CN1938570A - 用于确定涡轮的旋转叶轮的振动的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的方法和所属装置利用叶轮(22)工作，在该叶轮的至少一个位置上设置光量子发射物质(28)，辐射源(30)，其对旋转的叶轮(22)和设置在叶轮上的物质(28)进行辐射，传感器(38)，用于获得该物质(28)发射的光量子，分析电路(46)，用于分析传感器(38)的信号以确定叶轮(22)的振动特性。

Description

用于确定涡轮的旋转叶轮的振动的方法和装置
背景技术
在燃气轮机的情况下加大了在局部累积了高温时也要可靠测量的难度。出于这个原因，感应测量方法和为此所需的铁磁测标由于超过居里温度而只能有条件地使用。
US 5761956公开了一种用于确定燃气轮机的旋转叶轮的振动的光学测量方法，其中检测从敷设的陶瓷测标向叶轮基体发射的不同红外线热辐射。但该测量方法由于红外线热辐射所需要的高温度要在燃气轮机运行一定时间之后才能使用。在燃气轮机启动过程中无法监控振动特性，这对燃气轮机的运行可靠性来说是不利的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供用于确定涡轮的旋转叶轮上的振动的方法和装置，该方法能在涡轮几乎所有的运行状态下以高度的测量可靠性和高度的测量精度确定叶轮的振动特性。
按照本发明该技术问题是通过用于确定涡轮的旋转叶轮上的振动的方法和装置解决的，其中在叶轮上的至少一个位置设置通过外来激励而发射光量子的物质，利用辐射源向旋转叶轮和设置在叶轮上的物质进行辐射以形成其外来激励，设置用于确定该物质发射的光量子的传感器，利用该传感器的分析电路分析该信号，以确定叶轮的振动特性。
根据本发明，为了确定涡轮叶轮的振动而利用发射光量子的物理效应。在发射光量子的物质中的光量子发射是发生在该物质的原子或分子内的一个三阶段过程的结果。在第一阶段，该物质的原子或分子通过吸收来自外部辐射源如紫外线光源或激光器的辐射量子(尤其是光子)而进入更高能量的状态。在第二阶段通过原子或分子的运动和相互碰撞激励不同的能量水平，由此激励能量稍稍降低。接着在第三阶段各个原子或分子恢复到基本状态，其中原子或分子发射一个更大波长的光子，从而在入射光和发射光之间产生频移。
作为辐射源按照本发明例如采用长波的紫外线灯，其发射出短波光(λ＝350nm)。作为发射光量子的物质例如采用荧光颗粒，其吸收短波光而发射具有更大波长的光，该波长根据不同的物质特性一般在500到600nm之间。可以给荧光颗粒例如混合陶瓷粘合剂或火焰喷射剂，其然后以测标的形式敷设在叶轮上。
利用本发明的无接触测量方法，尤其是能可靠和准确地测量用围绕叶轮的、基本上闭合的轮箍结构结合的涡轮叶片上的振动。该测量方法尤其是适用于较高的使用温度，并因此既可用于燃气轮机又可用于蒸汽轮机。本发明的振动监控适用于各种涡轮的所有运行状态。
如上所述，如果要测量的叶轮的叶片通过基本上闭合的轮箍结构相互连接，则本发明的方法和所属装置非常有利。本发明的由发射光量子的物质构成的测标则优选地例如以条纹状敷设在轮箍结构上，并且可以作为由一薄层发射光量子的物质组成的特定条纹用作确定由该物质发射的光量子的传感器的测标。在这种尤其是光学的接收传感器中，将获得的光量子转换为电信号，该光信号被传递给分析计算器作进一步处理和分析。然后可以识别叶轮上的振动，其方法是例如对每一个测标设置特定的期待接收时间与实际接收时间之比。如果所获得的测标的接收时间比期待的接收时间早或晚，则说明叶轮上有振动，也就是轮箍结构由于该振动而稍稍偏离其正常位置。
这种测量和本发明的措施可以相同方式用于确定叶轮的至少一个涡轮叶片的振动特性。本发明所述的测标在这种情况下优选设置在各个围绕叶轮的涡轮叶片上。
作为通过外来激励发射光量子的物质，按照本发明优选将荧光物质、磷光物质、辐射发光物质、热发光物质、摩擦发光物质和/或光致发光物质敷设在叶轮上。换句话说，按照本发明优选可以应用由于外部激励而从一种物质发射光量子或射线量子的各种物理过程。
为了使本发明的传感器像期望那样基本上只确定由该物质发射的光量子，可以在该传感器前设置光学滤波器，其频谱窗与发射的光量子的波长匹配。通过这种方式可以将来自以温度为条件的红外线背景辐射的传感器信号与来自被金属表面完全反射的光的传感器信号从光学上区分开来。
本发明的发射光量子的物质的有用信号具有比较小的光强度。然而为了唯一识别该信号，可以借助放大电路、尤其是借助光电二极管或光电倍增器来处理该信号以进一步利用。
附图说明
下面借助附图详细解释本发明的用于确定涡轮的旋转叶轮上的振动的方法和装置的实施例。
图1示出具有本发明用于确定旋转叶轮上的振动的装置的涡轮实施例的纵截面，
图2示出本发明用于确定图1涡轮的旋转叶轮上的振动的装置的第一实施例的示意视图，
图3示出本发明的用于确定图1涡轮的旋转叶轮上的振动的装置的第二实施例的示意图。
具体实施方式
在图1中简化地示出构造为燃气轮机的涡轮10，其主要元件包括定子和外壳12以及设置在外壳中的转子14。
涡轮10主要分为三段：压缩段16、燃烧段18和驱动段20。在压缩段16和驱动段20中，分别在涡轮10的转子14上设置了多个、在轴向上连续排列的叶轮22。
图2和图3分别简化地示出这种叶轮22的片段。
图2所示的叶轮22包括多个涡轮叶片24，图2分段地示出了其中的两个。
在图3所示的叶轮中，涡轮叶片24的径向朝外的端区域通过以涡轮叶片24的整体盖片形式的所谓轮箍结构26相互连接。
为了在涡轮10上在驱动段20主要为高温时也能以高精度和高可靠度确定涡轮中的旋转叶轮22的振动特性，在涡轮10上设置多个用于确定该振动的装置，其中第一实施例在图2中示出，第二实施例在图3中示出。
本发明用于确定各所属叶轮22的振动特性的装置基于荧光、磷光、辐射发光、热发光、摩擦发光和/或光致发光的原理。该装置分别包括一种发射光量子物质的条纹28，该条纹在图2所示的实施例中以规则的间隔分别设置在各涡轮叶片24的径向朝外的端部区域上，而在图3所示的实施例中这些条纹28设置在轮箍结构26上。这种发射光量子物质的条纹28例如用陶瓷粘合剂敷设在涡轮叶片24或轮箍结构26上。
与条纹28相对设置的是辐射源30，该辐射源包括光学系统32、光导体34和射线产生器36。由射线产生器36产生的射线如紫外线具有大约350nm的波长，其通过光导体34引向光学系统32，并由光学系统32对准入射到包围叶轮22的条纹28上。
除了光学系统32之外还设置了传感器38，其主要元件包括光学滤波器40、接收模块42、电导体44、放大器46和分析电路48。
基于辐射源30产生并射出的紫外线，条纹状物质28例如按照荧光的原理发射更大波长的光，该波长根据物质的不同材料特性而在500到600nm之间。当一个条纹28恰好在光学滤波器40前面经过时，所发射的光就可以穿过光学滤波器40。理想情况下辐射源30或其光学系统32以及传感器38或其滤波器40在空间上直接相邻或位于同一个区域。荧光实际上发生在激励后的一个比较短的时间范围内。更长的时间范围可以用磷光的原理实现，从而发射器和接收器也可以在空间上相互远离。
所发射的光到达接收模块42，在该接收模块中光被转换为电信号，然后通过电导体44到达放大器46，最后到达分析电路48。在分析电路48中对接收的信号进行分析，以进一步处理该信号和分析围绕叶片的叶轮22的振动特性。

