CN110307894A - 基于改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法及标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于带冠叶片测振的标定系统，包括电器部分和机械部分，所述的电器部分包括电涡流传感器、信号调理模块、信号采集模块、数据分析模块，所述的机械部分包括带冠叶片安装台、三维位移台，带冠叶片安装台固定于三维位移台上，带冠叶片固定于带冠叶片安装台上，电涡流传感器固定于带冠叶片上方。所述的标定系统还包括固定于所述三维位移台上的标定标志位，所述的标定标志位为金属导体，固定于带冠叶片的前方，其宽度大于带冠叶片宽度，高度根据带冠叶片的高度而定。本发明同时给出基于所述标定系统实现的基于改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法。

Description

基于改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法及标定系统

技术领域

本发明属于电涡流式精密测量技术领域，尤其涉及一种带冠叶片测振方法及标定装置。

背景技术

随着电厂往大功率、智能化、安全可靠的方向发展，汽轮机叶片作为做功核心部件承受的负荷越来越复杂。尤其是在目前的灵活性电力调峰应用中，叶片的工作状态不稳定，如负荷、转速、压力、湿度等，导致叶片故障发生机率增多。因此对汽轮机叶片进行实时振动测量显得尤为重要。

当前，非接触叶片振动测量广泛采用叶尖定时测振技术。典型的叶尖定时测振系统是由叶尖定时传感器(包括多个测振用传感器和1个键相传感器)、信号调理模块、信号采集模块和数据处理模块4部分组成。其基本原理是将测振用传感器的探头安装在汽轮机外缸上，感受汽轮机叶片经过探头的到达时间，将其与无振动状态相比，如果叶片叶尖沿旋转方向(周向)发生振动，则叶片会“提前”或“延迟”到达，通过算法可对到达时间进行数据分析还原出叶片振动参数。

当前叶尖定时测振技术可采用光纤式传感器，电容式传感器，微波式传感器和电涡流式传感器，主要应用于航空发动机、燃气轮机中的自由叶片监测中。光纤式传感器探头体积小，结构比较简单，分辨力与灵敏度较高，频带宽，动态响应好，但其测量结果易受被测叶片反射系数、传感器的安装角度、安装位置以及传感器工作环境的影响；电容式传感器基于平行平板电容原理，通过测量传感器电极与转子叶尖间的电容实现叶尖间隙的测量，通常间隙电容值在1pF以内，因此需要高信噪比的信号处理电路，同时易受传感器工作环境的影响；微波式传感器能够测量非金属叶片，对介质不敏感，具有很好的耐高温性能，但该方法的测量精度随激励频率的提高而提高，同时易受空间滤波效应的影响，电路要求很高，处理算法复杂，成本昂贵。

电涡流式传感器和上述相比，克服了光纤式、电容式和微波式传感器的各种局限，具有结构简单，信噪比高，频率响应快，能在较污染的环境下工作的优点，因此非常适合电厂汽轮机带冠叶片状态监测，具有较高的工程实践价值。

上述的各类方法通常都应用在自由叶片的振动测量中，而对于当前电厂广泛应用的带冠叶片的振动测量，国内外文献还鲜有报道。

叶片沿旋转方向高速旋转时，会受到自身质量产生的离心力、气流的横向气体力和热负荷的作用，其中来自气流的扰动是叶片产生振动的主要原因。带冠叶片由于叶冠的存在，整圈叶片的刚性增强，在叶冠碰撞和滑移的联合作用下，周向振动能量被大量消耗，轴向振动变为主导。经典叶尖定时测振技术只能测量叶片周向方向的振动情况，不适用于以轴向振动为主导的带冠叶片的振动测量，因此如何改进现有技术使其能够测量带冠叶片的轴向振动是本发明的重点。

发明内容

本发明为了克服现有技术在汽轮机带冠叶片振动测量中的不足，提出一种基于改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法及标定装置。技术方案如下：

一种用于带冠叶片测振的标定系统，包括电器部分和机械部分，所述的电器部分包括电涡流传感器、信号调理模块、信号采集模块、数据分析模块，所述电涡流传感器所检测的信号依次经过信号调理模块、信号采集模块被送入数据分析模块，所述的机械部分包括带冠叶片安装台、三维位移台，带冠叶片安装台固定于三维位移台上，通过三维位移台的移动，实现带冠叶片安装台在x轴、y轴、z轴三个方向的移动，根据汽轮机叶片的真实咬合位置，将带冠叶片固定于带冠叶片安装台上，电涡流传感器固定于带冠叶片上方，其特征在于，

