專利名稱：渦輪葉片振動(dòng)的檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)的工作參數(shù)，具體涉及監(jiān)測(cè)敞開(kāi)式渦輪葉片的振動(dòng)。
由于渦輪葉片的復(fù)雜設(shè)計(jì)，它們會(huì)受到對(duì)應(yīng)于葉片各種模式的自然頻率的振動(dòng)。每種模式都與不同型式的振動(dòng)有關(guān)，例如沿渦輪旋轉(zhuǎn)軸方向的振動(dòng)、垂直于渦輪旋轉(zhuǎn)軸方向的振動(dòng)等。為了防止葉片在其正常位置周圍發(fā)生過(guò)量的振動(dòng)，正常的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，要求葉片制作得其各種振動(dòng)模式處在汽輪機(jī)工作頻率的各諧波之間。然而，制造公差，轉(zhuǎn)軸上葉片附件的變化，磨損造成的葉片幾何尺寸變化，以及渦輪機(jī)工作頻率的變化等因素，會(huì)造成一些模式頻率接近工作頻率的諧波。當(dāng)模式接近工作頻率的諧波時(shí)，可能造成汽輪機(jī)的實(shí)體損壞。在振動(dòng)幅度超過(guò)某一量值時(shí)，葉片內(nèi)將產(chǎn)生有害的應(yīng)力。如果該狀態(tài)未檢測(cè)到和未作校正，葉片最后會(huì)斷裂，導(dǎo)致極高代價(jià)的被迫停機(jī)。因此，需要有檢測(cè)這類振動(dòng)的方法和裝置，以防止此種損壞。
檢測(cè)渦輪機(jī)葉片振動(dòng)的一種裝置已在1969年9月16日的Zablotsky等人的第3，467，358號(hào)美國(guó)專利中公布。在該專利中，將一對(duì)無(wú)觸點(diǎn)的電脈沖發(fā)信機(jī)安裝在靠近渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的靜止部件上，并且兩發(fā)信機(jī)在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)相互錯(cuò)開(kāi)位置，錯(cuò)開(kāi)量對(duì)應(yīng)于要檢測(cè)出的預(yù)置的或過(guò)量的振動(dòng)幅度。兩發(fā)信機(jī)也可置于葉片的相對(duì)兩端，如Zablotsky專利的圖3中所示。在這樣的布置情況下，兩發(fā)信機(jī)之間的位移角可如此導(dǎo)得，即將指定的扭曲振動(dòng)幅度除以轉(zhuǎn)子的外半徑。發(fā)信機(jī)產(chǎn)生的脈沖由適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行處理，以產(chǎn)生出指明所檢測(cè)振動(dòng)的輸出信號(hào)。
還有許多其它的系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量敞開(kāi)式渦輪葉片的振動(dòng)。然而，需要有一種實(shí)施簡(jiǎn)便和可靠的裝置和方法，并且它還能在渦輪機(jī)損壞之前以必需的精度檢測(cè)出損壞性的振動(dòng)量值。
本發(fā)明指出一種系統(tǒng)，可用以監(jiān)測(cè)布置成排的許多渦輪葉片的振動(dòng)。其第一傳感器在感知一個(gè)渦輪葉片時(shí)產(chǎn)生出第一輸入信號(hào)。第二傳感器在感知一個(gè)渦輪葉片時(shí)產(chǎn)生出第二輸入信號(hào)。第一和第二傳感器安裝得使它們實(shí)際上能同時(shí)感知同一個(gè)渦輪葉片。設(shè)置一個(gè)對(duì)第一和第二輸入信號(hào)進(jìn)行比較的電路，以檢測(cè)渦輪葉片的軸向位移。有一個(gè)輸出裝置，它對(duì)檢測(cè)出的軸向位移起響應(yīng)。
本發(fā)明的廣泛形式在于，一種具有許多葉片的渦輪機(jī)，一個(gè)用以監(jiān)測(cè)布置成排的許多渦輪葉片振動(dòng)的系統(tǒng)。它包括第一靜止傳感器，它在感知一個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)產(chǎn)生出第一輸入信號(hào);其位置校準(zhǔn)到感知同一渦輪葉片的第二傳感器，它感知上述同一葉片時(shí)產(chǎn)生出第二輸入信號(hào);上述第一和第二傳感器安裝得實(shí)際上能同時(shí)感知同一個(gè)渦輪葉片;用以比較上述第一和第二輸入信號(hào)(VIn1、VIn2)的一個(gè)裝置，它檢測(cè)出渦輪葉片的軸向位移;對(duì)上述比較裝置起響應(yīng)的一個(gè)輸出裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一和第二傳感器產(chǎn)生出模擬輸入信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的峰值與在第一和第二傳感器處出現(xiàn)一渦輪葉片的時(shí)間相一致。