CN113309710B - 一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水轮机及水泵的水下模态测量。该测试方法需要完整的测试对象和设备来实现，以水泵为例，包括叶片、带穿线孔的中空泵轴、滑环、水下微型加速度传感器、直流稳压电源、调理及采集设备。所述金属叶片表面按模态分析要求的分辨率布置微型水下加速度传感器，各传感器信号线汇集为总线，沿叶片型线走线至中空泵轴。信号线在穿线孔处由单分子有机硅胶密封，信号总线从轴内部走线，经由滑环将信号传出。电源模块沿信号总线逆向从外至内供电。在保证多个传感器时间对齐的情况下，亦可舍弃滑环采用无线加速度传感器。除此以外，预留冷端参考信号线，对测量信号进行包含冷端参考的降噪处理，该方法可以直接测量在旋转坐标系下叶轮的水下模态。

Description

一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于旋转流体机械模态测试技术领域，具体涉及一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置及测量方法。

背景技术

现有技术中，水力叶轮机械进行的模态测量按响应部件的状况区分主要有两种：（1）静模态，包括空气模态和水下模态，在叶轮不旋转的情况下测量多点振动信号进行模态分析；（2）在静止参考系观察旋转叶轮的模态。静模态测试技术较为成熟，模态测量较为准确。但对于旋转机械，叶轮加载发生变化，静模态测试不能满足机组实际运行的要求。对于旋转叶轮，现有技术中通常通过在静止参考系布置振动传感器测量模态，但该方法由于机组静止部件的遮挡，无法布置较多测点，且实际测点位置随转动发生变化，无法持续获得同一点的振动信息，因此参考价值有限。因此根据现有测试方法的局限性，需要提供一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置及测量方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于提供一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置及测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明的在叶片表面布置微型加速度传感器，测量旋转参考系下叶轮的振动响应信号，获取转轮水下的旋转模态，同时保证足够的测点信息。

本发明的一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置，包括金属叶片（1）、金属填充剂（2）、加速度传感器（3）、加速度传感器（3）、信号总线（5）、中空泵轴（7）、滑环、冷端信号线（16）、电源模块（17）和调理及采集设备（18）；

所述加速度传感器（3）固定至金属叶片（1）表面；

所述中空泵轴7上设置有穿线孔，所述信号总线（5）沿金属叶片（1）表面走线至穿线孔，并在穿线孔内填充硅胶密封（6）；

所述金属填充剂（2）沿加速度传感器（3）、信号线（4）和信号总线（5）的周围从加速度传感器（3）铺至硅胶密封（6）处。

优选地，所述穿线孔直径与中空泵轴（7）的直径比值小于1:300。

优选地，所述金属填充剂（2）的铺设面积与金属叶片（1）面积的比值小于1:100，铺设最高高度与叶轮流道宽度比值小于1:100。

优选地，所述信号总线（5）包含信号线（4）与供电线，其中排线顺序为：供电线正极-信号线-供电线负极，在各分线之间的空隙填充硅胶，在电源模块（17）断路情况下，所述供电线正极、供电线负极与金属叶片（1）表面的优选地，所述冷端信号线（16）在信号总线（5）内预留相应导线，在任一加速度传感器（3）的信号线（4）周围紧密排列，延伸至金属填充剂（2）内，与加速度传感器（3）的外壳短接。

本发明还公开一种旋转叶轮机械水下模态的测量方法，其采用本发明的旋转叶轮机械水下模态的测量装置，其中，测量信号的处理方法包括如下步骤：

a.对振动信号及冷端参考信号进行100倍转频以上的低通滤波；

b.对振动信号及冷端参考信号去直流；

c.降噪后信号=振动信号-冷端参考信号×增益系数，其中增益系数值为0.8~1.1；

d.冷端参考信号的增益系数的计算方法为：增益系数=振动信号高于激振频率范围的RMS值/冷端参考信号高于激振频率范围的RMS值。

本发明还公开另一种旋转叶轮机械水下模态的测量方法，其采用本发明的旋转叶轮机械水下模态的测量装置，其中，测量信号的处理方法包括如下步骤：

a.对振动信号及冷端参考信号进行100倍转频以上的低通滤波；

b.对振动信号及冷端参考信号去直流；

c.降噪后信号=振动信号-冷端参考信号×增益系数，其中增益系数值为0.8~1.1；

d.冷端参考信号的增益系数的计算方法为：截取未激振期间的振动信号，设定增益系数为自变量，求取标准差σ（|振动信号的OA值-冷端参考信号×增益系数后的OA值|）为极小值时的增益系数。

