CN108827567B - 一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置，该叶片振动监测试验装置包括高速电机保护装置、操作平台、叶轮防护罩、传感器支架、激振装置以及应变滑环。采用非接触式叶片振动测量方法，利用叶顶传感器获取叶片的到达时间，通过叶尖定时原理分析叶片的振动信息，不同于以往固定夹角和数量的传感器安装方式，本试验装置传感器的数量及安装角度是连续可调的，安装角度的精度可达0.05°，解决了实际运用中对传感器的数量及分布的限制问题，以及实际运用时个别传感器可能突然失效引起的测量问题，对于高速旋转叶片振动实时监测技术的研究具有重要意义。

Description

一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置

技术领域

本发明涉及高速旋转叶片振动测量以及实时监测技术领域，特别是涉及一种非接触式叶片振动测量以及实时监测试验研究的装置。

背景技术

大型旋转机械主要包括航空发动机、烟气轮机、汽轮机、鼓风机等，是航空、舰船、电力、石化、冶金等工业系统广为应用的关键设备。

叶片作为大型旋转机械的核心部件，是设备安全运行和提高效率的重要保障。叶片的旋转尤为重要，它的健康状况直接决定着机组的高效、安全、稳定运转。由于叶片实际运行状态的复杂性，为了确保叶片工作过程中的安全，必须采用实时监测手段，才能更及时有效地避免叶片故障的发生。因此研究一种实用的叶片振动实时监测方法是非常重要的，使得叶片振动性能测试过程中能辨识出所有叶片振动参数；叶片工作时能在线监测并分析所有叶片的振动状况，提前预警，最大限度地保证旋转设备安全工作。因此，旋转叶片振动在线监测技术对整个国民经济及国防事业的发展都有着重大意义。

目前在叶片振动试验研究方面，国内外的一些公司与研究机构做了较多工作，而且取得了很好的研究效果。最早从上世纪30年代开始，美国WESTHOUSE公司对旋转叶片振动进行了在线测量。方法是将一角锥棱镜固定在叶片顶部附近，通过一束光照射到叶片顶部的角锥棱镜上并由原路返回照射到荧光屏上进行分析观察或照相，从而得到叶片振动信息。1964年左右，出现了频率调制法，该方法是在叶片顶部的端面装进一个直径约几毫米的小磁体，同时在叶片顶端的机匣上安装形如方波的金属线圈，根据电磁感应原理，当叶片在金属线圈下面通过时，线圈周围就会产生电动势，根据调制后电动势信号频率的变化可以获得叶片振动频率、幅值等参数，由于该方法的复杂性、检测叶片数目少，从而限制了该方法的应用，因此实践中没有得到广泛的推广。1965年R.L.Powell和K.A.Stetson将全息干涉测量技术应用于叶片振动测试，该方法由于仅适合在试验室进行，且需要利用其他方法得到叶片的固有频率，只能提供叶片振动频率和幅值信息等缺陷而没有推广使用。20世纪60年代末70年代初期英国的K.W.Kulczyk提出了基于激光多普勒法的叶片振动测量技术，它是根据发生振动的旋转叶片顶部端面反射过来后光束会发生多普勒频移，通过多普勒频移辨识叶片振动的参数。1968年前后，前苏联的科研人员发现了基于间断相位法的非接触式测量方法，该方法能一次测出全部叶片之间的完整应力状况图，为叶片振动监测发展出全新的突破。20世纪90年代，Westinghouse研发出了利用两个探头进行叶片振动测试的方法，它能测量出叶尖的扭转，还能分析出叶片的破坏程度，从而提出维修方法。同时，美国的EPRI Liberty技术中心开发研制出了基于声发射探头的STARS(Steam TurbineAcousticResponse System)非接触测量叶片振动系统，它的基本原理是根据从叶片反射回来的声音信号发生多普勒效应而获取叶片的振动信息，从而对叶片进行实时监测。后来，在间断相位测量技术和脉冲调制技术的基础上发展起来了叶尖定时法，它的原理是在叶片顶部的机壳上安装传感器，可根据叶轮的速率和叶片在叶轮上的位置求得每个叶片经过传感器下方的理论时间，电机实际速率可以通过键相传感器(叶根同步传感器)测得，而当叶片处于振动状态时，叶片经过传感器的时间会超前或者延迟，根据不同传感器的测量原理编写不同的处理算法，通过不同的处理算法对测得的时间序列进行分析处理，即可获得叶片的振动信息。

