CN211777611U - 测量带冠叶片同步振动及节径的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于汽轮机叶片振动测量领域，为获取同步振动节径的详细信息,本实用新型采取的技术方案是，测量带冠叶片同步振动及节径的装置，将叶尖定时传感器的探头安装在机匣上，叶尖定时传感器由一根的发射光纤和周围的6根接收光纤组成，用来测量叶片到达传感器的时间；当汽轮机带冠叶片发生同步振动时，叶片尖端每次通过传感器时都会具有相同的位移，故此时可以通过最小二乘拟合法来识别带冠叶片的同步振动。本实用新型主要应用于汽轮机叶片振动测量场合。
Description
技术领域
本实用新型属于汽轮机叶片振动测量领域，特别是关于一种测量带冠叶片同步振动及节径的方法。
背景技术
随着电厂向大功率、智能化运行方向发展，由于柔性运行带来的运行条件不稳定，汽轮机带冠叶片特别是汽轮机的末级带冠叶片振动或故障发生的频率越来越高等问题的出现，使得汽轮机带冠叶片动态特性的准确获取以保证汽轮机的安全运行变得至关重要。
与汽轮机自由叶片不同的是，汽轮机带冠叶片的转子是叶片盘的典型结构，它引入叶冠支索增加刚度，并提供叶片间耦合，如图1所示。带冠叶片的叶片盘为一种周期结构，其模态具有节点直径，其振动方向为轴向。所以叶片盘内旋转方向的振动位移是由带冠叶片的轴向振动而产生的，因此想要直接测得其轴向振动具有一定的难度。
叶尖定时(BTT)技术已广泛应用于燃气轮机的自由叶片振动测量，其原理是将典型的叶尖定时传感器的探头(由一根的发射光纤和周围的6根接收光纤组成)安装在机匣上，用来测量叶片到达传感器的时间。相对于叶片无振动的状态下，当汽轮机叶片发生旋转方向的振动时，各个叶片通过传感器探头的时间较早或较晚。通过对这些叶片到达传感器的时间进行进一步处理，可以得到所有自由叶片在旋转方向上的振动。
然而，叶尖定时(BTT)技术很少用于汽轮机带冠叶片，因为传统的叶尖定时技术是通过测量叶片达到传感器的时间来测得叶片在旋转方向上振动，而带冠叶片的叶冠支索结构不能满足其测量的基本条件。虽然HOOD公司设计了一种用于检测带冠叶片侧边到达时间的光纤端部定时传感器，但是由于传感器需要插入转子的流道中才能进行叶片测振，因此不安全故很少使用。
因此本实用新型提出了一种根据汽轮机带冠叶片的特点而改进的叶尖定时(BTT)技术，能够应用在汽轮机带冠叶片的同步振动测量上。
发明内容
为克服现有技术的不足，本实用新型旨在：
(1)针对因汽轮机带冠叶片的叶片盘内没有产生旋转方向的振动而使典型的叶尖定时 (BTT)技术难以运用到带冠叶片上的缺陷，本实用新型提供了一种改进的叶尖定时(BTT) 技术，可以通过检测由带冠叶片的轴向振动引起的周向位移来得到叶片的轴向振动位移。
(2)针对因典型的叶尖定时(BTT)技术难以运用到带冠叶片上而无法识别带冠叶片的同步振动事件的缺陷，基于(1)所提出的的为带叶冠叶片而改进的叶尖定时(BTT)技术，本实用新型提出了一种用最小二乘拟合法来识别带冠叶片同步振动及其振幅与频率的方法。
(3)基于(2)所述的所有的汽轮机带冠叶片的同步振动振幅得到识别，本实用新型提出了一种谱峰搜索方法，用于获取同步振动节径的详细信息。
为此，本实用新型采取的技术方案是，测量带冠叶片同步振动及节径的装置，将叶尖定时传感器的探头安装在机匣上，叶尖定时传感器由一根的发射光纤和周围的6根接收光纤组成，用来测量叶片到达传感器的时间；当汽轮机带冠叶片发生同步振动时，叶片尖端每次通过传感器时都会具有相同的位移，故此时可以通过最小二乘拟合法来识别带冠叶片的同步振动；
测量叶片到达传感器的时间中数据采样率设为叶片总数Nb，然后确保所有叶片的振幅按顺序排列；
执行叶片总数Nb个点的傅里叶变换FFT运算，搜索傅里叶变换FFT频谱中的峰值，当节径为k时，峰值位于频率为2kHz的位置，将振幅随叶片编号变化的关系曲线利用极坐标图展示分析，最终得到带冠叶片同步振动的节径的详细信息。
