（动力机械及工程专业论文）汽轮机叶片振动动态测量方法与技术研究.pdf

摘要 本文采用理论与实验相结合的方法，研究汽轮机叶片振动动态测量方法与技术。 叶片振动动态测量主要有两种方法，一种是接触式的应变片法，另一种是非接触式间 断相位法的，本文重点研究叶片振动的非接触式测量方法。 在理论研究方面，本文结合传统的非接触式叶片振动测量方法，分析了基于该方 法测量叶片振动的基本原理，建立了相应的数学模型，并同实际情况相结合，改进了 叶片振动的计算方法，特别是振幅的计算方法。研究表明，改进的计算方法能获取更 高的计算精度，减少测量误差。同时，本文对基于应变片的测量方法也进行了研究， 并推导出了叶片振幅的计算公式。 实验台建设方面，本文对叶片动态特性实验台进行了改进设计，并对实验台进行 了改造。该实验台由空压机、储气罐、喷嘴、电机、转子及相应的管路系统组成，同 时开发出了叶片振动测试系统，利用该实验台可以完成叶片动态特性测量实验及叶片 碰磨减振实验。 利用l a b v i e w 开发平台，本文开发出了非接触式叶片振动测量系统和基于应变 片的接触式叶片振动测量系统。该测量系统主要包括数据采集模块、数据处理模块、 数据分析模块、数据保存模块及数据回放模块等，能实现对叶片动态特性的实时监测， 并可以通过数据回放模块进行离线数据分析。在实际进行叶片测量时，还需要进行叶 片编号，本文开发出了叶片编号的程序，该程序能够减小叶片节距不均匀带来的测量 误差，提高测量精度。 利用叶片动态特性实验台及其测试系统，本文进行了叶片振动的非接触式测量实 验，实验分为四个工况进行，并将测量结果与理论计算及基于应变片的接触式测量实 验结果进行了对比，做了误差分析，结果表明本文中的非接触式测量方法是切实可行 的。 基于以上的研究成果及其它研究者的研究成果，对将该系统应用到现场检测的可 能性进行了初探。 关键词：汽轮机，叶片，振动，非接触测量，测试系统 a bs t r a c t b yu s i n gt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw a y s ，m e t h o d sa n dt e c h n o l o g yf o rd y n a m i c m e a s u r e m e n to ft u r b i n eb l a d ev i b r a t i o nw e r es t u d i e d t h e r ea r et w od i f f e r e n tw a y st o m e a s u r et h ed y n a m i cp a r a m e t e r so ft u r b i n eb l a d ev i b r a t i o n ：o n ei sc o n t a c tm e a s u r e m e n t w h i c hi sc a l l e ds t r a i ng a u g e t e l e m e t r ym e t h o do rs t r a i ng a u g e s l i pr i n gm e t h o d ，a n o t h e ri s n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tw h i c hi sc a l l e dt i p t i m i n gm e t h o d i nt h i sp a p e r ，t h et i p t i m i n g m e t h o di sm a i n l ys t u d i e d o nt h et h e o r e t i c a ls t u d y ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a ln o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，t h eb a s i c t h e o r yo fb l a d e sv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t w a sr e s e a r c h e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e d t h