兩傳感器安裝得當(dāng)無(wú)軸向位移時(shí)使第一信號(hào)的峰值等于第二信號(hào)的峰值。兩峰值的幅度差表明了軸向位移的大小。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，裝有一個(gè)感知渦輪葉片旋轉(zhuǎn)速度的傳感器。根據(jù)測(cè)得的速度，可以計(jì)算出第一和第二輸入信號(hào)峰值的出現(xiàn)時(shí)間。還裝有一個(gè)電路，用以將計(jì)算出的時(shí)間與第一和第二輸入信號(hào)峰值出現(xiàn)的實(shí)際時(shí)間進(jìn)行比較。該時(shí)間差是切向位移的一個(gè)量度，亦即渦輪葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)葉片位移的一個(gè)量度。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，第一和第二傳感器對(duì)各渦輪葉片頂端處形成的葉片突出起響應(yīng)。作為一基準(zhǔn)葉片，可以使某個(gè)渦輪葉片上無(wú)突出，或者具有不同類型的突出。
本發(fā)明還包括一種監(jiān)測(cè)布置成排的許多渦輪葉片振動(dòng)的方法。該方法包括感知一個(gè)葉片時(shí)產(chǎn)生第一和第二輸入信號(hào)的步驟。在感知同一渦輪葉片時(shí)，第一和第二輸入信號(hào)實(shí)際上是同時(shí)產(chǎn)生的。無(wú)軸向位移時(shí)，第一和第二信號(hào)間具有已知的預(yù)定關(guān)系。將第一和第二輸入信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)對(duì)已知的預(yù)定關(guān)系的偏離，可檢測(cè)出渦輪葉片的軸向位移，并指出位移的大小。
本發(fā)明的裝置和方法提供出一種簡(jiǎn)單又可靠的檢測(cè)渦輪葉片振動(dòng)的方法。此裝置和方法容易實(shí)施，費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，并在不希望的振動(dòng)達(dá)到臨界值之前提供出了所需精度的檢測(cè)。從下面優(yōu)選的實(shí)施例的描述中，可更加明白本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)。
為了易于了解和實(shí)施本發(fā)明，現(xiàn)結(jié)合以下附圖來(lái)描述作為例子的優(yōu)選實(shí)施例

圖1是本發(fā)明渦輪葉片振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)選實(shí)施例的方框圖;
圖2示出渦輪葉片上的突出和渦輪機(jī)靜止部分上安裝的傳感器之間的關(guān)系圖;
圖3和圖4分別是圖2上沿Ⅲ-Ⅲ線和Ⅳ-Ⅳ線的視圖;
圖5A、6A和7A示出渦輪葉片相對(duì)于傳感器的三種位置;
圖5B、5C、6B、6C和7B、7C分別是圖5A、6A和7A中所示渦輪葉片位置時(shí)兩傳感器響應(yīng)的輸出信號(hào);
圖8示出本發(fā)明中微處理器用的合適編程的流程圖。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成的渦輪葉片振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)10。圖1中，示出了轉(zhuǎn)軸34上安裝的一個(gè)渦輪葉片12的一部分。渦輪葉片12例如是蒸汽發(fā)生器最后一排40或倒數(shù)第二排42渦輪葉片中的一個(gè)葉片。每排可以包含120個(gè)渦輪葉片。眾所周知，在某些類型的蒸汽發(fā)生器中，最后兩排渦輪葉片是敞開(kāi)式的。此外，轉(zhuǎn)軸34上還安裝有其它的渦輪葉片排(圖中未畫(huà)出)，這是公知的。
除了下面要詳細(xì)討論的基準(zhǔn)葉片外，每個(gè)渦輪葉片上都有一個(gè)突出14。葉片突出14設(shè)計(jì)得不在葉片內(nèi)引入應(yīng)力集中。
系統(tǒng)10包括一對(duì)傳感器16和18，每個(gè)傳感器都由包圍有拾取線圈22的永久磁鐵20組成。每個(gè)渦輪葉片頂端的突出14會(huì)使永久磁鐵20產(chǎn)生的磁力線分布發(fā)生偏轉(zhuǎn)。拾取線圈22對(duì)偏轉(zhuǎn)的磁力線分布起響應(yīng)，使第一傳感器16產(chǎn)生第一輸入信號(hào)VIn1，第二傳感器18產(chǎn)生第二輸入信號(hào)VIn2。
