CN112945389B - 一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于涡轮机部件温度测量领域，并具体公开了一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统及方法，包括套管和红外探头，其中：所述套管内开设有台阶状收缩内孔，该台阶状收缩内孔包括多个不同直径的同心圆形内孔，多个圆形内孔从套管一侧端面到套管内部按孔径逐渐减小的顺序排列，且圆形内孔端面设置有锐角倒角；所述套管下端开设有导流缝，该导流缝与圆形内孔上的倒角连接；所述红外探头安装在台阶状收缩内孔的最内侧，并与套管固定连接，该红外探头用于对涡轮机末级动叶片温度进行测量。本发明可避免涡轮机内气态蒸气或液滴对红外镜头的污染和腐蚀，实现在转子转动和湿蒸汽条件下对末级动叶片表面温度的非接触测量，提高了测量精度。

Description

一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统及方法

技术领域

本发明涡轮机部件温度测量领域，更具体地，涉及一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统及方法。

背景技术

汽轮机是在高温高压蒸汽冲动下高速旋转的转动设备，其工作介质是水蒸气，在主机发电负荷较低或汽轮机进汽量较少的工况下，汽轮机转子上的叶片高速旋转搅动周围气体，将使得大量的机械能通过鼓风效应转换为热能加热汽缸气体及金属部件，叶片、汽缸等金属部件温度将急剧升高，这一效应和叶片长度和转速呈正相关。现在国内主流机组末级动叶片的长度可以达到1.2m甚至更长，在上述工况下鼓风加热现象极为突出，较短的时间即可将叶片温度加热至几百度。长叶片的升温一方面会导致叶片强度下降、叶片长度增加(热胀冷缩)甚至永久变形，从而增大了机组发生故障的风险，所以对旋转叶片进行温度监测具有很强的必要性。另外，大型机组气缸都采取了较好的保温措施，使机组停机冷却过程比较耗时，为使机组快速降温减少不必要的维修停机时间以提高经济性，一些机组采用了通入一定温度的气体快速强制冷却缸内部件的方法，在此过程中也需要监测仍然处于旋转状态的叶片和转子体的温度，使其按照一定的速率冷却防止冷冲击导致热应力过大。最后，对于采用其它介质的涡轮机而言，也存在对干湿两相环境下(末级更为突出)旋转的部件(包括转子和叶片)进行温度监测的问题。

对缸内部件温度的探测传统是通过在气缸内埋设接触式温度探头实现的，这种方式只能获得气缸自身的温度。考虑到高速蒸汽冲刷、强振动、旋转、高温以及信号的引出难度等因素，在转子叶片上布设能长期使用探头进行接触式温度监测在技术上存在较大难度，因此目前对旋转的转子、叶片等部件则只能通过汽缸或者缸内蒸汽的探头温度结合经验公式估算，存在一定的误差和滞后性。采用红外方式进行转子或叶片温度探测可较好解决上述困难，具有一定的可行性。

对干、湿蒸汽环境下转动叶片进行红外温度探测至少需要考虑三个方面的问题，一个是蒸汽环境对探头上光学镜头本身的长短期影响，第二个是蒸汽性质(包括干湿以及湿蒸汽液滴的大小)和状态对红外探测数据的影响，第三个是被测对象的测量面特性与旋转的影响，具体来说：

1.涡轮机气态蒸气凝结于光学镜头表面或者蒸汽液滴飞溅到镜头表面，长时间积累下来会污染和腐蚀镜头，给温度测量带来误差，因此需要采取一定技术措施对光学镜头进行保护。

2.干湿蒸汽环境下，叶片等转动体的红外辐射能首先能尽量低损耗的通过蒸汽环境到达红外探头；同时，在前述工况下，蒸汽自身的温度有可能高于或者低于叶片等转动体，需要确保探头感知到的辐射能主要成分来自于叶片等被测转动体的温度。