eb l a d ev i b r a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o d ，e s p e c i a l l yt h em e t h o do fa m p l i t u d e c a l c u l a t i o nb a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o nw a sm o d i f i e d t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i si n d i c a t e t h a tt h e r ew i l lb eh i g h e rc a l c u l a t i o na c c u r a c ya n dl e s sm e a s u r e m e n te r r o rw i t ht h ei m p r o v e d m e t h o d i nt h i sp a p e r ，t h em e a s u r e m e n tb a s e ds t r a i ng a u g e - s l i p r i n gm e t h o dw a ss t u d i e d ， a n dt h ef o r m u l ao fa m p l i t u d ew a sd e d u c t e dt o o o nt h eb u i l d i n go fr o t o re x p e r i m e n tt a b l e ，t h eb e n c ho fb l a d ed y n a m i cc h a r a c t e r sw a s i m p r o v e da c c o r d i n gt h et h e o r yo fm e a s u r e m e n t t h ei m p r o v e dt e s t - r i gi sc o m p o s e do fa i r c o m p r e s s o r ，g a s h o l d e r ，t h r e en o z z l e s ，m o t o r ，a n dr o t o ra n ds oo n a ts a m et i m e ，t h e m e a s u r e m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e dt o o t h ee x p e r i m e n to fb l a d e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h em e c h a n i s mo fv i b r o i m p a c tc o u l db em a d eo nt h i sb e n c h w i t ht h eu s eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ml a b v l e w ，t h et e s ts y s t e mo fb l a d e s v i b r a t i o nb a s e dt h en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tt h e o r ya n ds y s t e mb a s e dt h es t r a i ng a u g e - s l i p r i n gm e t h o dw e r ed e v e l o p e di n t h i sp a p e r , w h i c hw e r ec o m p o s e do fs i g n a la c q u i s i t i o n m o d e l ，s i g n a lp r o c e s s i n gm o d e l ，s i g n a la n a l y s i sm o d e l ，s i g n a lp r e s e r v a t i o nm o d e la n dt h e d a t ar e c a l l i n gm o d e l w i t ht h