[发明专利]叶片罩振动监测器

说明书

技术领域

本发明涉及监测转动的叶片排的振动特性，尤其是涉及一种分析整 合的整体叶片结构的振动特性的方法，该叶片结构包括转动的叶片排和 连接叶片的周向罩。

背景技术

高速涡轮机器，例如蒸汽或燃气涡轮，通常包括多个轴向定向的成 排布置的叶片，叶片排响应轴向流过机器的高压流体产生的力而转动。 由于它们复杂的设计，叶片的固有机械共振频率可能与一定的叶片转动 速度和其转动谐波相符合，或者是被该转动速度和转动谐波所激励。每 个固有频率与一个特定的模式相关，每个模式是振动偏差的不同组合， 例如，沿着涡轮转动轴线的振动偏差，垂直于涡轮转动轴线的转动偏差， 等等。为了防止叶片在其正常位置附近的过度振动，保守的设计方案要 求叶片被构造成使得最低模式的频率落入涡轮的工作频率的谐波之间。 但是，叶片可能会被非同步的力所激励，例如，气动抖振或颤振。这即 使在叶片的固有共振频率不接近涡轮运行速度的谐波的情况下也可能 发生。当振幅超过一定水平时，叶片中会出现不希望的应力。如果这种 情况没有被检测并修正，叶片最终会断裂，导致巨大的损害，机器将停 止运行并且需要昂贵的维修费用。为了避免上述问题，在机器运行前进 行详细的测试，以保证叶片不会在正常的运行时发生共振。

为了识别在涡轮投入使用后产生的振动问题，还期望监测运行中的 转动叶片。这种在线评价是必要的，部分地是因为在实际使用前进行的 评价不能将叶片置于与相邻的通风道和叶片相关的相同的温度、压力、 流体流动和转动条件下以及在正常运行时所承受的其他条件下。为了检 测信号结构发生变化的新振动，叶片振动的连续监测也是重要的。如果 这些振动中的任何一个没有被检测到，逐步发生的断裂会导致重大损害 和很长的停机维修时间。例如，已知的是使用非接触式接近传感器或探 针来检测叶片振动。探针检测每个叶片经过每个探针的实际到达时间。 每个叶片的实际到达时间和借助于使用跟踪涡轮叶轮转动的附加探针 确定的期望到达时间之间的差值产生了包含叶片振动信息的信号。对该 信号进行傅立叶分析，以提取出叶片的振动频率和振幅。

为了限制叶片中的振动应力，可以为叶片设置各种结构以在叶片之 间形成配合的结构，该结构用来阻尼振动，以及以其它方式使得叶片结 构对于转子转动中产生的可能激励叶片的流动激励不产生响应。例如， 在一种已知的蒸汽涡轮叶片结构中，每一个涡轮叶片可在叶片外部边缘 设置外罩部，并具有前后罩接触面。在转子静止时，相邻叶片的前后罩 接触面通常由一小间隙分隔开，当转子开始转动时，它们运动成彼此相 接触，由此形成基本连续的周向罩结构。该周向罩结构基本上提高了所 有振动模式的固有频率，因此，减少了能够与转子转动速度的低频谐波 以及流动引起的非同步叶片激励产生的谐波相互作用的振动模式的数 量。而且，该周向罩结构倾向于基本上以每个振动模式的单一振动频率 进行响应，即与叶片排中的节径模式(nodal diameter pattern)相关联 的频率，其中，节径的数量等于振动发生时运行速度的谐波数量。

考虑通常由气动弹性(流动)效应引起的非同步振动，即：不是转 轴频率的倍数，为叶片设置罩和在沿着每个叶片长度的多个接触点处放 置接触点(例如减振器)严格地限制了叶片接收引起叶片振动的流动激 励力的能量的情况。也就是说，不仅仅是气动弹性激励力必须具有正确 的频率，它们还必须具有正确的受限的一系列节点模式。对于独立式叶 片来说，只有激励力的频率需要匹配。因此，带罩叶片排通常在大多数 流动激励下并不产生响应，甚至当流动能量中的频率含量与叶片的共振 频率匹配时也是如此。而且，由于所连接的带罩叶片增加了系统的刚性， 每个节点模式使得独立叶片的基本频率从独立叶片通常不增加刚性时 的情况偏移。

在已知的监测和分析带罩叶片结构中的振动的系统中(其中罩与叶 片一体成型)，可以在罩中设置目标体，其中通常为与叶片相关联的每 个罩部设置一个目标体，这样，每个目标体与一个叶片相对应。在大部 分现场测试和在线应用中，可以设置单个传感器以在目标体经过传感器 时检测每个目标体的到达。基于用每个目标体(即每个叶片)识别的数 据进行数据分析，这样，每个目标体位置的振动特性基于叶片排的多圈 转动被独立地分析，以表征连接的罩结构的振动特性。

发明内容