3.由于叶片是整圈不连续的，因此进入探头的红外辐射能除了来自转动的叶片以外，叶片后侧的部件也可能通过叶片之间间隙漏入红外辐射能，从而对探头测温产生影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统及方法，其目的在于，通过在套筒开设多层台阶状渐缩同心环内孔及半开缝隙，可阻挡进入套管的液滴向内飞溅污染探头的镜头表面，并可对液流进行收集和排出，从而避免了涡轮机内水蒸气对红外镜头的污染和腐蚀，实现在转子转动和湿蒸汽条件下对末级动叶片表面温度的非接触测量，提高了测量精度。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，包括套管和红外探头，其中：

所述套管内开设有台阶状收缩内孔，该台阶状收缩内孔包括多个不同直径的同心圆形内孔，该多个圆形内孔从套管一侧端面到套管内部按孔径逐渐减小的顺序排列，且所述圆形内孔端面设置有锐角倒角；所述套管下端开设有导流缝，该导流缝与所述圆形内孔上的倒角连接；所述红外探头安装在所述台阶状收缩内孔的最内侧，并与所述套管固定连接，该红外探头用于对涡轮机末级动叶片温度进行测量。

作为进一步优选的，所述圆形内孔上倒角的角度为55°～90°。

作为进一步优选的，所述套管壁上开设有多个通气孔，该通气孔入口与压力气源连接，出口设置在直径最小的圆形内孔上；通气孔用于引入空气以冷却所述红外探头，并在红外探头附近形成对蒸气及液滴的隔离空间。

作为进一步优选的，所述导流缝宽度为2.5mm～5mm。

作为进一步优选的，所述红外探头测量的红外波段为8μm～12μm。

作为进一步优选的，所述红外探头通过螺纹与所述套管固定连接。

按照本发明的另一方面，提供了一种涡轮机末级动叶片温度的测量方法，其采用上述涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统实现，包括如下步骤：

S1、对末级动叶片的围带进行判断：当末级动叶片存在围带且围带宽度不小于8mm时，将套管安装在末级动叶片上端的缸壁上，使红外探头以垂直角度正对围带；否则，转入步骤S2；

S2、对末级动叶片前方空间进行判断：当末级动叶片前方有合适空间时，将套管安装在次末级动叶片与末级动叶片中间的缸壁上，并尽可能使红外探头以垂直角度正对末级动叶片；否则，将套管安装在末级动叶片的后侧缸壁上，并尽可能使红外探头以垂直角度正对末级动叶片；

S3、通过套管内红外探头对涡轮机末级动叶片温度进行测量。

作为进一步优选的，所述套管轴向与缸内气流方向的夹角为30°～180°。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的套管结构可将红外温度探头以特定的方式固定在涡轮机缸壁上并对其进行支撑、保护和冷却；套筒具体采用了多层台阶状同心环的内孔结构，且在每层内孔端面上设置有倒角，该结构可利于阻挡进入套管的液滴向内进一步飞溅污染探头端部的镜头表面，并可对液流进行收集；同时套管结构的半开缝隙可以快速将液流排出，避免液体过多聚积，从而避免涡轮机内液态水对红外镜头的污染和腐蚀，实现在转子转动和湿蒸汽条件下对末级动叶片的叶顶目标区域的温度进行长期在线非接触测量，且提高了温度测量精度，增加监控人员对涡轮机运行时汽缸内部情况的了解。

2.本发明在圆形内孔端面上设置了倒角，这个角度越小对液滴二次溅射的阻碍效果越好，但夹角过小则会大大提高加工工艺要求，也不利于液流排出，该角度可用范围为55°～90°。

3.本发明在套管壁内布置了与压力气源连接的细小通气孔，可引入清洁空气用于冷却探头并排入汽缸内，导入的空气在探头附近可形成一定速度、一定大小的气流区域，进一步避免蒸气及更细小的液滴等接触探头端部的镜头。