eu s eo ft h et e s ts y s t e m ，t h eo n t i m ev i b r a t i o no fb l a d e sc a nb e m e a s u r e d t h en u m b e r sm u s tb eg i v e nt ob l a d e sw h e nt h eo n s p o tt e s ti sc o n d u c t e d ，s ot h e n u m b e rs y s t e mo fb l a d e sw a sa l s od e v e l o p e di nt h i sp a p e r o nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n te x p e r i m e n tw a sd o n ew i t h t h er o t o re x p e r i m e n tt a b l ea n dt h et e s ts y s t e m ，a n dt h et e s tr e s u l t sw a sc o m p a r e dw i t ht h e r e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h er e s u l t sb a s e do nt h es t r a i ng a u g e - s l i pr i n gm e t h o d s t u d yr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tm e t h o dm e n t i o n e di nt h i sp a p e ri s p r a c t i c a b l e o nt h eb a s eo ft h es t u d yr e s u l t sm e n t i o n e da b o v ea n dr e s e a r c hr e s u l t so fo t h e r i l i n v e s t i g a t o r s ，t h ep o s s i b i l i t yo fo n - s i t ea p p l i c a t i o no ft h en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n ts y s t e m d e v e l o p e di nt h i sp a p e rw a ss t u d i e d k e yw o r d s ：t u r b i n e ；b l a d e s ；v i b r a t i o n ；n o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ；t e s ts y s t e m i i i 。长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：砂移 ，v y 日期歹年鲫彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：羰世两 日期：b 呵年5 月i7 日 导始r i r 第1 章绪论 1 1课题背景及意义 1 1 1课题来源 本文的选题来源于湖南省自然科学基金重点项目“透平叶片阻尼减振结构的 优化设计理论与方法 ( 编号：0 6 j j 2 0 0 4 0 ) 。 1 1 2 研究的背景和意义 随着汽轮发电机组容量的迅速增大，汽轮机叶片所工作的环境越来越恶劣， 导致叶片事故时有发生【1 ，2 1 。异常振动是导致叶片损坏的主要原因之一，因此，旋 转叶片振动参数的测量技术显得尤为重要，并多年以来一直为从事叶轮机械设 计、研究、制造和运行人员所关注。这是因为：叶轮机械高速旋转下，激振力十 分复杂，叶片的几何型面扭曲，以及机组经常在变工况下运行，使得叶片振动具 有非常复杂的频率分布和振型。而叶片动态特性的计算所依据的理论还不尽完 善，理论计算结果与实际尚有距离【3 1 ，动态测量就成为获得叶片振动特性的重要 途径。 叶片在实际运行中，除了受到强迫振动以外，还存在着由于流体诱导的自激 振动【3 。