以认为没有发生扭转事件。由传感器43-48产生的信号在这样的条件下建立一个基准线，各列叶片的基准线可以通过CPU存储。每列叶片代表该列基准线的存储数据可以从那一列所有后来的信号中减掉，这个减法有效地消除了上面确证的从偏差（1）-（4）来影响结果，也即噪音。通过消除噪音在作付里叶变换或快速付里叶变换之后（可用CPU74执行）得到的信号产生一个有意义的最终范围，从它可以精确地计算出大轴的扭转。因为汽轮发电机中发生的热力和其它的动态变化。希望周期地更新基准线数据。例如可以每十分钟更新一次。

叶片是经过调频的，因此它们不会发生同步振动即使有同步振动也将被上面所讨论的减法所消除。

本发明的另一个优点是找出由上述（5）所确证的叶片的非同步振动引起的问题。设置在叶片列上部的一个传感器每秒产生大约5400脉冲，只有每转只需要10个采样点（每秒170点）就可以在大轴扭转曲分析中确定感兴趣的频率范围。这意味着通过以前叙述的减法校正过的信号，能由CPU74滤除和/或平均以消除由于叶片振动引起较高频率的非同期信号变化而不致影响感兴趣的信息。付里叶变换最终在这样一个信号上进行将进一步地在感兴趣的特定频率上减少任何噪音，因为任何残存的噪音在一定程度上复盖整个频率范围。

除先前叙述的优点外，对于每个传感器都使用相位解调电路66提供了响应于任何一个传感器所感知大轴扭转事件通过相位解调器66中的比较器产生的实际上是报警输出信号而测出数据的可能性。现有的相位解调器电路与一个顺序数字转换器板一起使用，可以做到通过单个CPU同时地读出和记录所有的大轴监测点。这个结果在减少开发费用和降低单位产品的成本方面有重大价值。

相位解调器66的输出信号最低限度可以在每转中采样十个，而每转的一百次零交点必须以一般的数字窗口技术来处理，本发明的技术最大限度地减少了数据处理和存储的要求。扭曲监测器8可以扩展以监测大轴更多的部位，只要对硬件作很小的改进，也即在每个增加部位增加一传感器和相位解调器66。

本发明也是针对监测大轴扭转的一种方法，包括下列步骤：

在动态条件下检测大轴的各个部位的角度位置;产生代表检测角度位置的数据组;存储代表大轴在没有扭转情况的各部位的角度位置数据组之一，从每个其它数据组中减去存储数据组以消除噪音的影响;和分析结果以确定通过大轴测得的扭转。

Claims (6)

1、一种扭转监测器(8)，用以监测汽轮发电机大轴(10)，大轴上装有多列不带复环的低压汽轮机叶片，在大轴各部分装有标记(28，33)；所说的监测器包括：第一组传感器(30，31，35，36)，响应于所说的标记(28，33)，用以在动态条件下检测装有所说的标记(28，33)的大轴的各部分的角度位置，并产生代表所说的检测位置的数据；第二组传感器(43-48)，响应于不带复环的低压汽轮机叶片列，用以检测在动态条件下装有叶与的大轴这部分角度位置，并产生代表检测位置的数据，其特征在于：电路(64)，响应于所说的第二组传感器，用以在不存在扭曲情况下存储代表大轴各个部分的角度位置的数据，并从第二组传感器来的保留数据减去所说的存储数据，以消陈噪音的影响，所说的电路(64)响应于所说的结果和所说的第一组传感器，以确定通过大轴(10)检测的扭曲。

2、根据权利要求1所述的监测器，其特征在于所说的电路（64）包括用于周期地更新所说的存储数据的装置。

3、根据权利要求1或2所述的监测器，其中大轴（10）装有一个盘车齿轮（38），其特征在于所说的第一组传感器（40，41）响应于盘车齿轮（38），用以检测装有齿轮）38）的大轴的那个部分的角度位置。

4、根据权利要求1，2或3所述的监测器，其特征在于所说的电路（64）包括：装置（66），它响应所说的第一组（30，31，35，36）和第二组（43-48）传感器，用以确定大轴扭转情况的发生;以及一个记录器（76），它响应于所说的测定装置（66）用以记录所说数据。

5、根据权利要求1至4的任何一项所述的监测器，其特征在于所述电路（64）包括装置74，用以数字式地滤去由所说的第二组传感器（43-48）所产生的数据，以消陈振动影响。

6、根据权利要求1至4的任何一项所述的监测器，其特征在于所说的电路（64）包括装置（74）用以对所说的第二组传感器（43-48）所产生的数据进行平均，以消陈振动影响。