上述几种叶片振动测量的技术中，传感器的数量以及夹角都是固定的，比如目前研究最热的叶尖定时法，有以下几种测量方式，第一种是运用3-5个传感器等间隔测量，即每隔120°或72°安装一支传感器；第二种是4支传感器以较小角度等间隔安装，最后一种是5+2 法，7支传感器按顺时针夹角分别为48°、72°、72°、48°、24°、72°、 24°安装。这三种安装方式对被测设备的传感器安装装置均有各自的要求。但是在实际应用中对传感器的数量及分布有一定的限制，传感器安装条件很难满足上述某一种安装方式的要求，并且其中个别传感器可能突然失效，对监测的准确性将造成严重影响。因此，开发研究一种传感器数量和角度可连续调节的叶片振动监测装置是很有必要的。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置，该叶片振动监测试验装置包括高速电机保护装置、操作平台、叶轮防护罩、传感器支架、激振装置以及应变滑环。

高速电机固定安装在基座上，高速电机的输出轴与叶轮连接；高速电机保护装置设置在高速电机内部；叶轮的外部设有叶轮防护罩，叶轮防护罩固定在操作平台上；激振装置和传感器支架均安装在叶轮防护罩上，应变滑环安装在叶轮的主轴上。

所述高速电机保护装置利用PT100热电阻温度传感器实时监测叶轮转动时高速电机内部的温度，起到保护高速电机的作用。

所述操作平台用于安装和固定叶轮以及叶轮防护罩，同时，方便传感器的安装与试验操作。

所述叶轮防护罩安装在操作平台上，叶轮防护罩用于安装和固定传感器支架以及激振装置，并对叶轮起到隔离保护作用，防止叶轮在转动时由于断裂等原因飞出，造成人员伤亡或财产损失。

所述传感器支架用于固定和支撑叶顶传感器。所述激振装置安装在叶轮防护罩上，用于向叶片施加激振力，激振装置的安装角度和数量根据试验需求确定。激振装置由空心螺钉和镶嵌在其中的强力磁铁组成。

所述应变滑环用于解决旋转叶片应变测量时应变片导线与信号采集设备连接的问题，将应变片测得的结果与传感器测得的结果进行对比，便于验证测量的准确性。

所述的叶轮防护罩，在叶轮防护罩四周有用于安装传感器支架的凹槽，在其顶部沿周向设置了角度刻度线，用来调节传感器的安装角度。使用时，首先将传感器安装在传感器支架上，然后根据传感器的安装角度将传感器支架通过螺钉安装在叶轮防护罩四周的凹槽中，通过螺钉与叶轮防护罩之间的摩擦力固定传感器支架的位置。不同于以往固定夹角和数量的传感器安装方式，叶轮防护罩可安装的传感器数量与角度是可变的，通过周向移动传感器支架来连续调节传感器的安装角度，安装角度的精度可达0.05°。同时通过增减传感器支架的数量来改变传感器的数量。因此该叶片振动监测试验装置可以满足目前所有叶尖定时测量方式的需求，与其它叶片振动监测试验装置相比，本装置功能更加齐全，一体化集成化程度更高。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：本发明提供了一种传感器角度连续可调的叶片振动监测试验装置，解决了实际运用中对传感器的数量及分布的限制问题，以及实际运用时个别传感器可能突然失效造成的测量问题。

附图说明

图1为试验装置整体平面图。

图2为叶轮防护罩三维模型图。

图3为传感器安装示意图。

图4为传感器安装局部放大图。

图5为本试验装置的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，本发明的内容包含一整叶片振动监测试验装置，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例：

实施例

参见附图1，本发明由高速电机1、操作平台2、叶轮3、键相传感器4、应变滑环5、激振装置6、传感器支架7、叶顶传感器8、叶轮防护罩9、PT100热电阻温度传感器10以及基座11组成。

基座11通过螺栓固定在地面上，高速电机1安装在基座11上，操作平台2通过螺钉固定在高速电机1的顶部端面上，叶轮3安装在高速电机1的主轴上，叶轮防护罩9通过螺钉固定在操作平台2上；键相传感器4通过磁座固定在叶轮3上方，应变滑环5安装在高速电机1的主轴上，位于叶轮3的上方；激振装置6安装在叶轮防护罩9 的顶部，传感器支架7通过螺钉固定在叶轮防护罩9的边缘，叶顶传感器8安装在传感器支架7上的传感器孔中，PT100热电阻温度传感器10安装在高速电机1的下方。