1 ，使得叶片虽经调频避开各阶共振频率，但是实际运行机组中叶片断裂 事故仍时有发生，特别是大机组、长叶片处于调峰、供热、高背压或小流量工作 时，更出现了叶片振动加剧，动应力突增的现象。这些自激振动引起叶片断裂事 故，往往是从事叶片设计、研制人员所始料不到的。随着机组负荷的不断增加和 叶片结构的日益复杂化及叶片质量的轻型化，使叶片长而薄，刚性大大降低。由 于叶片在加工、安装时的误差，使整圈叶片在频率分布上存在着一定的分散度， 运行中会使某些不合格的叶片首先破坏1 8 - 1 3 。因此，迫切需要一种不仅能满足短 时间实验的需要，而且应该能够对机组叶片振动进行长期连续监视的叶片动态特 性测量系统，以保证机组的安全运行。当叶片共振或颤振发生时，叶片会出现强 烈的振动，并产生很大的动应力，容易导致叶片断裂。因此无论在旋转试验台上 对于叶片振动进行试验研究过程中，还是对于实物机组的运行进行监测时，都需 要测量叶片上由于振动所导致的动应力或振幅【h 】。测定叶片上动应力的传统方法 是应变计法，就是在叶片上粘贴电阻丝应变片，将信号输入到应变计显示出来。 这种方法所涉及的关键技术之一，就是如何将旋转叶片上的电信号引到静止的应 变计中来。根据所用的方法又可以进一步区分为应变计一集流器系统和应变计一 发报机系统。 这类方法的缺点之一，是在试验过程中只能同时监测很少几只叶片1 1 5 , 1 6 】。然 而当叶片发生振动时，无论是对于轴流压气机还是电站蒸汽轮机，在同一叶轮上 的不同叶片内的动应力数值相差很大，甚至可相差8 1 0 倍。在这么大的分散度 情况下，如若仅由整级叶片中的1 0 - 2 0 动叶片的应变测量结果，来判断振动 产生过程中叶片动应力数值时，其可靠性是不大的，有时甚至是十分危险的。应 变计法的另一个严重缺点是应变片引出线或发报机装置的可靠性不高，寿命不 长，而且安装不便。在很多情况下，使得应变计测量方法由于其复杂性而往往难 以进行，因此，有必要研究一种可靠性更高的非接触式叶片振动测量方法与技术。 本文的主要目的就是研究基于间断相位法的叶片振动测量方法，在对该方法 进行改进的基础上，开发非接触式“汽轮机叶片动态测量系统 ，该系统的特点 是能连续监测整级叶片的振动，并经过实验验证，该方法是切实可行的。利用这 种方法，我们可以监测整级叶片振动振幅；监测整级叶片的振动频率；在机组停 运时，可以找出受损叶片。 1 2国内外研究的现状 汽轮机叶片的振动特性研究一直是设计、运行部门所关注的问题。目前，在 叶片振动实验研究方面，国内外的一些公司与研究机构做了较多工作，而且取得 了很好的研究效果【l6 1 。1 9 3 4 年，美国西屋公司首次使用了光学系统( 反射镜) 对 运行的汽轮机叶片振动进行测量实验；上世纪5 0 年代，随着精密仪表的普遍发展， 广泛采用了应变片集流环系统来测量叶片的动频和动应力；1 9 5 8 年西屋公司首 次介绍了无线电遥测技术在测量叶片动频和动应力中的应用。上世纪六十年代， 西屋公司开始研究叶片振动的非接触测量方法，上世纪9 0 年代，西屋公司开发研 制出双探头叶片振动非接触测量装置，它不仅可以测量叶片顶部的偏转、异步振 动及扭振，还可用于分析汽轮机叶片的损坏情况，评价修复方案及检验重新设计 叶片的性能。上世纪九十年代，美国e p r i 的l i b e r t y 技术中心采用声发射探头研 制出一个s t a r s ( s t e a mt u r b i n ea c o u s t i cr e s p o n s es y s t e m ) 叶片振动非接触测量 系统，它可以测量叶片动频的变化、判断叶片级连接件的断裂、叶片失速颤振的 发生等，该系统已在电厂实际投入运行，且捕捉到两起叶片事故；此外，上世纪 七十年代，日本石川岛磨重及三菱重工研制了采用光学探头的非接触叶片振动装 置；1 9 5 7 年开始，前苏联采用电子射线非接触式装置间断相位法来测量叶片振动。 在我国，动态叶片振动测量工作开展也比较早。电力部西安热工研究院从1 9 6 5 年起开始叶片动应力无线电遥测的实验研究，并在多家电厂进行过实验测量，取 得了较好的效果，东方汽轮机厂，北京重型电机厂先后研制了非接触测量叶片振 2 动的电子监测器。南京工学院即现在的东南大学应用微型计算机技术开发了涡轮 机叶片振动非接触测量微机检测系统及装置。2 0 0 0 年开始，华北电力大学的安连 锁教授、丁常富教授及其研究生也进行了叶片动态特性测量方面的研究。 1 3 叶片振动测量方法的比较 汽轮机叶片振动振幅和频率的测量，自汽轮机诞生以来，一直是人们所力求 解决的难题。