本实用新型的特点及有益效果是：
(1)克服因汽轮机带冠叶片的叶片盘内没有产生旋转方向的振动而使典型的叶尖定时 (BTT)技术难以运用到带冠叶片上的缺陷，利用叶冠结构的互锁特性，本实用新型提供了一种改进的叶尖定时(BTT)技术，可以通过检测由带冠叶片的轴向振动引起的周向位移来得到叶片的轴向振动位移。
(2)克服因典型的叶尖定时(BTT)技术难以运用到带冠叶片上而无法识别带冠叶片的同步振动事件的缺陷，基于(1)所提出的为带叶冠叶片而改进的叶尖定时(BTT)技术，提出了一种用最小二乘拟合法来识别带冠叶片同步振动的方法，可以准确地识别带冠叶片的同步振动事件及其振幅与频率。
(3)基于(2)所述的所有的汽轮机带冠叶片的同步振动振幅得到识别，提出了一种谱峰搜索方法，可以准确的获取带冠叶片同步振动节径的信息。
附图说明：
图1示出汽轮机叶冠互锁结构的示意图。
图2示出本实用新型的四支叶尖定时传感器得到的叶片旋转方向的位移示意图。
图3示出本实用新型的使用最小二乘拟合法得出的叶尖定时(BTT)数据拟合曲线示意图。
图4示出本实用新型的EO＝4时归一化振幅与归一化频率随叶片编号变化的示意图。其中EO为振动倍频数。
图5示出本实用新型的EO＝5时归一化振幅与归一化频率随叶片编号变化的示意图。其中EO为振动倍频数。
图6示出本实用新型的EO＝4时第一次实验的归一化振幅随叶片编号变化的示意图。其中EO为振动倍频数。
图7示出本实用新型的EO＝5时第一次实验的归一化振幅随叶片编号变化的示意图。其中EO为振动倍频数。
图8示出本实用新型的EO＝4时第二次实验的归一化振幅随叶片编号变化的示意图。其中EO为振动倍频数。
图9示出本实用新型的EO＝5时第二次实验的归一化振幅随叶片编号变化的示意图。其中EO为振动倍频数。
图10示出本实用新型的所有叶片振幅的傅里叶变换(FFT)频谱图示意图。其中ND为节径。
图11示出本实用新型的EO＝4时所有叶片的振幅极坐标示意图。其中EO为振动倍频数。
图12示出本实用新型的EO＝5时所有叶片的振幅极坐标示意图。
图13带冠叶片转子实示意图。
图14传感器安装结构示意图
其中，图中1和2为光纤式叶尖定时传感器，3为叶尖定时测振后续处理系统。
图15传感器安装结构局部示意图。
其中，图中1和2为光纤式叶尖定时传感器，3为叶尖定时测振后续处理系统。
具体实施方式
为克服现有技术的前述不足，本实用新型主要解决的技术问题是：(1)针对因汽轮机带冠叶片的叶片盘内没有产生旋转方向的振动而使典型的叶尖定时(BTT)技术难以运用到带冠叶片上的缺陷，利用叶冠结构的互锁特性，本实用新型提供了一种改进的叶尖定时(BTT)技术，可以通过检测由带冠叶片的轴向振动引起的周向位移来得到叶片的轴向振动位移。(2) 针对因典型的叶尖定时(BTT)技术难以运用到带冠叶片上而无法识别带冠叶片的同步振动事件的缺陷，基于(1)所提出的为带叶冠叶片而改进的叶尖定时(BTT)技术，本实用新型提出了一种用最小二乘拟合法来识别带冠叶片同步振动及其振幅与频率的方法。(3)基于(2) 所述的所有的汽轮机带冠叶片的同步振动振幅得到识别，本实用新型提出了一种谱峰搜索方法，用于获取同步振动节径的详细信息。
为达到上述目标，本实用新型采取的技术方案是，一种测量带冠叶片同步振动及节径的方法，包括下列步骤：
第一步是提出了一种运用到带冠叶片上的改进的叶尖定时(BTT)技术。
进一步的，叶冠的互锁结构如图1所示，设B点与C点之间的边缘近似直线，BC线与叶片旋转方向之间的夹角为α。假设测点在B点和C点之间的感测区，当带冠叶片在轴向振动时会产生周向位移，用典型叶尖定时(BTT)技术可以测得所有叶片的周向位移。