4.本发明采用红外探头测量的红外波段为8μm～12μm，主要是考虑到测温仪的检测波段是否与叶片测量的主要辐射能所处波段匹配，以及是否会受到涡轮机内部水蒸气及其他气体的辐射能干扰；具体来说，末级动叶片的温度一般在500摄氏度以下，这样的温度范围内叶片大部分的辐射能量将集中在波长较长的红外波段，且总辐射能也较低，因此基于比色测温原理的测温探头不适用于本发明。考虑到涡轮机缸内可能存在氮气、氧气、水蒸气、有机工质蒸汽以及广泛的介质液滴等，这些气体和液体均在8μm～12μm的红外波段内都呈现低吸收性，具有一定的窗口特性，因此本发明主要采用上述波段内的红外测温探头。

5.本发明套管安装于气缸壁后，套管轴向与缸内气流方向的夹角a为30°～180°，尽量避免小的角度安装，过小的a角下湿蒸汽会直接冲击或二次溅射到探头的镜头表面，从而使同心环状台阶保护结构失效且造成红外探头受到蒸汽或液滴污染。

附图说明

图1是本发明实施例管套安装在末级动叶片前方位置以测量末级动叶片顶部区域的示意图；

图2是本发明实施例管套安装在末级动叶片围带外侧位置以测量末级动叶片围带的示意图；

图3是本发明实施例管套安装在末级动叶片后方位置以测量末级动叶片顶部区域的示意图；

图4是本发明实施例红外探头接收红外辐射能视野的示意图；

图5是本发明实施例保护套管的正视图；

图6是本发明实施例保护套管的剖视图；

图7是本发明实施例保护套管安装方位与湿蒸汽流动方向示意图；

图8是本发明实施例台阶状收缩内孔结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-缸壁，2-套管，3-围带结构，4-末级动叶片，5-次末级动叶片，7-台阶状收缩内孔，8-通气孔，9-导流缝，10-螺纹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，其在湿蒸汽环境下工作，具体包括套管、红外探头和信号处理模块，其中，如图5和图6所示，所述套管内开设有孔径渐缩的台阶状收缩内孔7，该台阶状收缩内孔7包括多个不同直径的同心圆形内孔，该多个圆形内孔按从套管一侧端面到套管内部孔径逐渐减小的顺序排列；且所述圆形内孔端面设置有锐角倒角，如图8所示，即较大孔径圆形内孔与较小孔径圆形内孔的接触一侧，较大孔径圆形内孔两端设置倒角，该倒角为锐角，其与角度b互补；所述套管下端开设有导流缝9，该导流缝9与所述圆形内孔上的倒角连通；

所述红外探头安装在所述台阶状收缩内孔7的最内侧，并通过螺纹10与所述套管固定连接，该红外探头用于对涡轮机末级动叶片温度进行初步测量；所述信号处理模块与所述红外探头相连，用于对红外探头初步测量的温度数据进行处理，得到涡轮机末级动叶片温度。

具体的，台阶状收缩内孔7主要是利用多个台阶状渐缩的内孔形成的一定角度b的端面，该端面可避免探头套管外侧进入的液滴通过二次溅射接触探头内镜头表面，给镜头造成污染或损伤。如果探头内为直通或锥形，则容易发生高速液滴通过内孔侧壁的二次溅射仍然接触镜头，因此设置台阶状收缩内孔端面予以阻挡。由于设置了大于90°的角度b(夹角b最优范围为90°～125°，角度越大对液滴溅射的阻碍效果越好，b夹角过大则提高了加工工艺要求，同时不利于液流排出)，二次溅射会使液滴向外溅射到探头内孔的侧壁上，而不是向内溅射；多层台阶状收缩内孔可有效分离不同速度和方向的液滴，并收集液流及时导入导流缝9排出探头外。

