CN116380476A - 一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，包括：信号采集步骤，实时采集燃气轮机运行阶段的振动加速度信号及转速信号；特定频率幅值提取步骤，对采集到的振动加速度信号进行功率谱分析，实时跟踪燃汽轮机的转速，根据燃气轮机的机组信息计算得到当前转速下的转频、转频的分频及倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频，通过特定区域内的峰值搜索得到各个阶次频率的幅值；时间域阶次谱绘制步骤，统计一段时间内各阶次频率的幅值绘制得到时间域阶次图谱。可以将燃气轮工作转速下的各阶次频率的幅值进行实时统计，为燃气轮机转子不对中、转子不平衡、叶片碰磨等状态异常现象提供判断依据。

Description

一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法

技术领域

本发明属于燃气轮机振动监测技术领域，尤其涉及一种燃气轮机时间域阶次谱图表达方法。

背景技术

燃气轮机作为旋转机械，以其功率密度大、启动速度快等优势被广泛应用在航空、航海、发电等领域，但是，由于运行环境恶劣、组成结构复杂等原因，使得燃气轮机易发生故障，因此对燃气轮机的运行状态进行状态监测及异常检测就显得尤为重要。加速度振动信号因其频响范围宽、灵敏度高等优势被越来越多的应用在燃气轮机状态监测场景，通过对振动加速度信号的频率信息进行提取可以进一步分析得到燃气轮机的振动机理及异常原因。

然而，当前的燃气轮机振动加速度信号频域分析方法主要以频谱分析、转速谱分析、阶次谱分析等为主，其中阶次谱分析一方面只对燃气轮机转子的转频、倍频及分频进行监测，对于动叶频率及其倍频等高阶频率不作监测，另一方面阶次谱分析只对当前采样点进行分析，没有考虑到燃气轮机一段运行时间内的阶次幅值分布情况。

发明内容

针对上述问题，本申请实施例提供了一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，与现有技术相比，本发明在燃气轮机的平稳及非平稳工况均可适用，可以将燃气轮机运行状态下的各阶次频率的幅值进行实时统计，绘制一段时间内的时间域阶次谱图，可以有效地对燃气轮机转子及叶片的健康状态进行监测。

本申请实施例提供的一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，包括：信号采集步骤，实时采集燃气轮机运行阶段的振动加速度信号及转速信号；特定频率幅值提取步骤，对采集到的振动加速度信号进行功率谱分析，实时跟踪燃汽轮机的转速，根据燃气轮机的机组信息计算得到当前转速下的转频、转频的分频及倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频，通过特定区域内的峰值搜索得到各个阶次频率的幅值；时间域阶次谱绘制步骤，统计一段时间内各阶次频率的幅值绘制得到时间域阶次图谱。

在其中一些实施例中，信号采集步骤进一步包括：振动加速度传感器可布置在燃气轮机的机匣上的多个位置，如压气机机匣处水平方向、垂直方向，涡轮机匣处水平方向、垂直方向。

在其中一些实施例中，对振动加速度信号采集硬件设备具有以下要求：若采样率为102.4Ks/S/通道，由于采样频率不得超过采样率的一半，则采样频率最高可设置为51.2KHz，又由于在一般实际应用中应保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍，取3倍的情况下，可观测到的信号的最高频率约为17KHz。

在其中一些实施例中，功率谱分析步骤进一步包括：采用汉宁窗函数减少频谱能量泄露，指定频谱以幅度为单位，指定功率为线性单位。

在其中一些实施例中，燃气轮机的机组信息具体包括：燃气轮机的工作转速、压气机及涡轮叶片级数、压气机及涡轮各级叶片数。

在其中一些实施例中，燃气轮机当前转速下转频、分频及倍频的频率幅值搜索步骤进一步包括：跟踪燃气轮机的实时转速，通过转速计算得到燃气轮机当前的转频、分频及倍频，通过转速动态设置用于峰值搜索范围的起始值与截止值(以Hz为单位)，并搜索其范围内的峰值，计算得到转频及倍频能量值，转频及其倍频搜索的起始值与截至值计算表达式如下：

F_start＝N/60*n-N/N_w*n

F_stop＝N/60*n+N/N_w*n

式中，N为燃气轮机当前转速，N_w为燃气轮机的工作转速，单位均为r/min，n为转频的阶次。

分频搜索的起始值与截至值计算表达式如下：

F_{f_start}＝N/60*a-arcsin(N/N_w)