所述的标定系统还包括固定于所述三维位移台上的标定标志位，所述的标定标志位为金属导体，固定于带冠叶片的前方，其宽度大于带冠叶片宽度，高度根据带冠叶片的高度而定；

优选地，三维位移台在x轴方向或y轴方向能够实现带冠叶片安装台在x轴方向的匀速运动。

本发明同时提供采用上述标定系统实现的基于改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法，包括下列步骤：

(1)将与带冠叶片尺寸相关的比例因子λ作为被检测量，保持其他因子不变，用于汽轮机带冠叶片的振动测量；

(2)将电涡流传感器安装在正对带冠叶片特征的一侧，调整使其探头端面与带冠叶片端面平行；

(3)带冠叶片高速旋转时，电涡流传感器感应到带冠叶片的面积和形状实时发生变化，电涡流传感器每经过1个带冠叶片会输出1个脉冲信号；

(4)通过经典叶尖定时算法得到带冠叶片的等效周向振动S_c；

(5)通过前期标定得到与带冠叶片尺寸相关的比例因子λ，方法如下：

第1步：将带冠叶片叶冠的左上端点定义为物理原点(0,0,0)；

第2步：通过控制三维位移台以x轴方向匀速运动，并通过信号调理模块、信号采集模块和数据分析模块监测输出电压波形曲线；

第3步：通过y轴方向的调节改变电涡流传感器探头与带冠叶片的相对位置，重复步骤2，得到不同相对位置的输出电压波形曲线；

第4步：将由标定标志位引起的输出电压作为各输出电压波形曲线的起点，将输出电压波形曲线和电涡流传感器探头与带冠叶片的相对位置进行一一对应；

第5步：通过得到的电涡流传感器振动位移标定输出电压波形图，得到相同输出电压即电涡流传感器感应到相同面积时信号到达的不同时间，通过多项式拟合可得到一比例因子λ；

(6)根据公式S_v＝λ×S_c＝λ×v×ΔT计算出轴向振动位移S_v，式中：S_v是轴向振动位移，S_c是等效周向振动位移，v是带冠叶片叶冠旋转时的线速度，ΔT是不同相对位置信号到达时间的时间差。

附图说明

图1为电涡流传感器非接触测量的原理示意图。

图2为改进叶尖定时测振方法的原理示意图。

图3为带冠叶片振动测量工作流程图。

图4为带冠叶片振动位移标定系统结构图。

图5为具体实施例中振动位移标定电压输出波形图。

图6为具体实施例中周向-轴向振动位移对应关系示意图。

附图标记：1-电涡流传感器，2-金属导体，3-带冠叶片，4-无振动状态，5-振动状态，6-T₁时刻电涡流传感器探头位置，7-T’₁时刻电涡流传感器探头位置，8-标定标志位，9-带冠叶片安装台，10-三维位移台，11-电机，12-信号调理模块，13-信号采集模块，14-数据分析模块。

具体实施方式

本发明的改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法基于电涡流测量原理，利用当带冠叶片产生振动时，电涡流传感器感应相同面积的信号到达时间不同来检测带冠叶片的振动，实现对汽轮机带冠叶片的实时振动测量。改进叶尖定时测振技术可以实现对以轴向振动为主导的带冠叶片的振动测量，实现了叶尖定时测振技术在汽轮机带冠叶片振动测量中的应用。

基于上述方法提出了一种带冠叶片振动位移标定系统，通过该标定系统可得到带冠叶片周向-轴向振动位移对应关系，得到典型叶尖定时测振技术和改进叶尖定时测振技术的对应关系，实现对待测带冠叶片叶冠的标定，保证发明方法的可行性，提高汽轮机带冠叶片振动测量的精度。

基于改进叶尖定时原理的带冠叶片振动位移标定系统，包括电涡流传感器、信号调理模块、信号采集模块、数据分析模块，还包括带冠叶片、标定标志位、带冠叶片安装台、三维位移台、电机。所述电涡流传感器通过传感器信号线与信号调理模块相连，所述信号采集模块通过连接线与信号调理模块相连，所述信号采集模块通过连接线与数据分析模块相连；所述带冠叶片与所述标定标志位安装于所述三维位移台上，所述标定标志位位于所述带冠叶片的前方，通过电机控制所述三维位移台的移动，所述电涡流传感器固定于带冠叶片上方。