随着汽轮机功率的增加，末级叶片的加长，汽轮机叶片工作环境越 来越恶劣，使得这个问题更加重要，其测试技术从最初出现的光学测量法、应变 片集流环或无线电遥测系统到非接触测量方法，得到了迅速发展。对叶片振动测 量方法从是否有传感器或装置接触叶片可分为接触测量与非接触测量两种方法。 1 3 1接触式测量法 在接触式测量方法中，被测叶片与振动信号拾取组件是直接接触的，主要方 法有：光学方法、应变片集流环和无线电遥测法。 光学测量法：该测量系统是将一束光从轴的一侧射入，经轴中心孔反射镜， 由中心反射镜反射到粘贴于叶片顶部附近的小反射镜上，然后通过该小反射镜把 光线反射回中心反射镜，再由轴中心孔反射到荧屏上进行观察或照相，这种方法 对于小机组来说还比较实用，但对于现在的大型机组来说，已经不能使用该方法， 该方法曾成功应用于实验室和现场。 应变片集流环或遥测系统【1 5 】：该方法是将应变片粘贴到叶片上，用粘贴于 叶轮表面导线引入轴的中心孔至轴头处与集流环相连，信号由动态应变仪加以放 大后送分析仪进行分析。接触式集流环法由于其引线从轴的中心孔引出，且必须 从轴的端部连接集流环，因此在汽轮机轴上必须钻引线孔，机头前部又必须放置 集流环等。所有这些，使集流环法在现场运行的机组上使用受到限制，只能用于 实验室实验。随着无线电遥测技术的发展，在滑环的基础上发展了应变仪一遥测 系统。这一系统是通过装在平衡槽中的无线电发报机将来自叶片的振动信号发射 出去，由装在汽缸内部的天线将接收到的载频信号通过高频电缆穿过汽缸壁引到 汽缸外部的接收机进行解调，再由实时分析仪器分析处理，确定叶片的动频谱和 振幅。 不管是应变片一集流环法还是应变片遥测法，都是利用粘贴在叶片上的应变 片感应叶片的变形，从而引起应变片电阻的变化，然后通过桥路连接的方式，将 电阻变化信号转化为电信号的变化，然后通过采集设备采集变化的电信号送入计 算机进行分析。 3 1 3 2非接触式测量法 由于接触测量方法存在难以克服的缺点，从二十世纪6 0 年代开始，人们逐渐 将重点转向了非接触测量方法的研究上。非接触测量方法是在动叶片顶部上方安 装传感器，测量叶片通过传感器时的振动信号，经数据处理后，得到叶片振动状 态。主要方法有：脉冲调制法、间断相位法、声响应法、频率调制法以及激光测 量法【17 1 。 工作轮正上方安装传感器的脉冲调制法：这种方法由法国的h o l zr 提出， 其原理是在工作轮正上方安装有传感器，当叶片通过传感器时能产生出电脉冲， 在叶片没有节距差时，传感器产生的信号频谱中只包含有k z n 的频率分量( 其中， k 为整数，z 为叶轮上的叶片数，n 为转速) ，当叶片发生振动时，由于叶片端部 偏离中立位置，脉冲的重复周期性遭到破坏，脉冲将按相位而调制。这样就导致 在信号频谱中出现侧频分量，并且叶片振动的强度越大该分量也越大。该侧频分 量可用带通滤波器分出提取，其信号的幅值也就表示了叶栅上叶片振动的平均强 烈程度。但这种方法有一定的缺点，因为对于实际叶轮，总有一些叶片节距差， 因此即使叶片不振动，也会有侧频分量，从而在用于实际测试时，必须预先对装 置进行校正。该方法的另一个缺点就是它只能估计整个工作轮上叶片的振动状态， 而不能在工作叶轮上一个或数个叶片发生危险振动时发出警报信号。 间断相位法【”之4 】：这种方法最初由前苏联的萨勃洛斯基n e 提出，其基本思 想是在叶片顶端的汽轮机壳体上安装一叶顶传感器，在叶片根部安装一叶根传感 器及转子的其它部位安装一鉴相传感器。转子转动时，测量叶片顶端在叶顶传感 器近旁通过时的时刻，并将该时刻与叶片到达该传感器的预计时刻( 叶片到达叶 根传感器的时刻) 比较，从而得出叶片实际到达时刻与预计到达时刻的时间间隔， 根据这一时间间隔及转子转速和结构尺寸即可计算出叶顶的瞬间振动位移。通过 对时域图的信号分析可以得到叶片的振动频率和振动幅值。鉴相传感器可以实现 对整级的每一个叶片都进行测量。基于该原理，前苏联和美国采用不同形式的传 感器先后研制出了非接触叶片振动测量装置。其中前苏联利用其研制的电子射线 非接触测量装置对涡轮机叶片在不同工况下的振动特性进行了研究；美国西屋公 司研制的双探头叶片振动非接触测量装置，据报导，可对叶片顶部的偏转、异步 振动及扭振等进行测量，而且该装置还用来分析汽轮机叶片的损坏情况、评价修 复方案和检验新设计叶片的性能。