F_{f_stop}＝N/60*a+arcsin(N/N_w)

式中，N为燃气轮机当前转速，N_w为燃气轮机的工作转速，单位均为r/min，a为分频的阶次。

在一些实施例中，燃气轮机当前转速下压气机、涡轮各级叶片通过频率及其倍频的频率幅值搜索步骤进一步包括：跟踪燃气轮机的实时转速，通过转速以及各级压气机、涡轮转子叶片数等信息计算得到燃气轮机压气机、涡轮各级有叶片通过频率及其倍频，通过转速动态设置用于峰值搜索范围的起始值与截止值(以Hz为单位)，并搜索其范围内的峰值，计算得到燃气轮机压气机、涡轮各级叶片通过频率及其倍频能量值，各级有叶片通过频率及其倍频的起始值与截至值计算表达式如下：

F_{c_start}＝N/60*b-N/60*c

F_{c_stop}＝N/60*b+N/60*c

式中，N为燃气轮机当前转速，单位均为r/min，b为某一级压气机或涡轮的转子叶片数，c为压气机、涡轮各级叶片通过频率的阶次。

在其中一些实施例中，对所监测到的振动加速度信号的最高频率应满足如下要求：

f_max≥max{b₁,b₂,…,b_m}*N/60*c

式中，N为燃气轮机当前转速，单位均为r/min，m为压气机、涡轮各级叶片数的不同取值，b为某一级压气机或涡轮的转子叶片数，c为压气机、涡轮各级叶片通过频率的阶次。

在其中一些实施例中，时间域阶次谱表达方法进一步包括：以转频的分频、转频及其倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频的顺序作为x轴，各阶次频率的幅值为y轴，统计一段时间内的各阶次频率的幅值绘制燃气轮机时间域阶次谱图。

与现有技术相比，本发明适用于发电用燃气轮机，可以将燃气轮工作转速下的各阶次频率的幅值进行实时统计，绘制一段时间内的时间域阶次谱图，为燃气轮机转子不对中、转子不平衡、叶片碰磨等状态异常现象提供判断依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明时间域阶次谱表达方法的流程图；

图2为某型燃气轮机压气机机匣水平测点原始振动加速度信号频谱分析；

图3为某型燃气轮机分频峰值搜索；

图4为某型燃气轮机转频及其倍频峰值搜索；

图5为某型燃气轮机压气机一级至五级叶片通过频率峰值搜索；

图6为某型燃气轮机涡轮一级至四级峰值搜索；

图7为某型燃气轮机时间域阶次谱表达图；

图8为某型燃气轮机时间域阶次谱表达图(转频及其分频倍频)；

图9为某型燃气轮机时间域阶次谱表达图(压气机各级叶片通过频率及其倍频)；

图10为某型燃气轮机时间域阶次谱表达图(涡轮各级叶片通过频率及其倍频)。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以下，结合附图详细介绍本发明的实施例：

图1为本发明时间域阶次谱表达方法的流程图，请参见图1，本发明一种发电用燃气轮机时间域阶次谱表达方法包括如下步骤：

S1：实时采集燃气轮机运行阶段的振动加速度信号及转速信号。

在具体实施中，通过计算机的采集卡与安装在发电用燃气轮机上加速度传感器连接，实时采集燃气轮机振动加速度信号。

S2：对采集到的振动加速度信号进行功率谱分析，结合燃气轮机的实时转速及机组相关信息对功率谱分析的结果进行特定频率幅值的提取。

在具体实施例中，燃气轮机的机组信息具体包括：燃气轮机的工作转速、压气机及涡轮叶片级数、压气机及涡轮各级叶片数。

在具体实施例中，特定频率包含：转频的分频、转频及其倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频。

S3：统计一段时间内的所有特定频率幅值绘制时间域阶次谱图。

在具体实施例中以转频的分频、转频及其倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频的顺序作为x轴，各阶次频率的幅值为y轴，统计一段时间内的各阶次频率的幅值绘制燃气轮机时间域阶次谱图，时间长度T可自由设置。

