CN1039114A

CN1039114A - 有围带的透平叶片振动监视器

Info

Publication number: CN1039114A
Application number: CN89103736A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·李; 奥斯博
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1990-01-24
Also published as: KR900000710A; IT1233083B; US4896537A; CA1331491C; JP2866862B2; KR0139213B1; JPH0223208A; IT8941609A0; ES2015676A6

Abstract

有围带的透平叶片振动监视器包括用于反复感知透平叶片列的轮廓的多数个传感器。微处理机对感知的透平叶片列的轮廓与预期的轮廓进行比较以检测透平叶片由于振动而引起的运动。微处理机然后对检测到的透平叶片的不可容许的振动作出响应，发出运行人员警报及跳开透平。

Description

本发明的总方向是监视蒸汽透平发电机的运行参数，更具体地是监视透平叶片振动。

由于其复杂的设计，透平叶片会经受被称为音调的相应于叶片自然频率振动。每一音调又与不同的振动类型，例如沿透平旋转轴线、垂直于透平旋转轴线等。为了防止叶片在其正常位置附近发生过大的振动，正常的设计实践要求叶片制作得使这些音调处于透平运行频率的谐波之间。然而，在其他诸因素中，制造允差、叶片在转子上安装情况的变化，由于浸蚀使叶片几何形状的变化以及透平运行频率的变化均使音调频率接近于运行频率的谐波。此外，也可以发生损坏性的非同期振动。蒸汽透平典型的非同期振动可由于小的蒸汽流量和高背压时导致透平叶片的不规则激振冲击而产生，或由于透平转子扭转应力而产生。

音调接近于运行频率的谐波可造成蒸汽透平的有形损坏。当振动幅度超过某一水平时，叶片中将建立起有害应力。如果此条件未被发觉并予以补救，叶片最终可断裂而造成一次耗费巨大的机器被迫停运。这样，为了防止此种损坏，需要一种检测该振动的方法。

现有检测有围带的叶片振动的技术方法是在透平叶片上贴应变片，利用固定在机器旋转轴的各个位置上的微型发报机将传感器的信息传送给机外的分析设备。在图1中说明的一个典型的现有技术有围带的透平叶片列10包括下列组件：转子轮盘11、叶片12、围带段13、铆头14、汽封15及应变片22。铆头14是叶片12的整体部份，用来将围带段13固定在叶片12上。汽封15用来减少绕过而不是通过叶片12的蒸汽量。应变片22测量透平叶片12的振动并将代表振动水平的信号从转子轮盘11传送到静止的电子装置（未示出）。

这种现有的技术方法有三个显著的缺点。第一，应变片22的寿命非常短，这是因为流过透平叶片12的蒸汽的浸蚀作用所致。第二，如果叶列10中所有的叶片12都要监测，则每个叶片12都要一片应变片22。这就代表一笔值得注意的费用。此外，在机器中只能装设为数有限的发报机和传感器。第三，向应变片22连续不断和可靠地供给电源以及从旋转着的转子轮盘11将信号可靠地传送到静止的电子装置（未示出）的复杂性引起了严重的困难。

为了排除这些问题，有了利用永久装设的接近式非接触传感器检测透平叶片振动的仪器。美国专利4，573，358号公布的一个这种仪器，其中绕叶片列外围分布的许多传感器检测操作人员选定叶片的振动。但是，这种仪器由于有围带与没有围带的透平叶片的有形差异而不易适用于有围带的透平叶片布置。

这样，就需要有一种费用较低的测量有围带的叶片振动的长寿命监视器。本发明填补了这样一种对有围带的透平叶片振动监视系统的需要。

本发明关于一个有围带的透平叶片振动监视系统，它包括许多传感器，用测定透平叶片围带段的存在及透平叶片铆头的存在来捕捉蒸汽透平中每个透平叶片列的轮廓。提供了贮存透平叶片列的预期轮廓的装置，然后通过感知的轮廓与预期轮廓相比较来检测透平叶片由于振动而引起的运动，然后输出装置对这个比较作出响应。

