CN88101105A - 振动监测系统中消除传感器漂移的方法 - Google Patents

Abstract

消除一装置所提供的位置—时间数据中的失常的方法，该装置监测涡轮机转动叶片的位置，它包括邻近至少一个叶片位置的至少一个检测器，以提供对应于叶片从预定位置到达检测器位置所要求的时间的时间信号，失常是因至少一检测器与叶片未对准而引起的。该方法包括计算叶片从预定位置到检测器位置的平均到达时间，并随后根据叶片速度和平均到达时间估算检测器与预定位置间距离。

Description

本发明涉及一种在涡轮机中对一排或多排旋转叶片，进行叶片振动监测和判断的改进方法。

高速涡轮机，如蒸汽轮机或燃气轮机，通常都包含多个沿轴向排列的叶片排，这些叶片排在沿轴向流过涡轮机的高压流体形成的压力作用下旋转。由于叶片的造形复杂，叶片的自然机械共振频率可能与某种叶片转速和由此产生的转动谐波相吻合或被其所激励。因此需要花费精力设计涡轮叶片，使它们在正常运转速度与涡轮机转速的临界谐振波处不会产生共振。否则，由旋转速度激发的叶片共振可产生应力，使叶片断裂引起严重破坏，并导致停机进行大规模的检修。为了防止出现上述问题，在涡轮机运行之前，需要进行详细的试验以确保叶片在正常运行时不会产生共振。

在机器运行中同样也需要对转动的叶片进行监测，以便探明涡轮机投入使用后逐渐显露出的振动问题。在运行中进行判断的必要性，部分是由于在投入使用前所进行的估算不可能将叶片置于与正常运行时所经受的同样温度、压力和转动条件中，对叶片的振动进行连续监测也是同样重要的，以便能够检测出那些新出现的，表明结构变化的振动。如果未能测出任何这种振动，裂痕的发展有可能导致严重损害并花费很多时间停机检修。

尽管以前的非运行估算方法已成功地消除了许多严重的振动问题，但是在运行中检测的系统设计，尚不能提供能防止出现上述问题而必须的全面可靠监测。某些有限的，能够监测运行过程中叶片振动情况的系统使用的是多个永久固定的非接触传感器。这些传感器径向分布在转动叶片周围，以监测每个叶片尖部相对于它们正常位置的振动。Luongo在美国专利第4573358号中公布了一种典型设计，该系统与其它那些能将振动信号输入分析仪器的系统都有某些限制，影响了它们在不中止运行条件下，对稳速运转或者以同步速率运行的涡轮机进行监测的适应性。这些系统中，没有一个被认为是适合于对涡轮机中多个稳定或同步速率运行的叶片，进行连续监测并能迅速测出新的结构缺陷，在发生重大损坏前使机器停止运转。通常见到的不一致现象，例如出现在永久固定的传感器系统中的静态效应，将致使从叶片位移数据重建的振动波形产生畸变。先有技术中对位移引入补偿因子的办法基本上只是一次性纠正的办法，并不适于监测稳速或以同步速率运行的涡轮机。Luongo分开的校正传感器漂移的技术是在低速运转中得到的数据，该数据取自两个已知的叶片谐振频率之间，便于在那些据悉无振动的频率上，检测叶片的位置。低于正常运行速度时取到的校正数据，确定给出了在没有任何叶片振动情况下精确测定传感器位置的方法。但若为得到这个数据而改变运行中涡轮机的转速通常是不可能或至少不方便。这种强制性在发电厂中表现为，必须使涡轮机同步速率运行以保持稳定的输电频率。另外，在低于运行速度时得到的校正数据无法将测量速度与运行速度之间的动态效应差考虑进去。例如，一旦涡轮机进入正常运行速率，热膨胀和向心力会进一步改变传感器的一致性。在运行的涡轮机上应用该方法也无法对由传感器位移产生的重大错误进行连续校正。在缺少一种能对传感器的不一致性进行静态和动态校正的改进技术时，当传感器位置移动后，通过连续监测得到的数据便趋于畸变。因此，可以认为连续校正技术对进一步减少传感器位移影响是必要的，这种位移效果导致信号分析中出现不希望的噪声。改进的校正技术应允许在不中断设备正常工作状态下，能有效地监测叶片尖部的振动。