在转子转速一定的情况下，转子每旋转一周， 传感器可收集转子上任一叶片的叶顶到达传感器a l 的实际时间以及叶片经过传 感器a l 和a 2 的时间间隔各一次，经处理可获得叶片的振动位移，测量一定圈数， 如n 圈，可得到转子上任一叶片的n 个振动位移，组成叶片振动位移序列。 声响应法f 2 5 】：它是使用无干扰、高灵敏的压电声传感器安装在低压缸导流板 4 或隔板上来确定动叶片出汽边汽流尾流脉冲。利用叶片声信号的多谱勒效应：当 其频率接近传感器的频率时信号频率上升，反之下降，专用的微处理计算机系统 从随机、宽带、汽流噪声、叶片通流脉冲及其它重复脉冲分离出叶片的声调谐特 征，从而确定叶片是否发生共振或颤振，叶片是否产生裂纹及裂纹产生的位置。 利用安装在轴端的两只高精度的激光转速表来测量扭振或轴翘曲。该系统已经在 美国南加州爱迪生电厂和费城电厂实际通用，且捕捉到两起叶片事故，取得了良 好的效果。 叶片端面嵌入磁铁的频率调制法：这种方法是在叶片端部截面上，压入一个 直径约为1 毫米、长3 毫米的磁铁，在叶片上方的壳体上安装一个锯齿形的导体， 该导体起一个产生电流的线圈作用。当带有磁铁的叶片通过该导体的时候，在其 上感应出接近正弦形态的电动势，其频率由转子的转速确定。当叶片端部振动时， 线圈中的信号按一定频率被调制，所调制频率的偏差取决于叶片振动振幅与频率 的乘积。信号引出后再对信号进行解调，还原成叶片的振动信号进行分析，确定 出叶片的振动强度。由于这种方法准备工作量大且复杂，因此在实践中没有得到 广泛应用，仅在实验室中对两个叶片进行了测量。 汽流参数动态测试技术【2 6 之8 】：该方法是在汽轮机汽缸内壁、面对叶片顶部固 定安装压力传感器，用该压力传感器测量叶片之间变化的汽流压力信号。由于叶 片故障而导致叶栅几何形状的改变会直接从叶片与叶片之间的蒸汽压力的大小变 化中体现出来，例如：叶片的弯曲或扭转会破坏叶片间气流压力分布的周期性； 叶片腐蚀、侵蚀、磨损、积垢等也会导致叶片间气流压力分布的变化，对于所有 的这些叶片故障，汽流压力的改变直接与叶片几何形状有关。因此，可以通过对 比叶片在正常状态下的汽流压力与发生故障后的汽流压力分布与大小的变化而达 到识别叶片故障的目的。根据目前的发展情况来看，该方法尚处于实验性研究阶 段，只能做到判别叶片几何变形的情况，还不能做到对叶片振动的有效测量。 激光测量法【2 9 0 1 】：随着激光技术和光电子技术、光纤技术的迅速发展，近年 来人们开始使用激光对叶片振动进行非接触测量，文献 3 0 】中提出了采用安装在 汽缸上的激光光纤传感器测量汽轮机叶片振动的非接触测量的技术，对测量系统 进行了探讨，并对实际转子进行了测量。在实际应用中也遇到一些问题，如激光 的不规则反射、窗口的污染、传感器耐用性等。与其它型式的传感器相比，激光 传感器的尺寸可以做的很小，更便于现场的安装，并且激光光纤传感器有抗电磁 干扰能力强、响应快、频带宽的优点，因此激光测量技术对叶片振动进行动态测 量具有良好的发展前景。 1 3 3两种测量方法的比较 为了更好的说明非接触测量方法的特点，对叶片振动非接触测量装置技术与 5 应变片一遥测技术进行比较。 叶片振动非接触测量技术与应变片一遥测技术进行比较主要有以下优点【1 6 ： 1 非接触测量系统传感器结构简单、运行可靠，可做长期测量；而应变片一 遥测技术受电池寿命、贴片、导线粘贴牢固程度的影响，难以做到长期测量；对 于非接触测量系统，目前人们不仅完成实验室阶段的测试工作，也经过现场测试。 2 传感器为非接触式，不影响流体的流动和叶片的振动，不会造成由于传感 器而引起的叶片安全问题；而应变片和连接导线对流体的流动、叶片的质量、刚 性、阻尼都略有影响。 3 可测量该级叶轮上每个叶片的振动。 随着信息技术和计算机技术的迅速发展以及各种先进算法的出现，对汽轮机 叶片振动状态进行测量成为可能。在众多的叶片动态测量方法中，非接触测量法 由于其结构简单、安装方便、测量范围广，不影响汽流流动和叶片频率及阻尼等 优点，将是今后我国叶片振动动态测量技术的发展方向。 1 4 本文的主要研究工作 本文主要完成以下研究工作： ( 1 ) 分析叶片振动形式及振动来源，掌握叶片动态特性计算方法。掌握间断 相位法测量叶片动态特性测量方法及原理，并针对实际研究对象，对方法进行改 进。