本发明就其广泛的形式而完属于监视形成一列的许多透平叶片振动的装置和方法，包括：在动态条件下感知透平叶片列轮廓的装置;贮存透平叶片列预期轮廓的装置;将前述感知到的轮廓与前述的预期轮廓进行比较以检测透平叶片由于振动而产生的运动的装置;以及响应于前述的比较的输出装置。

按照本发明的一个实施例，一个微处理机对每个透平叶片铆头到达传感器的时间与预期到达传感器的时间进行比较，这样，微处理机就能既检测到包含透平叶列平面内的透平叶片围带段的运动，也能检测到垂直于包含透平叶列的平面的一个平面内的透平叶片围带的运动。于是透平叶片运动的幅度和频率就得以测定。

本发明也针对于一种通过感知透平叶片列轮廓来监测透平叶片振动的方法。这个方法包括产生透平叶片列的预期轮廓和把感知的轮廓与预期轮廓进行比较以检测透平叶片由于振动而引起的运动，以及产生响应于这个比较的输出。

本发明的有围带透平叶片振动监视器可用于使用有围带的透平叶片的任何蒸汽透平。在包含有高压、中压和低压叶片列的典型的透平发电机中，除了低压透平的末列以外，其他所有旋转叶列在其外周上都有围带。由于监视透平叶片振动水平的重要性，就有了对这样一种系统的需要。过大的振动可招致蒸汽透平部件的损坏。有围带的透平叶片振动监视系统将在起动透平的保护动作以外同时将危险的振动水平向运行人员发出警告。本发明的这些和其他的优点和利益从下面一个较佳的实施例的介绍中将变得明显易见。

为使本发明得到清楚的了解和可以立即实践，现仅以举例方式介绍各种较佳的实施例，并参考下列附图。

图1说明有围带的透平叶片监视系统的现有技术;

图2说明一列有围带的透平叶片并连带有可以采用的本发明的方法和装置;

图3说明图2的透平叶片列布置的横向剖视图;

图4说明一套按本发明讲授的方法做成的有围带的透平叶片振动监视系统;

图5说明传感器输出信号和模拟处理机输出信号的实例图象样本;

图6A，6B及6C说明无振动时位置及围带段振动运动的极限位置;

图7是流程图，说明图4所示的有围带的透平叶片监视系统中微处理机完成的各个步骤。

图8说明一个实例的振动幅度的频率谱;以及

图9说明蒸汽透平的横向剖视并带有可采用的本发明的方法和装置。

图2说明一个可以应用本发明的方法和装置来监视透平叶片振动的有围带的透平叶片列10。在各图中，均用同样的参照号码来标志同样的元件。正如原已在图1中说明过的，透平叶片12用转子轮盘11与转子16相连接。铆头14是叶片12的一个整体部份，用以将围带段13固定到叶片12上。汽封15减少了绕过而不是通过透平叶片12的蒸汽量。图2中也介绍了传感器21，它是监视透平叶片12的振动的装置。传感器21可以是可变磁阻传感器或是结合使用任何可以感知传感器21与围带段13表面特性之间的相对距离的实际可行方法，包括但不限于微波或光学方法。一种能够耐受蒸汽透平内部严酷条件的传感器类型在美国专利4，644，270号中作了介绍。在图2中还介绍了附加的参照传感器17。传感器17连同转子16上的标记18起着转子16每旋转一周输出一个信号的作用。在透平技术中，这种参照信号是普遍知晓的。

图2中透平叶片列10的一部份的横剖视表示在图3中。传感器21处在叶片列10的平面内并在围带段13及铆头14表面的正上方。把传感器21置于通过透平叶片12的蒸汽直接流道以外，可以防止传感器21的严重浸蚀。图9所示的典型蒸汽透平23包含着许多由不同尺寸的叶片12所组成的透平叶片列10，不同的叶片尺寸与蒸汽透平23的高压、中压和低压级相对应。