這兩個(gè)輸入信號(hào)由放大器24放大，然后輸入到復(fù)用器26。復(fù)用器26由微處理器28以已知的方式控制。微處理器28控制復(fù)用器26，使輸入信號(hào)VIn1和VIn2在輸入到微處理器28之前串行地輸入到一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(圖中未畫(huà)出)。
系統(tǒng)10還包括一個(gè)速度傳感器30，用以產(chǎn)生出輸入給微處理器28的一個(gè)信號(hào)。速度傳感器30可以是一種已知類型的傳感器，它對(duì)轉(zhuǎn)軸34上形成的標(biāo)記32起響應(yīng)。傳感器30對(duì)標(biāo)記32的響應(yīng)是轉(zhuǎn)軸34每轉(zhuǎn)一圈提供出一個(gè)信號(hào)，微處理器28用它來(lái)計(jì)算渦輪葉片上突出14的線速度。
渦輪葉片上的突出14與傳感器16和18之間的關(guān)系詳細(xì)地示于圖2、圖3和圖4中。傳感器16和18安裝在汽輪機(jī)的靜止部分上，如圖2所示。傳感器16和18相鄰地安裝，使它們實(shí)際上能在同一時(shí)刻感知同一渦輪葉片的出現(xiàn)。它們的安裝關(guān)系清楚地示于圖3中。渦輪葉片12頂端的突出14示于圖4中。
本發(fā)明檢測(cè)葉片軸向振動(dòng)的原理參閱圖5A～5C、6A～6C和7A～7C，便可以理解。圖5A中，無(wú)軸向振動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子葉片12上突出14的位置與傳感器16和18為等距離。在這個(gè)位置上，兩傳感器的永久磁鐵22產(chǎn)生的磁力線分布受到相同的影響，所以模擬信號(hào)VIn1和VIn2實(shí)際上相同，如圖5B和5C所示。因此，無(wú)軸向位移時(shí)，第一傳感器16和第二傳感器18產(chǎn)生的信號(hào)之間存在著一種已知的關(guān)系。這種已知關(guān)系可以是圖5B和5C中所示的關(guān)系，即兩個(gè)信號(hào)的形狀相同，并在同一時(shí)刻出現(xiàn)等同的峰值。
當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片12的突出14由于振動(dòng)而偏離圖5A所示的位置時(shí)，一個(gè)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)將增強(qiáng)，而另一個(gè)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)將相應(yīng)地減弱，這種情況示于圖6A～6C和7A～7C中。
圖6A中，轉(zhuǎn)子葉片12有振動(dòng)，造成軸向位移。這種軸向位移使突出14較靠近傳感器16的下部，結(jié)果是傳感器16產(chǎn)生的輸入信號(hào)VIn1的幅度比傳感器18產(chǎn)生的輸入信號(hào)VIn2的幅度大，如圖6B和6C中所示，相反地，當(dāng)軸向位移使突出14較靠近傳感器18的下部時(shí)，情況如圖7A～7C所示。微處理器通過(guò)比較輸入信號(hào)VIn1和VIn2的大小，確定出軸向位移的量值。由于已知無(wú)軸向位移時(shí)信號(hào)VIn1等于信號(hào)VIn2，所以兩信號(hào)的幅度差表明了位移的大小。幅度差越大，軸向位移越嚴(yán)重。
如前所述，每個(gè)渦輪葉片排內(nèi)的渦輪葉片上都有一個(gè)突出14。然而，每排葉片內(nèi)有一個(gè)葉片上無(wú)葉片突出14，或者具有不同形狀的葉片突出。它將使輸入信號(hào)VIn1和VIn2產(chǎn)生不同的波形，因而這個(gè)葉片可以當(dāng)作指引葉片或基準(zhǔn)葉片。微處理器可以從指引葉片起計(jì)數(shù)輸入信號(hào)的數(shù)目，借以跟蹤哪個(gè)葉片正被感知，從而可使振動(dòng)數(shù)據(jù)與相應(yīng)號(hào)數(shù)的葉片關(guān)聯(lián)起來(lái)。一排內(nèi)的葉片號(hào)數(shù)(即1、2、……、120)以及與該葉片關(guān)聯(lián)的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以存入微處理器28中，也可以輸出到繪圖器36和報(bào)警器38上，或者輸出到其它合適的輸出裝置去，如圖1所示。