本申请提供一具体实施例1进行进一步说明：

1.如图2所示，根据采样频率等信息对采集到的振动加速度信号进行频谱分析，采样频率为51.2KHz，测点位置为压气机机匣水平测点。

2.结合燃气轮机的实时转速及机组相关信息对功率谱分析的结果进行特定频率幅值的提取，特定频率分别为：转频的分频、转频及其倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频。其中图3为某型燃气轮机分频峰值搜索示意图；图4为某型燃气轮机转频及其倍频峰值搜索示意图；图5为某型燃气轮机压气机一级至五级叶片通过频率峰值搜索示意图；图6为某型燃气轮机涡轮一级至四级峰值搜索示意图；

3.统计一段时间内的所有特定频率幅值绘制时间域阶次谱图。以转频的分频、转频及其倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频的顺序作为x轴，各阶次频率的幅值为y轴，统计一个小时内的各阶次频率的幅值绘制燃气轮机时间域阶次谱图，如图7所示。

横坐标对应的各个特定频率如下表所示。

表1燃气轮机时间域阶次谱图横坐标说明

为了能够更直观的查看一段时间内的各阶次频率变化情况，将图7进行了拆解，如图8-图10所示。

需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，其特征在于，包括：

信号采集步骤，实时采集燃气轮机运行阶段的振动加速度信号及转速信号；

特定频率幅值提取步骤，对采集到的振动加速度信号进行功率谱分析，实时跟踪燃气轮机的转速，根据燃气轮机的机组信息计算得到当前转速下的转频、转频的分频及倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频，通过特定范围内的峰值搜索得到各个阶次频率的幅值；

时间域阶次谱绘制步骤，统计一段时间内各阶次频率的幅值绘制得到时间域阶次图谱。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，其特征在于，所述功率谱分析步骤进一步包括：

采用汉宁窗函数减少频谱能量泄露，指定频谱以幅度为单位，指定功率为线性单位。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，其特征在于，所述燃气轮机的机组信息具体包括：

燃气轮机的工作转速、压气机及涡轮叶片级数、压气机及涡轮各级叶片数。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，其特征在于，所述燃气轮机当前转速下转频、分频及倍频的频率幅值搜索步骤进一步包括：

跟踪燃气轮机的实时转速，通过转速计算得到燃气轮机当前的转频、分频及倍频，通过转速动态设置用于峰值搜索范围的起始值与截止值(以Hz为单位)，并搜索其范围内的峰值，计算得到转频及倍频能量值，转频及其倍频搜索的起始值与截至值计算表达式如下：

F_start＝N/60*n-N/N_w*n

F_stop＝N/60*n+N/N_w*n

式中，N为燃气轮机当前转速，N_w为燃气轮机的工作转速，单位均为r/min，n为转频的阶次。

分频搜索的起始值与截至值计算表达式如下：

F_{f_start}＝N/60*a-arcsin(N/N_w)

F_{f_stop}＝N/60*a+arcsin(N/N_w)

式中，N为燃气轮机当前转速，N_w为燃气轮机的工作转速，单位均为r/min，a为分频的阶次。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，其特征在于，所述燃气轮机当前转速下压气机、涡轮各级叶片通过频率及其倍频的频率幅值搜索步骤进一步包括：

跟踪燃气轮机的实时转速，通过转速以及各级压气机、涡轮转子叶片数等信息计算得到燃气轮机压气机、涡轮各级有叶片通过频率及其倍频，通过转速动态设置用于峰值搜索范围的起始值与截止值(以Hz为单位)，并搜索其范围内的峰值，计算得到燃气轮机压气机、涡轮各级叶片通过频率及其倍频能量值，各级有叶片通过频率及其倍频的起始值与截至值计算表达式如下：

F_{c_start}＝N/60*b-N/60*c

F_{c_stop}＝N/60*b+N/60*c

式中，N为燃气轮机当前转速，单位均为r/min，b为某一级压气机或涡轮的转子叶片数，c为压气机、涡轮各级叶片通过频率的阶次，d为修正系数。

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机时间域阶次谱表达方法，其特征在于，所述时间域阶次谱表达方法进一步包括：

以转频的分频、转频及其倍频、压气机各级叶片通过频率及其倍频、涡轮各级叶片通过频率及其倍频的顺序作为x轴，各阶次频率的幅值为y轴，统计一段时间内的各阶次频率的幅值绘制燃气轮机时间域阶次谱图。

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