本发明的首要目的在于给出一种能监测并分析叶片振动的改进方法。

因此，考虑到这个目的，本发明的最佳实施方案在权利要求1中所重述的监测叶片振动方法中给出。

本发明最佳实施方案将通过举例，参照附图进行描述，其中：

图1是一个简化的，包括4个传感器和一组6个叶片的涡轮机轴向示意图。

图2表示测出的，对应于叶片B₁到达传感器S₁的时间间隔。

图3表示测出的对应于叶片B₂到达传感器S₁的时间间隔。

图4表示测出的相对叶片B₁到达传感器S₂的时间间隔。

图5给出一种叶片尖部振动位移数据的理想时间序列，如果传感器位置没有移动或者没出现不一致现象时，该序列可直接测量到。

图6表示在叶片尖部振动位移数据的时间序列上出现的传感器位移效应。

图7表示通过计算叶片到达四个传感器中每一传感器时的平均到达时间而得到的校正位移数据。

本发明方法将举例描述并给出对蒸汽轮机进行振动监测的特例。但本发法通常也用于对装有叶片的涡轮机进行监测的那些系统。

首先参见附图1，图中给出分布在一台蒸汽轮机叶片组上的传感器Sj的典型排列情况。为简单起见，图1中只显引出安装在一个可以是涡轮机内壳或气流导管的刚性支持面14上的四个传感器，涡轮机包含多个转动叶片排，每排叶片包括连接于转轴10上的，预定数目的叶片Bi。图1中只给出分布在转轴10上的一排叶片。为简述发明方法，只给出一排仅有6个叶片的叶片排和分布在叶片周围由4个传感器Sj组成的监测器，在这个简化的实施方案中，叶片排按照图2至图4中箭头所示方向顺时针旋转。可以理解，这里所公开的方法可用于任意数目的涡轮叶片和传感器。

由计算机控制的一台适用于本发明方法的振动监测器，可以在连续运转周期中的任一周期内，同时监测叶片Bi中每个叶片的振动。在一最佳实施方案中，振动监测器可由多个等间隔排列在叶片排周围的磁性传感器组成。但本方法也可改成只用单个传感器，或者用多个非等间隔分布在该园周面上的传感器工作。涡轮轴的位置可由参考传感器（图中未显示）确定。如在第4573358号美国专利中所公开并在许多涡轮系统中常见的那样，参考传感器把对应于轮轴旋转的信号提供给监测系统。监测系统必须测定每一叶片从某个预定参点点转到每个传感器的转动时间，例如，选定传感器S₄作为参照位置，用t_i，j表示叶片Bi在传感器Sj处的到达时间，这样叶片Bi通过传感器Sj时，便可得到一个时间序列。用S₄输出的信号定义一个参考时间，叶片1到达每一个传感器而形成的时间序列可由t1，1，t1，2，t1，3，t1，4，给出。对于多个转动周期，传感器下标数字可顺序增加。例如经过三个转动周期所测到的叶片2的时间间隔序列由下述顺序给出：

t₂，₁，t₂，₂，t₂，₃，t₂，₄，t₂，₅，t₂，₆

……t₂，_1-2。（1）

在附图2，3和4中分别给出时间间隔t₁，₁，t₂，₁和t1，2的例子。从传感器Sj得到的数据其结果为对当于叶片顺序到达该传感器位置的一个时间序列，在5个周期中，传感器Sj的时间序列显示如下：