在电厂现场，汽轮机末级长叶片叶顶直径在4m以上，工作时转速可达3000rpm以上，通过计算可得叶片叶冠处线速度达到628m/s以上。同时叶片叶冠咬合位置长度为0.1m左右，电涡流传感器探头直径为0.03m，叶片叶冠咬合位置长度经过电涡流传感器探头的时间为0.207ms，因此可认为汽轮机叶片在高速旋转时叶片叶冠咬合位置经过电涡流传感器探头时为一水平直线。

带冠叶片以汽轮机叶片真实咬合位置固定放置在带冠叶片安装台上，带冠叶片前方放置一宽度远大于带冠叶片宽度、高度和带冠叶片近似的金属导体作为标定标志位，三维位移台可实现叶片叶冠安装台在x、y、z三个方向的移动，电机可驱动三维位移台的x轴方向实现带冠叶片安装台在x轴方向的匀速运动，电涡流传感器探头以真实工作要求固定在带冠叶片的上方。

本发明所设计的带冠叶片振动位移标定系统的x、y轴可分别模拟带冠叶片的旋转方向和振动方向，z轴可调节电涡流传感器与带冠叶片之间的间隙，因此可满足不同要求的带冠叶片振动位移标定。

本发明的另一个技术方案为基于改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法，具体如下：

(6)根据法拉第电磁感应定律，当给电涡流传感器探头线圈导入一交变电流I，在探头线圈周围会形成一个磁场。如果将金属导体放入这个磁场，金属导体和探头线圈之间形成电涡流效应。电涡流传感器利用探头线圈与金属导体之间的电涡流效应实现非接触测量。探头线圈与金属导体产生的电涡流的磁场方向与线圈自身的磁场方向相反，会改变探头线圈阻抗值Z,阻抗值Z的变化经信号调理后转化为电压V输出。阻抗值Z与金属导体的磁导率μ、电导率δ，交变电流的幅值I、频率f，电涡流传感器探头端面和金属导体之间的距离d，探头尺寸因子K₁和金属导体尺寸因子K₂有关，即阻抗Z可以用函数Z＝F(μ,δ,I,f,d,K₁,K₂)表示。

(7)将金属导体尺寸因子K₂作为被检测量，保持其他6个因子不变，用于汽轮机带冠叶片的振动测量。

(8)将电涡流传感器安装在正对带冠叶片特征的一侧，调整使其探头端面与带冠叶片端面平行。

(9)带冠叶片高速旋转时，电涡流传感器感应到带冠叶片的面积和形状实时发生变化，电涡流传感器每经过1个带冠叶片会输出1个脉冲信号。当产生轴向振动时，与无振动状态相比，感应到相同面积的信号的到达时间将由T₁变为T'₁。设带冠叶片线速度为v，时间变化信号为ΔT，周向方向位移为S_c，轴向方向位移为S_v，周向方向位移S_c计算如下:

ΔT＝T'₁-T₁①

S_c＝v×ΔT②

测量时将电涡流传感器安装在适当位置，使电涡流传感器安装在该位置时，在全部振动偏移范围内，轴向方向位移S_v与周向方向位移S_c成正比或接近正比关系。则轴向方向位移S_v与周向方向位移S_c有如下关系：