高速电机保护装置是通过PT100热电阻温度传感器10监测高速电机1内部的温度，当高速电机1带动叶轮3转动时，若高速电机1 温升突然增大或超过高速电机1的最高工作温度时，电机保护装置发出报警信号，高速电机1停止工作。

参见附图2，叶轮防护罩9的四周设有安装传感器支架的凹槽；叶轮防护罩9的顶部设有刻度线，刻度线用来确定各传感器之间的夹角，最小刻度为0.5度；顶部均匀分布的十二个螺纹孔用来安装激振装置6，激振装置6的安装个数和夹角不同，叶轮3的振动状态也有所不同。靠近中心的四个小螺纹孔用来固定应变滑环5。

参见附图3，传感器支架7通过螺钉安装在叶轮防护罩9的周围上，利用螺钉头部与叶轮防护罩9顶部端面的摩擦力来固定传感器支架7。叶顶传感器8的探头插在传感器支架7的小孔中，图3中只演示了四个传感器，实际运用时根据监测需求安装相应个数的传感器，并对照刻度线周向移动传感器支架来调整传感器安装角度。

参见附图4，传感器支架7底面与叶轮防护罩9四周的凹槽相贴合，顶部的间隙方便调节安装角度时传感器支架7在凹槽中移动，确定好安装角度后，通过传感器支架7上的定位螺钉来固定传感器支架 7的位置，同时传感器支架7下部传感器孔的位置使得叶顶传感器8 发出的光纤能发射到叶顶的中间位置，保证了测量的可靠性。本发明的这种传感器安装方式不仅方便可靠，同时也提供了一种传感器角度连续可调的测量方式。

参见附图5，高速电机驱动叶轮3转动时，激振装置6向叶轮3 施加激振力，激起叶片的振动，由于叶片的振动，因此每个叶片到达叶顶传感器8的时间会比理论到达时间超前或者延迟，键相传感器4 测得的叶轮3的转速信号与叶顶传感器8测得的叶顶信号经过采集设备采集以及预处理后，传送至计算机进行分析，由于叶轮3的几何特征是已知的，利用键相传感器4测得的叶轮3的转速信号可以计算出每个叶片到达叶顶传感器8的理论时间，用叶顶传感器8测得的叶顶信号可以计算出每个叶片到达叶顶传感器8的实际时间，实际时间与理论时间的差值乘以叶轮的转速即为叶片的振动位移，综合各叶顶信号可以分析出振动的频率及倍频值等振动参数。

同时，本试验装置还设计了叶轮叶片应变测量模块，测量时，应变片粘贴在叶轮叶片的叶根处，应变片的导线通过应变滑环引出，经过数据采集设备输送到计算机，得到叶轮叶片的振动信息，作为检验传感器测量准确性的参考。

以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置，其特征在于：该叶片振动监测试验装置包括高速电机保护装置、操作平台、叶轮防护罩、传感器支架、激振装置以及应变滑环；

高速电机固定安装在基座上，高速电机的输出轴与叶轮连接；高速电机保护装置设置在高速电机内部；叶轮的外部设有叶轮防护罩，叶轮防护罩固定在操作平台上；激振装置和传感器支架均安装在叶轮防护罩上，应变滑环安装在叶轮的主轴上；

所述的叶轮防护罩，在叶轮防护罩四周有用于安装传感器支架的凹槽，在其顶部沿周向设置了角度刻度线，用来调节传感器的安装角度；使用时，首先将传感器安装在传感器支架上，然后根据传感器的安装角度将传感器支架通过螺钉安装在叶轮防护罩四周的凹槽中，通过螺钉与叶轮防护罩之间的摩擦力固定传感器支架的位置；不同于以往固定夹角和数量的传感器安装方式，叶轮防护罩安装的传感器数量与角度是可变的，通过周向移动传感器支架来连续调节传感器的安装角度，安装角度的精度可达0.05°；同时通过增减传感器支架的数量来改变传感器的数量；因此该叶片振动监测试验装置能够满足目前所有叶尖定时测量方式的需求。

2.根据权利要求1所述的一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置，其特征在于：所述传感器支架用于固定和支撑叶顶传感器；所述激振装置安装在叶轮防护罩上，用于向叶片施加激振力，激振装置的安装角度和数量根据试验需求确定；激振装置由空心螺钉和镶嵌在其中的强力磁铁组成。

3.根据权利要求1所述的一种传感器安装角度连续可调的叶片振动监测试验装置，其特征在于：所述应变滑环用于解决旋转叶片应变测量时应变片导线与信号采集设备连接的问题，将应变片测得的结果与传感器测得的结果进行对比，便于验证测量的准确性。

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