进一步的，带冠叶片在轴向振动时，由点A到点C的实际振动偏转将导致测量点从点A 变为点B，故带冠叶片的轴向振动的实际振动幅度(Aactual)和由典型叶尖定时(BTT)技术测量到的振动幅度(ABTT)结果之间的关系描述为：
Aactual＝ABTT×tan(α) (1)
由上所述的，通过(1)式，可通过在B点和C点之间的感测区上由典型叶尖定时(BTT) 技术测量到的振动幅度(ABTT)求出带冠叶片的轴向实际振动幅度(Aactual)。
第二步是基于(1)所提出的为带叶冠叶片而改进的叶尖定时(BTT)技术，提出了一种用最小二乘拟合法来识别带冠叶片同步振动事件及其振幅与频率的方法。
当汽轮机带冠叶片发生同步振动时，叶片尖端每次通过传感器时都会具有相同的位移，故此时可以通过最小二乘拟合法来识别带冠叶片的同步振动。
进一步的，假设振动位移测量传感器i沿旋转方向与参考传感器之间的夹角为αi，则振动位移可表示为：
yi＝Asin(Neαi+φ)+C (4)
其中A为振动幅值,φ为振动相位，Ne为振动倍频数(EO)，i为传感器编号，C为由离心力、扭转、轴扭等引起的叶片偏转常量。所述的振动位移yi重新组合成向量Y，则参数 A、φ、C满足以下方程：
Y＝BX (5)
其中，
Y＝(y0 y1 y2 … yn-1)T (6)
进一步的，最小二乘拟合法中参数向量Xfit可由下式表示：
Xfit＝(BTB)-1BTY (9)
其残差Efit可表示为：
Efit＝BXfit-Y (10)
其中Efit＝(e0 e1 e2 … en-1)T，其均方根Efit(σ)可由下式表示为：
进一步的，所述的σ作为一个置信系数，当σ取得最小值时，Ne取得最优值。所以，当得到发动机系数Ne的最优整数值时，也即振动频率为旋转频率的整数倍时，汽轮机带冠叶片发生了具有节径的同步振动事件。同时，叶片同步振动振幅与频率等其他参数即可通过上述最小二乘拟合法求得。
由上所述的，用最小二乘拟合法就能将带冠叶片同步振动事件及其振幅与频率识别出来。
第三步，基于第二步所述的提出了一种用于获取同步振动节径的详细信息的谱峰搜索方法。
进一步的，将改进的叶尖定时(BTT)技术中数据采样率设为叶片总数(Nb)，然后确保所有叶片的振幅按顺序排列。
进一步的，执行叶片总数(Nb)个点的傅里叶变换(FFT)运算，搜索傅里叶变换(FFT) 频谱中的峰值。当节径为k时，峰值位于频率为2kHz的位置，将振幅随叶片编号变化的关系曲线利用极坐标图展示分析，最终得到带冠叶片同步振动的节径的详细信息。
下面结合附图和实例对本实用新型做进一步说明。
在高速动平衡试验室使用4支带平面凸透镜的准直聚焦型叶尖定时传感器对某汽轮机末级带冠叶片进行了同步振动实验。实验中控制转速由3300rpm均匀降至2000rpm，在氮气激励系统的作用下，当叶片固有频率与转速成整数倍关系时，叶片将发生同步振动。
第一步，利用为带冠叶片而改进的叶尖定时(BTT)技术，来识别由带冠叶片的轴向振动引起的周向位移来得到叶片的轴向振动位移。
进一步的，由图2可知，当归一化速度为0.978左右时，0号传感器至3号传感器都检测到了22号叶片的旋转方向上位移的变化。
进一步的，由上所述的，由式(1)可求得带冠叶片的轴向振动位移。
第二步，基于第一步求出的带冠叶片的轴向振动位移的叶尖定时(BTT)数据，使用最小二乘拟合法来识别带冠叶片同步振动事件及其幅值与频率。
进一步的，基于第一步求出的带冠叶片的轴向振动位移，对其采用最小二乘拟合方法进行数据拟合，结果如图3所示。在转速为0.9788时，得到归一化振幅的最大值为0.467，即为22号带冠叶片轴向实际振动幅值(Aactual)。对所有的带冠叶片的叶尖定时(BTT)数据采用最小二乘拟合方法进行数据拟合，其归一化振幅随叶片编号的变化如图4和图5所示。
进一步的，在氮气气激的作用下进行了两次同步振动实验，对所有的叶片的叶尖定时(BTT) 数据采用最小二乘拟合方法进行数据拟合，其归一化振幅结果如图6、图7、图8和图9所示，两次实验中在振动倍频数EO＝4和EO＝5时均发生了同步振动。