S_v＝λ×S_c＝λ×v×ΔT③

其中λ为比例因子，具体数值与带冠叶片特征有关。比例因子λ需根据带冠叶片特征进行前期标定确认。

带冠叶片振动位移标定方法如下：

①将带冠叶片叶冠的左上端点定义为物理原点(0,0,0)。

②通过电机控制三维位移台以x轴方向匀速运动，并通过信号调理模块、信号采集模块和数据分析模块实时监测输出电压波形曲线。

③通过y轴方向的调节改变电涡流传感器探头与带冠叶片叶冠的相对位置，重复步骤2，得到不同相对位置的输出电压波形曲线。

④将标定标志位的输出电压作为各输出电压波形曲线的起点，将输出电压波形曲线和电涡流传感器探头与带冠叶片叶冠的相对位置进行一一对应。

⑤通过得到的电涡流传感器振动位移标定输出电压波形图，可得到相同输出电压即传感器感应到相同面积时信号到达的不同时间，通过多项式拟合可得到比例因子λ。

(5)当带冠叶片产生轴向振动时，电涡流传感器会感应到和无振动相比有区别的感应面积变化，产生周向的时间信号变化ΔT。根据现有的经典叶尖定时算法，包括速矢端迹法、双参数法、自回归法、子空间方法、间断相位法、倍频遍历算法等，可得到等效的周向振动信息，包括振幅A_c、频率f和初相位φ。再根据前期标定中得到的比例因子λ，依据式③将等效周向振动信息转换为轴向振动信息，包括振幅A、频率f和初相位φ。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)通过带冠叶片产生轴向振动时，电涡流传感器感应到的面积变化和无振动状态时感应到的不同，从而产生周向时间信号变化，将较难检测的带冠叶片轴向振动位移等效为周向信号，简化了带冠叶片振动测量的难度。

(2)基于上述方法设计出了一种带冠叶片振动位移标定系统，通过该标定系统可得到带冠叶片周向-轴向振动位移对应关系，得到典型叶尖定时测振技术和改进叶尖定时测振技术的对应关系，实现对待测带冠叶片叶冠的标定，保证发明方法的可行性，提高汽轮机带冠叶片振动测量的精度。

(3)基于上述方法和标定系统可实现在工业现场中对汽轮机带冠叶片振动的非接触在线测量，能精确测量汽轮机带冠叶片的振动情况，满足电厂在汽轮机带冠叶片高速旋转时的实时监测要求，提高电厂工作的安全可靠性。

Claims (3)

1.一种用于带冠叶片测振的标定系统，包括电器部分和机械部分，所述的电器部分包括电涡流传感器、信号调理模块、信号采集模块、数据分析模块，所述电涡流传感器所检测的信号依次经过信号调理模块、信号采集模块被送入数据分析模块，所述的机械部分包括带冠叶片安装台、三维位移台，带冠叶片安装台固定于三维位移台上，通过三维位移台的移动，实现带冠叶片安装台在x轴、y轴、z轴三个方向的移动，根据汽轮机叶片的真实咬合位置，将带冠叶片固定于带冠叶片安装台上，电涡流传感器固定于带冠叶片上方。其特征在于，

所述的标定系统还包括固定于所述三维位移台上的标定标志位，所述的标定标志位为金属导体，固定于带冠叶片的前方，其宽度大于带冠叶片宽度，高度根据带冠叶片的高度而定。

2.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于，三维位移台在x轴方向或y轴方向能够实现带冠叶片安装台在x轴方向的匀速运动。

3.采用权利要求1所述标定系统实现的基于改进叶尖定时原理的带冠叶片测振方法，包括下列步骤：

(1)将与带冠叶片尺寸相关的比例因子λ作为被检测量，保持其他因子不变，用于汽轮机带冠叶片的振动测量；

(2)将电涡流传感器安装在正对带冠叶片特征的一侧，调整使其探头端面与带冠叶片端面平行；

(3)带冠叶片高速旋转时，电涡流传感器感应到带冠叶片的面积和形状实时发生变化，电涡流传感器每经过1个带冠叶片会输出1个脉冲信号；

(4)通过经典叶尖定时算法得到带冠叶片的等效周向振动S_c；

(5)通过前期标定得到与带冠叶片尺寸相关的比例因子λ，方法如下：

第1步：将带冠叶片叶冠的左上端点定义为物理原点(0,0,0)；

第2步：通过控制三维位移台以x轴方向匀速运动，并通过信号调理模块、信号采集模块和数据分析模块监测输出电压波形曲线；

第3步：通过y轴方向的调节改变电涡流传感器探头与带冠叶片的相对位置，重复步骤2，得到不同相对位置的输出电压波形曲线；

第4步：将由标定标志位引起的输出电压作为各输出电压波形曲线的起点，将输出电压波形曲线和电涡流传感器探头与带冠叶片的相对位置进行一一对应；

第5步：通过得到的电涡流传感器振动位移标定输出电压波形图，得到相同输出电压即电涡流传感器感应到相同面积时信号到达的不同时间，通过多项式拟合可得到一比例因子λ；

(6)根据公式S_v＝λ×S_c＝λ×v×ΔT计算出轴向振动位移S_v，式中：S_v是轴向振动位移，S_c是等效周向振动位移，v是带冠叶片叶冠旋转时的线速度，ΔT是不同相对位置信号到达时间的时间差。