應(yīng)用速度傳感器30，微處理器28可以控制復(fù)用器26，選出特定葉片來(lái)的輸入信號(hào)VIn1和VIn2。因此，復(fù)用器可以用來(lái)掃描由所有葉片產(chǎn)生的輸入信號(hào)VIn1和VIn2，或者可以用來(lái)選取特定葉片產(chǎn)生的輸入信號(hào)。
除了檢測(cè)軸向振動(dòng)外，也能檢測(cè)切向振動(dòng)，即旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的振動(dòng)。圖1中，葉片12的旋轉(zhuǎn)平面是垂直于紙面的。檢測(cè)切向振動(dòng)可以結(jié)合圖8來(lái)說(shuō)明，圖8示例出微處理器28的編程。
檢測(cè)切向振動(dòng)從步驟50開(kāi)始。不過(guò)在檢測(cè)切向振動(dòng)之前，如前所述的軸向振動(dòng)可能已經(jīng)確定。也就是，在步驟44讀出了輸入信號(hào)值。在步驟46比較了兩個(gè)信號(hào)，如果它們相等，則微處理器進(jìn)入步驟50。如果兩個(gè)信號(hào)不等，則根據(jù)兩個(gè)信號(hào)差值計(jì)算出軸向位移量。然后微處理器進(jìn)入步驟50。
在步驟50，微處理器28利用速度信息和指引葉片前后計(jì)數(shù)得的脈沖數(shù)目，確定出每個(gè)葉片的輸入信號(hào)VIn1和VIn2的峰值出現(xiàn)的準(zhǔn)確時(shí)間。在步驟52，微處理器測(cè)量峰值出現(xiàn)的實(shí)際時(shí)間。在步驟54，將峰值出現(xiàn)的計(jì)算時(shí)間與峰值出現(xiàn)的實(shí)際時(shí)間進(jìn)行比較。如果兩者相等，表明無(wú)切向位移，微處理器返回到步驟44。如果兩者不等，在步驟56計(jì)算出渦輪葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的位移量。兩個(gè)時(shí)間相差越大，表明切向位移越大。然后，微處理器返回步驟44。
還可以提供附加的傳感器對(duì)16和18。傳感器對(duì)的數(shù)目和傳感器對(duì)的位置取決于渦輪機(jī)的額定速度和有關(guān)的諧振值范圍。根據(jù)選定的位置，可由微處理器28計(jì)算出葉片的振動(dòng)模式。嚴(yán)重的或快速的葉片位移的變化可被檢測(cè)出，并發(fā)出告警聲音。為使每個(gè)葉片產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)較為顯見(jiàn)，在每個(gè)傳感器上跨置一個(gè)阻尼電路(圖中未畫(huà)出)，以快速地消解磁場(chǎng)。
總之，本發(fā)明可測(cè)量汽輪機(jī)葉片的切向和軸向位移。本發(fā)明中包含有許多對(duì)安裝在渦輪機(jī)內(nèi)圓柱上的磁傳感器16和18。在每個(gè)渦輪葉片的頂端有一個(gè)小突出14。一個(gè)微處理器28掃描傳感器16和18，測(cè)量出感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)葉片上的突出接近或離開(kāi)各別的傳感器時(shí)，拾取線圈22內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)比例地上升或下降。微處理器按程序?qū)⑦@些電勢(shì)變化轉(zhuǎn)換成軸向位移。它通過(guò)計(jì)算來(lái)確定突出14將于何時(shí)出現(xiàn)在傳感器16和18處，并將計(jì)算結(jié)果與突出14出現(xiàn)在傳感器16和18處的實(shí)際時(shí)間進(jìn)行比較，從而確定出切向位移量。得出的位移量可以存入微處理器28，繪制成圖，或者當(dāng)檢測(cè)出葉片諧振或過(guò)量位移時(shí)，發(fā)出告警聲音。
上面結(jié)合示例性的實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，而對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員，會(huì)想出許多顯而易見(jiàn)的修改和變型。本申請(qǐng)和下面的權(quán)利要求包括了所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.