本发明的有益效果在于：

（1）通过引入水下微型加速度传感器及合理的信号通道与线路布置，拓展了运行模态分析的应用对象，实现旋转叶轮的水下模态分析；

（2）由于信号经过了滑环动静环及碳刷，引入了通道噪声，因此采用冷端参考的信号前处理方法，降低通道噪声对运行模态分析（OMA）方法带来的误差和传感器自身旋转对模态结果带来的误差；

（3）本发明获得的振动信号，都将运用成熟的运行模态分析软件进行处理，获得的运行模态可用于预测水力机组运行应避免的转速区间，识别容易产生强烈振动的水力工况。

附图说明

图1为本发明叶片表面的水下加速度传感器的安装方法。

图2为本发明传感器总体布置方案与信号走线示意图。

图3为本发明中空泵轴内走线示意图。

图中附图标记为：

1 金属叶片，2金属填充剂，3水下微型加速度传感器，4传感器信号线，5叶片表面信号总线，6单分子有机硅胶密封，7中空泵轴，8滑环动环，9滑环碳刷，10滑环静环，11泵轴内信号总线，12滑环外信号总线，13直流供电线正极，14直流供电线负极，15输出信号线，16冷端信号线，17电源模块，18调理及采集设备，19网线，20电脑，21传动键，22传动法兰。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明的一项宽泛实施例中，一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置，主要包括金属叶片1、金属填充剂2、加速度传感器3、信号总线5、中空泵轴7、滑环、冷端信号线16、电源模块17以及调理和采集设备18；所述加速度传感器3固定至金属叶片1表面；所述中空泵轴7上设置有穿线孔，所述信号总线5沿金属叶片1表面走线至穿线孔，并在穿线孔内填充硅胶密封6。所述金属填充剂2沿加速度传感器3、信号线4和信号总线5的周围从加速度传感器3铺至硅胶密封6处。

所述信号总线5包含信号线4与供电线，其中排线顺序为：供电线正极-信号线-供电线负极，在各分线之间的空隙填充硅胶，在电源模块17断路情况下，所述供电线正极、供电线负极与金属叶片1表面的绝缘电阻大于1MΩ。

所述冷端信号线16在信号总线5内预留相应导线，在任一加速度传感器3的信号线4周围紧密排列，延伸至金属填充剂2内，与加速度传感器3的外壳短接。

根据本发明的一个具体实施例，以水泵为例，包括金属叶片1、中空泵轴7、滑环、加速度传感器3、直流稳压电源17、调理及采集设备18。

在其叶轮部分中，在金属叶片1表面布置加速度传感器3，采用环氧树脂胶接至叶片表面，所述加速度传感器3为水下微型加速度传感器。

所述中空泵轴7上设置有穿线孔，所述信号线4沿叶片型线接入泵轴穿线孔。加速度传感器3、信号线4、信号总线5周围使用金属填充剂2铺平。信号线4在穿线孔处由硅胶密封6，所述硅胶采用单分子有机硅胶。

所述滑环包括滑环动环8、滑环碳刷9和滑环静环10。信号总线5从轴内部走线至滑环动环8，经由滑环碳刷9传递至滑环静环10，实现动静部件之间的信号传递和传感器供电，避免了直接接线的缠绕问题和无线传输信号采集频率较低、供电困难的问题。加速度传感器3通过电源模块17由外自内供电，振动信号通过滑环由内自外传递至调理及采集设备18。调理及采集设备18最后一个通道为预留冷端信号线16，对测量振动信号进行包含冷端参考的降噪处理，此后再进行运行模态分析，可以直接测量在旋转坐标系下叶轮的水下模态。

所述穿线孔直径与中空泵轴7的直径比值小于1:300。

所述金属填充剂2的铺设面积与金属叶片1面积的比值小于1:100，铺设最高高度与叶轮流道宽度比值小于1:100。

所述冷端参考的降噪处理，具体方法为：降噪信号=测量振动信号-冷端参考信号×增益系数（0.8~1.1），运算之前所有信号应首先进行100倍机组转频的低通滤波及去直流。

如图1所示，金属叶片1表面使用环氧树脂胶粘贴固定有加速度传感器3，所述加速度传感器3为三向传感器，同时产生三路信号，分别表示X、Y、Z方向的振动加速度值。在加速度传感器3外围、加速度传感器3与信号线4接口处、信号线4及信号总线5周围使用金属填充剂填充，尽可能减少加速度传感器3及导线对流场形态的影响，降低测量部分和金属叶片的粗糙度差异。此处的加速度传感器3不建议采用沟槽嵌入或机械连接，避免沟槽对金属叶片1的模态特性产生影响。