图4说明本发明的有围带的透平叶片振动监视系统30。传感器输出信号31提供作为模拟处理机32的输入。一个模拟处理机32的模拟输出信号33通过模拟-数字转换器34转换为数字信号35。数字信号35输入到微处理机36，后者驱动操作接口37，并在检测到过大振动运动时相应发出跳开透平发电机（未示出）的控制信号38。

传感器输出信号31可用图5中的图象40来代表。图象40用电压与时间的关系来说明传感器输出信号31，并且用虚线来表明传感器输出信号31的大小与传感器21所感知的围带段13的具体表面特性的相关情况。传感器21所测到的围带段13之间的空隙19时，传感器输出信号31与参照电压V_R相比较趋向正值（V_R是代表围带段13的表面与传感器21之间距离的电压）。与此类似，传感器测到的铆头14，与参照电压V_R相比较，使传感器输出信号31趋向负值。

图5还说明，图象41，即图4中模拟处理机32在被给予传感器输出信号31即图象40时的模拟输出信号33是时间的函数。这个模拟输出信号33在动态条件下提供了透平叶片围带段的一个“轮廓”。模拟输出信号33可以由模拟处理机32的一个电压比较器线路（未示出）产生出来，这种技术是众所周知的。当传感器输出信号31的电压趋向正值并较参照电压V_R超过某一小数值V_crit时，便产生一个正脉冲。当电压回到参照电压V_R的临界电压V_crit以内时，也出现一个正脉冲。当传感器输出信号31趋向负值时，负脉冲也以同样方式产生出来。

把模拟输出信号33的脉冲系列即图象41的“轮廓”输入到图4中的模拟-数字转换器34中，然后把结果数字输出信号35输入到微处理机36。相对于前已介绍的每转一次脉冲的每个脉冲的精确时间贮存在微处理机36的存储器中。正常的或是预期的脉冲时间“轮廓”同样也贮存在微处理机36的存储器中。

每个脉冲的精确时间可以用来检测围带段13的任何振动的运动。图6A说明围带段13在正常或无振动时其位置与围带段13的旋转中心20的相对关系，而图6B和6C则说明围带段13的振动运动的极限位置与每个围带段13的旋转中心20的相对关系。图6A、6B和6C说明不同的围带表面特性（围带空隙19及铆头14）到达传感器21的时间是如何随着由于振动运动而使围带段13围绕围带段13的旋转中心20的振荡而改变的，虚线代表正常的到达时间，而实线代表实际到达时间。当传感器21处于围带段13的上方时，将依据所测的点在围绕围带13旋转中心20的振荡中所处的位置，或是较正常时间提前，或是较正带时间滞后而检测到围带段13的不同特性。

图4中的微处理机的工作可以象图7中的流程图所说明的那样来执行。流程从50步开始，在此，微处理机36采集图4的数字输出信号35。每个脉冲的实际时间（贮存进微处理机36的存储器中记忆）与正常或无振动时每个脉冲的时间（也贮存进微处理机36的存储器中）的偏差在51步计算。相应于围带13的每个单个脉冲的时间偏差的该围带13的实际位移在52步计算。围带段13在平行于包含透平叶片列10的平面内的位移可用下列方程计算：

X＝V×△t

此处

X＝围带段在平行于包含透平叶片列的平面的一个平面内的位移

V＝围带段的旋转速度（mils/μsec）

△t＝脉冲时间偏差（μsec）

围带段13在垂直于包含透平叶片列10的平面的一个平面中的位移可用下列方程计算：

y＝Xtanφ

此处

y＝围带段在垂直于包含透平叶片列的平面的一个平面内的位移

φ＝透平叶片铆头的切线与围带段边缘之间的夹角，如图6A中所示。

在52步中完成的计算结果对每个围带段13提供了多个作为时间函数的位移测量，而这种测量的个数则是围带段13上可以被传感器21检测到的表面特性（围带空隙19及铆头14）的数目的函数。