在具有許多渦輪葉片的渦輪機(jī)中，對(duì)于布置成排的大量渦輪葉片的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種系統(tǒng)，它包括第一靜止傳感器(16)，它感知一個(gè)旋轉(zhuǎn)渦輪葉片(12)時(shí)產(chǎn)生出第一輸入信號(hào)，其特征在于有一個(gè)第二傳感器(18)，其位置校準(zhǔn)到能感知上述的同一渦輪葉片，產(chǎn)生出第二輸入信號(hào)，這第一和第二傳感器安裝得實(shí)際上同時(shí)感知同一個(gè)渦輪葉片；用以對(duì)上述第一和第二信號(hào)(VIn1、VIn2)進(jìn)行比較的裝置(28)，以檢測(cè)出渦輪葉片的軸向位置；對(duì)上述比較裝置起響應(yīng)的輸出裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，上述的第一和第二輸入信號(hào)各有一個(gè)峰值，它們分別與渦輪葉片出現(xiàn)于上述第一和第二傳感器處的時(shí)間一致，又在無(wú)軸向位移時(shí)，上述第一信號(hào)的峰值等于上述第二信號(hào)的峰值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，葉片包括在其頂端具有突出的敞開(kāi)式渦輪葉片，另外，上述的第一和第二傳感器包括有對(duì)上述突出起響應(yīng)的磁性傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，它還包括有感知渦輪葉片速度的裝置，以及對(duì)感知的葉片速度起響應(yīng)并計(jì)算上述第一和第二輸入信號(hào)的峰值出現(xiàn)時(shí)間的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，它還包括有將計(jì)算出的時(shí)間與上述第一和第二輸入信號(hào)峰值出現(xiàn)的實(shí)際時(shí)間進(jìn)行比較的裝置，以檢測(cè)出渦輪葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的葉片位移。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，葉片排列成許多排，每排上的葉片除一個(gè)之外在它們的頂端都具有突出，此種突出由上述的第一和第二傳感器感知。
7.利用能感知運(yùn)動(dòng)葉片的傳感器對(duì)布置成排的許多渦輪葉片的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種方法，其特征在于以下步驟感知同一渦輪葉片時(shí)，實(shí)際上同時(shí)響應(yīng)產(chǎn)生第一和第二輸入信號(hào)，上述第一和第二輸入信號(hào)之間在無(wú)軸向振動(dòng)時(shí)具有一種已知的預(yù)定關(guān)系;根據(jù)對(duì)已知的預(yù)定關(guān)系的任何偏離，通過(guò)將第一和第二信號(hào)作出比較來(lái)檢測(cè)軸向振動(dòng);對(duì)檢測(cè)出的軸向振動(dòng)給出指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，對(duì)已知的預(yù)定關(guān)系偏離越大時(shí)，表明軸向振動(dòng)越大。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，它附加包括這樣的步驟，即計(jì)算第一和第二輸入信號(hào)應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間，測(cè)量第一和第二輸入信號(hào)實(shí)際產(chǎn)生的時(shí)間，將計(jì)算出的時(shí)間與測(cè)得的時(shí)間進(jìn)行比較，以檢測(cè)出渦輪葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的葉片切向位移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，計(jì)算出的時(shí)間與測(cè)得的時(shí)間之間差值越大時(shí)，表明葉片切向位移越大。
全文摘要
用以監(jiān)測(cè)布置成排的大量渦輪葉片振動(dòng)的一種系統(tǒng)，它包括第一和第二傳感器16和18，在感知渦輪葉片12時(shí)它們分別產(chǎn)生出第一和第二輸入信號(hào)。第一和第二傳感器安裝得實(shí)際上能同時(shí)感知同一渦輪葉片。還包括對(duì)第一和第二輸入信號(hào)進(jìn)行比較的一種電路28，用以檢測(cè)軸向位移。另有一個(gè)輸出裝置36和38，對(duì)檢測(cè)出的位移起響應(yīng)。
文檔編號(hào)G01M13/00GK1039482SQ89104658
公開(kāi)日1990年2月7日 申請(qǐng)日期1989年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月11日
發(fā)明者莫里斯·A·詹金斯 申請(qǐng)人:西屋電氣公司