如图2所示，根据叶片轮廓，在表面均匀布置4行3列共计12个如图1所述的加速度传感器3，该布置方式可以测量至叶片的2阶弯曲模态及扭转模态。该部分加速度传感器3不可无限度增加，应保证金属填充剂铺设总面积小于叶片面积的1%。

如图3所示，信号总线5在金属叶片1表面走至中空泵轴7末端预留穿线孔处，穿入轴内，穿线孔周围填充单分子有机硅胶进行密封。信号总线5在轴内沿轴向走至靠近动力侧，静止部件遮挡较少的区域，从预留孔穿出，接入滑环动环8。滑环动环8将信号经由滑环碳刷9传至滑环静环10，由滑环静环10连出信号总线5。由于旋转过程中振动强烈，穿线孔及滑环附近的信号总线5周围在安装前后均应填充缓冲材料并套热缩管，保护信号线外皮不被磨损。

如图2所示，信号总线5从滑环静环10接出，在分线后接入电源模块17和调理及采集设备18。此处可采用固定良好的接线端子，端子应预留地线通道，接入建筑物内公共地。当现场存在较大水库时，可直接接入与水连接的金属钢结构。冷端信号的末端（测量端）应短接，可将信号与地直接连接，亦可将信号与传感器金属外壳连接。电源模块17采用直流化学电池供电，不采用使用交流电供电的电源模块。

冷端信号为参考的通道噪声，限于安装位置，针对不同的传感器，冷端信号应进行不同的增益处理（0.8~1.1倍）后相减。相减后的振动信号，采用常规运行模态分析方法进行处理即可。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种旋转叶轮机械水下模态的测量装置，其特征在于，包括金属叶片（1）、金属填充剂（2）、加速度传感器（3）、信号线（4）、信号总线（5）、中空泵轴（7）、滑环、冷端信号线（16）、电源模块（17）和调理及采集设备（18）；

所述加速度传感器（3）固定在金属叶片（1）表面；

所述中空泵轴7上设置有穿线孔，所述信号总线（5）沿金属叶片（1）表面走线至穿线孔，并在穿线孔内填充硅胶密封（6），所述信号线（4）沿叶片型线接入穿线孔；

所述金属填充剂（2）沿加速度传感器（3）、信号线（4）和信号总线（5）的周围从加速度传感器（3）铺至硅胶密封（6）处；

所述滑环包括滑环动环（8）、滑环碳刷（9）和滑环静环（10）；信号总线（5）从轴内部走线至滑环动环（8），经由滑环碳刷（9）传递至滑环静环（10），实现动静部件之间的信号传递和传感器供电；

所述信号总线（5）包含信号线（4）与供电线，其中排线顺序为：供电线正极-信号线-供电线负极，在各分线之间的空隙填充硅胶，在电源模块（17）断路情况下，所述供电线正极、供电线负极与金属叶片（1）表面的绝缘电阻大于1MΩ；

所述冷端信号线（16）在信号总线（5）内预留相应导线，在任一加速度传感器（3）的信号线（4）周围紧密排列，延伸至金属填充剂（2）内，与加速度传感器（3）的外壳短接；

加速度传感器（3）通过电源模块（17）由外自内供电，振动信号通过滑环由内自外传递至调理及采集设备（18），调理及采集设备（18）最后一个通道为预留冷端信号线（16），对测量振动信号进行包含冷端参考的降噪处理，此后再进行运行模态分析，可以直接测量在旋转坐标系下叶轮的水下模态；

测量信号的处理方法包括如下步骤：

a.对振动信号及冷端参考信号进行100倍转频以上的低通滤波；

b.对振动信号及冷端参考信号去直流；

c.降噪后信号=振动信号-冷端参考信号×增益系数，其中增益系数的值为0.8~1.1；

d.冷端参考信号的增益系数的计算方法为：截取未激振期间的振动信号，设定增益系数为自变量，求取标准差σ为极小值时的增益系数，其中σ=|振动信号的OA值-冷端参考信号×增益系数后的OA值|。

2.根据权利要求1所述的旋转叶轮机械水下模态的测量装置，其特征在于，所述穿线孔直径与中空泵轴（7）的直径比值小于1:300。

3.根据权利要求1所述的旋转叶轮机械水下模态的测量装置，其特征在于，所述金属填充剂（2）的铺设面积与金属叶片（1）面积的比值小于1:100，铺设最高高度与叶轮流道宽度比值小于1:100。

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