进一步的，所述套管壁上开设有多个通气孔8，该通气孔与压力气源连接，以引入较低温度的清洁空气用于冷却红外探头并排入汽缸内，通气孔8出口开设于红外探头镜头附近的套管内孔最底侧端部。由于通气孔8在螺纹10附近，因此紧邻探头，因而可以间接冷却探头，通气孔出口位于探头镜头附近，因而可在镜头附近形成洁净隔离环境，也对含湿蒸汽的侵入有一定阻碍作用。

进一步的，所述导流缝9宽度为2.5mm～5mm，过小的缝隙宽度不利于液滴排出反而会妨碍其排出，过宽则妨碍液体的聚积效应。

进一步的，所述红外探头测量的红外波段为8μm～12μm。

采用上述非接触式测量系统在转子转动和湿蒸汽条件下，对涡轮机末级动叶片温度进行测量，将安装有红外探头的套管固定于气缸内离被测区域一定距离L(依据探头的工作性能而定，与视野锥形区域有关)，确保红外辐射能视野良好，符合红外探头的最佳使用范围。

考虑到工作范围在8μm～12μm红外波段内的探头其测温响应时间一般在20ms及以上，若以一般发电用的大型汽轮机为例，其转子转速为3000转/分钟，则其每转一圈仅需时20ms，因此探头在此响应时间内接收的将不是某个叶片的红外辐射能，其显示的也不是某个叶片的温度值而应是整圈的辐射能，显示的温度也将整圈的辐射能累积值折算的温度。故在选定系统安装与测量位置时，应以叶片顶端围带附近宽大平整区域作为被测表面为宜，首选在此处表面的正上方；在测量时应确保探头正对叶栅面，且尽量让叶栅面完全遮盖后方的视野，达到避免其他部件漏入红外辐射能的目的。若此处探头及套管结构存在安装布置的空间困难，也可以选择叶片顶部的围带作为测量表面，并减小探头与围带的距离较好。如果叶片顶部的围带过于狭窄，在探头视野范围内填充度不高，则应放弃此位置而仍然选择叶栅面，或者次末级等其它叶栅附近位置。据此，本发明根据叶片是否存在围带和探头与末级动叶片的位置关系，对套管及探头的布置方式进行了设置，具体来说：

(1)如图1所示，当叶片不存在围带结构3或者围带宽度小于8mm，且次末级动叶片5与末级动叶片4之间长度存在较大差异，可将探头放置于末级动叶片4的前侧，即安装在次末级动叶片5与末级动叶片4中间的缸壁1上，在缸壁1上开一通孔安装套管2，并使得探头尽量以垂直角度正对叶片；

(2)如图2所示，当叶片围带结构3的围带宽度不小于8mm时，可在汽轮机的末级动叶片4的顶部缸壁1上开一孔，使红外探头以垂直角度正对围带；

(3)如图3所示，当叶片不存在合适围带结构3或围带宽度小于8mm，且末级动叶片前方空间不适合布置套管和探头结构时，可在汽轮机的末级动叶片4的后侧缸壁1上开一斜孔，但应尽量使蒸汽来流方向与套管的夹角a处于合适范围避免液滴直接溅入探头，同时探测区域表面正对探头为宜。

需要指出，从减小对缸内流场扰动，减轻对汽轮机工作发电效率影响及测温系统运行可靠性角度，围带表面上方布置是最优位置；从测温准确性角度，叶片叶型表面前方或后方是最优位置；从可利用的布置空间大，方便调整角度，叶片叶型表面后方是最优位置。

进一步的，如图4所示，红外探头测温时，视野与被测区域距离的变化情况，应尽量确保被测区域处于视野范围内，且红外探头轴线方向与叶片表面的夹角θ为65°～135°，且越接近90度越好，角度越偏离90度则测量误差越大，具体与表面发射率和发射角的关系有关。