微处理机36的程序控制继续到图7流程的53步，在此，52步算出来的作为时间函数的位移测量就测定了围带段13的任何同期振动的幅度和频率。这种测定可以用技术上公知的许多方式中的任一个来完成，包括但不限于曲线适配技术和图象识别系统，其中的后者在遥控技术中是特别熟悉的。

微处理机36然后在54步中测定非同期振动的频率谱。微处理机36可以配以带有信号处理手段的程序作为实时分析器来工作，用以完成输入信号的付立叶分析，在此情况中，这个输入信号就是在52步中计算出来的围带13的位移的时间函数。非同期振动的频率谱，连同同期振动的频率谱以振动幅度的频率函数在55步显示于运行人员的面前。图8说明了这种显示的一例。

程序控制继续进行到图7的流程图56步，在此，微处理机36决定在53步和54步测定的振动是否会使透平叶片12存在任何有害的应力。这一测定之所以是可能的是因为透平叶片12顶端的位移（它相当于图4中系统30所检测到的围带段13的位移或是振动幅度）和在任何频率下影响到整个叶片的应力之间存在着一定关系。如果检测到有害的位移，也就指出了有害的应力，微处理机36在57步中发出对运行人员的警报，同时/或者跳开蒸汽透平，以防止由于断裂的透平叶片12而引起蒸汽透平的有形损坏。如果在56步未检测到有害的应力，则程序控制回到50步。对于每个透平叶片列10的每一围带段，整个过程再次重复。

虽然图4的有围带透平叶片振动监视系统30的较佳实施例中表示的是对每一透平叶片列10只用一个传感器21，但在某些应用中可能会要求用多于一个的传感器21。每一叶片列10所安装的传感器21的个数，在任何具体的应用中都是受注意的叶片12振动的最低频率的函数。传感器21的个数要求与受注意的叶片振动频率之间的关系在下列解释中说明。

假若围带段13的一个完整振动振荡周期的旋转时间相对于围带段13在传感器21下通过的时间来说是长的（低频振动），则当围带段13通过传感器21下方时围带段13与其正常位置比将只有很小的偏差。随之，为了检测围带段13的低频振动，就需要非常精确地测量任何围带段13的表面特性到达传感器21的时间。这样，环绕透平叶片列10安置多个传感器21，以保证围带段13从正常位置的偏移在所有要求的位置上都被检测到。在一项典型的蒸汽透平的应用中，受到注意的振动频率范围为工频（60Hz）到工频的8次谐波（480Hz）。所以至少需要有两个传感器21布置在叶片列10的圆周上用以检测低频振动（60-180Hz）。显而易见，本发明对于现有技术的优点在于这一事实，即每个叶片列10只需最少个数的传感器。

确定每个叶片列10所需的传感器21的个数时，另外一项必需考虑的因素是铆头14的几何形状。圆形铆头14要求传感器21置于离开围带段13纵向中心线约半个铆头半径的地方，这样就可以检测到垂直于旋转面的平面内的振动，同时又能检测到旋转面内的振动。把传感器21从围带段13的中心线移开会增加由于透平转子16的差胀而使围带段13移出传感器21下方的可能性。于是，当铆头14的几何形状如此要求时，可以紧贴着每个环绕叶片列10安放的每个传感器21再增装一个传感器21。