t₁，j，t₂，j，t₃，j，t₄，j，t₅，j，t₆，j

t₁，j+4，t₂，j+4，t₃，j+4，t₄，j+4，

t₅，j+4，t₆，j+4

t₁，j+8，t₂，j+8，t₃，j+8，t₄，j+8，

t₅，j+8，t₆，j+8

t₁，j+12，t₂，j+12，t₃，j+12，t₄，j+12，

t₅，j+12，t₆，j+12，

t₁，j+16，t₂，j+16，t₃，j+16，t₄，j+16，

t₅，j+16，t₆，j+16。 （2）

没有叶片振动时t₁，₁＝t₂，₁＝t₃，₁＝t₄，₁＝t₅，₁＝t₆，₁。通常t_i，_j应等于t_i，_j。其中k是一个小于或等于叶片数目的正整数。然而对有叶片振动情况，叶片尖端通过每个传感器所在位置时，并非处于无振动状态下相对轴10的正常位置上。传感器无位移时，通过确定恒定转速下叶片尖端转到每一传感器位置处的实际到达时间与预期到下时间的差异，振动监测器便可检测出叶片尖部的振动。如果一排叶片的旋转周期用T₀表示，那么由于叶片是等间隔分布，叶片Bi在到下传感器S₁之前应有一个时间间隔t₁＝T₀/4。到达后续传感器S₂，S₃，S₄，S₅，等处的时间可由下式给出：

t₂＝T₀/₂，

t₃＝3T₀/₄，

t₄＝T₀

t₅＝5T₀/₄，等等

知道叶片Bi尖部的转速V₀，通过叶片Bi到达这些传感器Sj的实际到达时间t_i，_j与预期到达时间t_j之间的差，便可确定该叶片在对应轮轴10的正常位置上产生的空间偏移。这样，如下叶片Bi的有序对序列便可用于表示与轮轴10转动时间构成有关的，叶片尖端相对其正常位置发生的振动位移：

〔（t_i，₁-t₁）V₀，t₁〕，〔（t_i，₂-t₂）V₀〕，

〔（t_i，₃-t₃）V₀，t₃〕，…… （3）

〔（t_i，₂₀-t₂₀）V₀，t₂₀〕。

这个位移信号已经用图形在附图5中表示出来，计算机控制的振动监测器用这个数据可进行快速傅立叶变换，以确定振动模式的频率和振幅。

图6中给出了上述确定典型振动的技术受到传感器位移影响的情况，其中，由于传感器S₃位置移动的结果，振动信号的幅度在位移曲线第3，7，11，15和19点处出现偏移。如果将所有的传感器位移都显示出来，波形将严重畸变并把可观的噪声引入振动分析中。但是若将本发明的方法用于这个技术，通过正常运行速度时测到的数据，估算出每个叶片到达每一传感器位置的预期到达时间，就可以避免传感器移位的影响。用公式表示移位信号时，本发明的方法是用t_j，_avg来替换每一个预期到达时间t_j，t_j，_avg为每一个传感器S_j处叶片实际到达时间的平均值，每个平均值都是通过转过传感器一周或者数周后计算出来的。例如在传感器S_j的叶片平均到达时间可通过6个叶片都转过一周后估算出来：

t_j，_avg＝1/6 $\underset{\mathrm{i-l}}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}$ t_i，_j。

已发现，不论叶片尖端的振动如何，对某一给定速度，一个无振动叶片Bi到达传感器Sj的实际到达时间可以由多个振动叶片的平均到达时间t_j，_avg来近似。对几个转动周期中的到达时间进行平均，可以进一步改善对预期到达时间的估算。经过多个转动周期对平均值进行分析表明，五个周期后得到的平均值（即i＝1到30）为监测叶片尖部的振动提供了足够的精确度。