进一步的，汽轮机带冠叶片是一种周期性结构，对所有的叶片的叶尖定时(BTT)数据采用最小二乘拟合方法进行数据拟合后的归一化频率随叶片编号的改变而变化。其结果如图4 和图5所示，所有叶片归一化频率的周期性变化是振动倍频数(EO)的两倍。
由上所述的，使用最小二乘拟合法成功识别带冠叶片同步振动事件及其幅值与频率。
第三步，基于以上所述的带冠叶片的同步振动振幅得到识别，通过本实用新型的谱峰搜索方法，来准确的获取带冠叶片同步振动的节径信息。
进一步的，使用本实用新型提出的谱峰搜索方法，其结果如图10所示，设节径(ND)的值为k，则各叶片幅值的频谱均在2k Hz处达到峰值。
进一步的，为更加清晰的将带冠叶片的同步振动的节径(ND)信息展示出来，将谱峰搜索方法的结果利用极坐标图进行表示，也即将所有振幅随叶片编号呈圆形作图，如图9所示。节点线在极坐标图中清晰可见，且在图11(a)中，ND＝4，在图11(b)中，ND＝5。同时在两次试验中，节径(ND)等于振动倍频数(EO)，节点线的位置基本相同，表明同步振动节点线在试验中是恒定的。
由上所述的，利用本实用新型的谱峰搜索方法，准确的获取带冠叶片同步振动的节径信息。
Claims (2)
1.一种测量带冠叶片同步振动及节径的装置，其特征是，将叶尖定时传感器的探头安装在机匣上，叶尖定时传感器由一根的发射光纤和周围的6根接收光纤组成，用来测量叶片到达传感器的时间；当汽轮机带冠叶片发生同步振动时，叶片尖端每次通过传感器时都会具有相同的位移，故此时通过最小二乘拟合法来识别带冠叶片的同步振动。
2.如权利要求1所述的测量带冠叶片同步振动及节径的装置，其特征是，测量叶片到达传感器的时间中数据采样率设为叶片总数Nb。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201920809094.5U CN211777611U (zh) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | 测量带冠叶片同步振动及节径的装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201920809094.5U CN211777611U (zh) | 2019-05-31 | 2019-05-31 | 测量带冠叶片同步振动及节径的装置 |
Publications (1)
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ID=72905871
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Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110259524A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-20 | 天津大学 | 测量带冠叶片同步振动及节径的装置和方法 |
-
2019
- 2019-05-31 CN CN201920809094.5U patent/CN211777611U/zh active Active
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| CN110259524A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-20 | 天津大学 | 测量带冠叶片同步振动及节径的装置和方法 |
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