当本发明已联系一个示范性的实施例作了描述时，应该理解，普通技术熟练的人很容易作出许多修改和变化。公开的本发明及后面的权利要求都要包括这些修改和变化在内。

原文第12页的附页

图中所用参照号码的标志

名称参照号码图

模拟处理机 32 4

模/数转换器 34 4

微处理机 36 4

操作接口 37 4

采集数据输出信号 50 7

计算脉冲时间偏差 51 7

计算作为时间函数的围带段

位移 52 7

测定同期振动的幅度和频率 53 7

测定非同期振动的频率谱 54 7

显示 55 7

叶片应力是否有害 56 7

产生运行人员警报/跳透平 57 7

Claims

1、对组成叶片列的多数个透平叶片的振动进行监视的系统，包括：

在动态条件下感知透平叶片列轮廓的装置(31)；

贮存透平叶片列的预期轮廓的装置(36)；

将前述的感知的轮廓与前述的预期轮廓作比较以检测透平叶片由于振动引起的运动的装置(36)；以及

对前述的比较作出反应的输出装置(37)。

2、根据权利要求1的系统，其中的透平叶片列包括多数个透平叶片围带段，围带段支撑在透平叶片端部，以及多数个把透平叶片围带段固定在叶片上的铆头，同时其中感知前述的轮廓的前述的装置包括感知透平叶片围带段及透平叶片铆头的装置。

3、根据权利要求2的系统，其中前述的感知前述的轮廓的装置包括实际上安装在通过透平叶片的蒸汽流道以外的多数个固定的传感器，同时其中前述的传感器的个数是所要检测的透平叶片运动最低频率的函数。

4、根据权利要求3的系统，其中前述的传感器是互相紧挨着成对安放在透平叶片列的周围的。

5、根据权利要求2的系统，其中前述的用于比较的装置包括微处理机和模拟处理电路系统。

6、根据权利要求5的系统，其中前述的比较装置对透平叶片围带段在包含透平叶片列的平面内的运动进行检测。

7、根据权利要求6的系统，其中前述的透平叶片围带段的运动是通过将每个透平叶片铆头到达前述的感知装置的时间与预期的到达前述的感知装置的时间相比较而检测出来的。

8、根据权利要求7的系统，其中前述的比较装置对透平叶片围带段的垂直于前述的包含透平叶片列平面的运动进行检测。

9、根据权利要求8的系统，其中前述的透平叶片围带段的垂直于前述的包含透平叶片列的平面的运动，是从前述的透平叶片围带段在前述的包含透平叶片列的平面内的前述的运动用三角学推导出来的。

10、根据权利要求9的系统，其中前述的用于比较的装置对透平叶片运动的幅度和频率进行测定。

11、根据权利要求1的系统，附加了对检测到的因振动引起的透平叶片的运动作出响应而发出运行人员警报的装置。

12、根据权利要求1的系统，附加了对检测到的因振动引起的透平叶片的运动作出响应而跳开透平的装置。

13、一项对组成叶片列的多数个透平叶片的振动进行监视的方法，包括下列步骤：

在动态条件下感知透平叶片列的轮廓;

产生预期的透平叶片列轮廓;

将前述的感知的轮廓与前述的预期的轮廓进行比较以检测透平叶片由于振动而引起的运动;以及

响应于前述的比较而产生输出。

14、根据权利要求13的方法，其中透平叶片列包括多数个支撑在透平叶片端部的透平叶片围带段和把透平叶片围带段固定在透平叶片上的多数个铆头，以及其中前述的感知前述的轮廓的步骤包括感知透平叶片围带段和透平叶片铆头的存在的步骤。

15、根据权利要求14的方法，其中进行比较的步骤包括检测透平叶片围带段在包含透平叶片列的平面内的运动的步骤。

16、根据权利要求15的方法，其中进行比较的步骤包括检测透平叶片围带段在垂直于包含透平叶片的平面的运动的检测。

17、根据权利要求16的方法，其中进行比较的步骤包括测定透平叶片运动的幅度和频率。

18、根据权利要求13的方法，附加了响应于检测到的透平叶片由于振动引起的运动而发出运行人员警报的步骤。

19、根据权利要求13的方法，附加了响应于检测到的透平叶片由于振动引起的运动而跳开透平的步骤。