如附图7中所示，用时间间隔（t_i，_j-t_j，_avg）来替换（t_ij-t_j）就是准时移动第3，7，11，15和19这些点，使之处于真正的振动曲线上。

传感器对一排叶片中每个叶片的振动进行监测时，利用本发明在此给出的一种通用方法可以消除传感器给出的位置-时间数据的畸变。由上可知，本发明方法的装置可适用于仅有一个装在叶片排附近的传感器，以给出对应于至少一个叶片从预定参照位置转到该传感器位置到达时间的一个信号。举例说，要用一台仅有一个传感器S₁监测单个叶片Bi振动的仪器实施本发明的方法，必须通过经转动数周而得到的平均到达时间t_j，_avg来实现。在该简单例子中，参照位置可与传感器位置相同，这样平均到达时间将近似于该叶片的转动周期。利用本发明方法，可以通过推导出叶片到达传感器S₁的平均到达时间t_j，_avg这样一个经测量得到，而不是预期叶片到达时间t_j的量，来消除由叶片运动引起的传感器位移和不一致性产生的叶片振动数据畸变。于是，位移信号将由如下顺序的系列元素组成：

〔（t_i，₁-t₁，_avg）V₀，t₁，_avg〕，

〔（t_i，₂-t₁，_avg）V₀，2t₁，_avg〕，（4）

〔（t_i，₃-t₁，_avg）V₀，3t₁，_avg〕，

〔（t_i，₄-t₁，_avg）V₀，t₁，_avg〕，……

其中t_i，_j是叶片Bi的到下时间，即该叶片在第j个旋转周期中从参照位置移到传感器S₁所需的时间，并且对最后几个周期：

T₁，_avg＝1/n $\underset{\mathrm{j=I}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}$ t_i，_j

这个序列是通过在每个平均到达时间，算出叶片实际位置与传感器位置之间位移的一个时间序列上形成的，表示叶片Bi振动的信号。

当t_j，_avg是基于大量叶片到达时间而得到时，这种消除叶片振动测量畸变的方法将会更有效，更为可靠。这是由于单个叶片可以与轮轴转动频率同相振动，或者与该转动频率发生谐振。在这种情况下，叶片平均到达时间不象预料那样与叶片的实际到达时期t_i，_j有差别。另一方面，图1中所示的由6个叶片组成叶片排的结构示意图中，由于t_j，_avg是在对大量叶片的到达时间取平均值基础上得到的，单个叶片与轴同相谐振的孤立效果并不重要。因此当t_j，_avg是通过大量旋转叶片的到达时间基础上得到时，本发明的方法会给出更高的精确度。测出的由叶片尖部振动引起的位移，通常在计算t_j，_avg时成为平均值，而且，只要是相对少数叶片与轮轴谐振频率发生同相位振动，对于一个无振动叶片到传感器S_j的预期到达时间来说，t_j，_avg是一个可接受的近似值。

在涡轮轴的转动频率不是恒定值，而是缓慢变化时，现已测定本发明的方法同样有用。在这种情况下，V₀可由单周或多周叶片转动速度平均值来近似。这种近似对调制振动位移曲线幅度上效果明显。但对位移数据进行快速傅立叶变换仍将给出正确的频率信息。

Claims (1)

1、一种监测叶片振动的方法，它利用振动监测器检测机器中一排转动叶片中某个叶片(B_i)的位置，振动监测器包括安置在一排叶片周围的多个传感器(S_j)，每个传感器(S_j)给出一个响应于叶片通过的、与时间相关的输出信号，振动监测器将传感器输出的信号贮存起来作为有关叶片排周期旋转的时间函数，本方法包括如下步骤：

(a)基于每个传感器(S_j)输出的信号，至少在叶片排的一个转动周期中，测定多个叶片(B_i)中每一叶片从一个预定位置转到每个传感器(S_j)位置的实际到达时间；

(b)计算某个叶片(B_i)从预定位置转到每一传感器(S_j)所需的平均到达时间；

(c)基于至少一个叶片(B_i)从预定位置转到每一个传感器(S_j)位置所需的实际到达时间和已计算出的该叶片(B_i)平均到达时间之间的时间差，计算叶片位置与传感器位置之间、在平均到达每一传感器位置时间上的位移；

(d)基于叶片位置和传感器位置之间在每一平均到达时间上所算出的位移时间序列，推导出一个代表该叶片(B_i)的振动信号。

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