进一步的，如图7所示，套管安装于气缸壁后，套管轴向与缸内气流方向的夹角a应处于30°～180°之间，尽量避免小的角度安装，过小的a角下湿蒸汽会直接冲击或二次溅射到探头的镜头表面，从而使同心环状台阶保护结构失效且造成红外探头受到蒸汽或液滴污染。

探头进行测量后，依据探头与叶片被测区域的特点对温度测量数据进行校准和修正。具体的，在三种布置方式中，探头测量得到的数据通过耐温电缆传输给信号处理模块。一般来说，针对具体某型涡轮机的应用，首先按照下面优先顺序选择探头安装位置：

1)若围带宽度大于等于8mm，则围带正上方位置最优；

2)若1)位置不允许，则选择末级的两个静叶之间，探头尽量顺气流方向，以避免对流场造成影响；

3)若2)位置仍不允许，则只能选择末级动叶后侧，此时探头方向与气流夹角不能避免对冲，但是应尽量减小对冲角。

探头安装大致位置选定后，再微调探头具体位置，使得探测距离尽量小，被测区域与探头的等效夹角尽量接近90度，被测区域在探头视野的填充度尽量高。

由于此时大多数红外温度测量的影响因素(如探测距离、被测区域表面状况、被测区域与探头的等效夹角(被测区域可能为曲面)、被测区域在探头视野的填充度)不再改变，因此再最后进行标定，对湿度情况(可根据涡轮机工况估算)，蒸汽液滴粒径范围等因素做出修正关系式，前期试验研究表明这两个因素对温度测量值影响较小，若实施有困难，则可不考虑这两个因素的变化，只做少数标定试验获得修正系数即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，其特征在于，包括套管和红外探头，其中：

所述套管内开设有台阶状收缩内孔，该台阶状收缩内孔包括多个不同直径的同心圆形内孔，该多个不同直径的同心圆形内孔从套管一侧端面到套管内部按孔径逐渐减小的顺序排列，且所述圆形内孔端面设置有锐角倒角；所述套管下端开设有导流缝，该导流缝与所述圆形内孔上的倒角连接；所述红外探头安装在所述台阶状收缩内孔的最内侧，并与所述套管固定连接，该红外探头用于对涡轮机末级动叶片温度进行测量。

2.如权利要求1所述的涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，其特征在于，所述圆形内孔上倒角的角度为55°~90°。

3.如权利要求1所述的涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，其特征在于，所述套管壁上开设有多个通气孔，该通气孔入口与外界气源连接，出口设置在直径最小的圆形内孔上；通气孔用于引入空气以冷却所述红外探头，并在红外探头附近形成对蒸气及液滴的隔离空间。

4.如权利要求1所述的涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，其特征在于，所述导流缝宽度为2.5mm~5mm。

5.如权利要求1所述的涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，其特征在于，所述红外探头测量的红外波段为8μm~12μm。

6.如权利要求1-5任一项所述的涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统，其特征在于，所述红外探头通过螺纹与所述套管固定连接。

7.一种涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量方法，采用如权利要求1-6任一项所述的涡轮机末级动叶片温度的非接触式测量系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对末级动叶片的围带进行判断：当末级动叶片存在围带且围带宽度不小于8mm时，将套管安装在末级动叶片上端的缸壁上，使红外探头以垂直角度正对围带；否则，转入步骤S2；

S2、对末级动叶片前方空间进行判断：当末级动叶片前方有合适空间时，将套管安装在次末级动叶片与末级动叶片中间的缸壁上，并尽可能使红外探头以垂直角度正对末级动叶片；否则，将套管安装在末级动叶片的后侧缸壁上，并尽可能使红外探头以垂直角度正对末级动叶片；

S3、通过套管内红外探头对涡轮机末级动叶片温度进行测量。

8.如权利要求7所述的涡轮机末级动叶片温度非接触式测量方法，其特征在于，所述套管轴向与缸内气流方向的夹角为30°~180°。