Claims (14)

1.一种用于确定涡轮(10)的旋转叶轮(22)上的振动的方法，具有步骤：
在叶轮(22)上的至少一个位置设置通过外来激励而发射光量子的物质(28)，
利用辐射源(30)向旋转叶轮(22)和设置在该叶轮上的物质(28)进行辐射，
借助传感器(38)来确定该物质(28)发射的光量子，并分析该传感器(38)的信号以确定叶轮(22)的振动特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括步骤：
将所述发射光量子的物质(28)设置在至少一个围绕叶轮(22)的、基本上闭合的轮箍结构(26)上，
分析传感器(38)的信号以确定该轮箍结构(26)的振动特性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括步骤：
将发射光量子的物质(28)设置在至少一个围绕叶轮(22)的涡轮叶片(24)上，以及
分析所述传感器(38)的信号以确定至少一个涡轮叶片(24)的振动特性。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将所述发射光量子的物质(28)以条纹状敷设在叶轮(22)、轮箍结构(26)以及至少一个涡轮叶片(24)上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，作为发射光量子的物质(28)，将荧光物质、磷光物质、辐射发光物质、热发光物质、摩擦发光物质和/或光致发光物质敷设在叶轮(22)上，并且采用相应敏感的传感器(38)以确定所发射的光量子。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述叶轮(22)和传感器(28)之间设置光学滤波器(40)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，对所述传感器(38)的信号在对其分析之前尤其是借助至少一个光电二极管或光电倍增器放大。
8.一种用于确定涡轮(10)的旋转叶轮(22)上的振动的装置，其在叶轮上具有至少一个位置来设置通过外来激励而发射光量子的物质(28)，
还具有辐射源(30)，其为了形成外来激励而向旋转叶轮(22)和该设置在叶轮上的物质(28)进行辐射，
传感器(38)，用于确定该物质(28)受外来激励而发射的光量子，
分析电路(48)，用于分析传感器(38)的信号并确定叶轮(22)的振动特性。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述发射光量子的物质(28)设置在围绕叶轮(22)的、基本上闭合的轮箍结构(26)上，
可以分析传感器(38)的信号以确定轮箍结构(26)的振动特性。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，
所述发射光量子的物质(28)设置在至少一个围绕叶轮(22)的涡轮叶片(24)上，
可以分析传感器(38)的信号以确定该至少一个涡轮叶片(24)的振动特性。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述发射光量子的物质(28)以条纹状敷设在所述叶轮(22)、轮箍结构(26)以及至少一个涡轮叶片(24)上。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述发射光量子的物质(28)是荧光物质、磷光物质、辐射发光物质、热发光物质、摩擦发光物质和/或光致发光物质，并且所述用于确定所发射的光量子的传感器(38)是相应敏感的传感器。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的装置，其特征在于，在所述叶轮(22)和传感器(28)之间设置光学滤波器(40)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的装置，其特征在于，设置了放大电路(46)，用于将所述传感器(38)的信号在其分析之前进行放大，该放大电路尤其是以光电二极管或光电倍增器的形式。
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