研究应变片集流环测量叶片振动的原理，推导基于该方法的叶片振幅计算公 式； ( 2 ) 对叶片动态特性试验台进行改进，使其满足开发旋转叶片振动监测系统 开发的需要；根据实验台的布置情况及选定的测量方法，选择信号采集系统的硬 件型号，研究传感器的布置对测量精度的影响，并布置传感器； ( 3 ) 根据实验的要求，研究测试系统需要具备的功能及特性，开发旋转叶片 振动监测系统，使该系统具有数据采集、叶片振动频率分析、叶片振动振幅分析 的能力； ( 4 ) 利用开发出来的旋转叶片振动监测系统，开展叶片动态特性实验研究， 测量叶片在旋转状态下的振动频率和振幅，对实验数据进行分析整理，确定叶片 的动频。通过理论计算、应变片测量方法及非接触式测量方法相结合的方式，研 究非接触测量产生的误差及误差的来源，提出改进方法，并验证叶片振动动态测 量系统的正确性及其用于工程实际的可行性。 6 第2 章叶片动态测量方法研究 2 1叶片振动分析 2 1 1 叶片振动的来源与机理 叶片振动的来源主要是由于汽流的周期性激励和叶轮或转子的振动【3 2 1 ，汽流 激振力来自于汽流流场的不均匀。其产生的主要原因和主要频率特征见表2 1 。 表2 1 汽流激振力产生的原因和主要频率特征 上表中，n 表示转速，z 代表喷嘴数。 汽轮机叶片的结构、制造和安装是造成汽流流场不均匀的主要因素，具体表 现为形成叶栅尾迹扰动和结构扰动。其中，在叶片结构方面，可能造成汽流流场 不均匀影响的有喷嘴出口边缘厚度、部分进汽、抽汽口和喷嘴叶栅加强筋等；在 制造和装配中的制造安装误差造成出口角等不一致、隔板或叶片持环中分面结合 不良也会引起汽流流场分布不均匀【3 3 铷】。 当汽流绕流过静叶片时，附面层的存在使叶片表面的汽流速度为零，叶片出 口边缘有一定的厚度，从而在静叶片出口处形成不同于主流的尾迹区。尾迹区内 的汽流速度低于主流区。这样，在动、静叶栅的轴向空间内，汽流的速度场和压 力场沿圆周是不均匀的分布的。故对单个叶片而言，旋转一周所受的蒸汽作用力 是不一致的，从而引起汽轮机叶片的振动。 对于喷嘴调节的汽轮机，喷嘴组之间被不通流的弧段分隔开，并且各组喷嘴 数也不完全相同，所以圆周向是不对称的，当动叶片交替经过通汽的弧段和不通 汽的弧段时，所受的蒸汽压力也从有到无交替变化。 对级前有抽汽口的级，在抽汽口附近形成指向抽汽口的汽流，对应该区段的 喷嘴，上级的余速得不到利用，致使该处的喷嘴出口汽流速度低于该级的其它喷 7 组，导致喷嘴出口沿圆周速度场分布不均匀，从而也容易导致叶片的振动。 2 1 2 叶片振动的形式 1 切向弯曲振动 叶片在激振力的作用下绕叶片截面最小主惯性轴的振动称为切向振动【33 1 。 若叶片在激振力的作用下，其叶端振动，统称为a 型振动。随着共振频率由 低到高，叶片a 型振动的振型曲线上的节点也随之增加，如图2 1 所示。按照 节点数的由少到多，依次称为a o ，a l ，a 2 型振动，节点两侧的叶片振动方向 相反。 若叶片在激振力作用下其叶身振动，顶端不振动，统称为b 型振动。如图2 1 所示。根据b 型振动的节点多少，依次称为b o ，b l ，型振动。 儿 c a ) ，7 卜 ( i ) b j 端 ( f ) 图2 i 单叶片的切向振动振型 2 轴向弯曲振动 叶片绕叶片截面的最大主惯性轴的振动称为轴向振动。由于轴向惯性矩很大， 振动频率高，一般不易出现有节点的轴向振动，但轴向振动与叶轮振动联系在一 起，不利于安全运行。 3 扭转振动 叶片扭转振动是在激振力的作用下，其截面绕径向线所做的往复扭转振动。 这种振动一般在长叶级中出现。在扭转振动中，可能出现一条或多条节线，如图 2 2 所示。节线越多，扭振频率越高，节线两侧的叶片扭转方向相反，图中有单、 双、三节线的振型，分别称为t l ，t 2 ，t 3 ，型振动。 8 a 卜 伊，八0够w介影 t l 型振动t 2 型振动t 3 型振动 图2 2 叶片的扭转振型 4 复合振动 当扰动力不通过叶片截面重心时，叶片一般存在弯曲和扭转振动，其合成振 动称为复合振动，此时同时存在交变的弯曲应力和剪切应力，两种应力合成交变 的复合应力。 运行实践证明：在汽轮机中由于汽流不均匀产生的扰动力的作用方向主要沿 轮周方向，而叶片在这一方向上的刚度又小，因而较小的扰动力就可以激发切向 振动，所以切向弯曲振动是最容易发生而又最危险的一种振动。 2 1 3叶片静频率计算 汽轮机叶片的形状不规则，其振动特性的计算难以得到精确的结果，通常将 叶片简化为板结构或梁结构，采用集中质量法或传递矩阵法来计算其振动特性， 根据弹性体振动理论，经过简化模型，得到叶片自由振动的偏微分方程为【3 3 , 3 6 1 ： 面铲c 2 ( e i 伊v ) + 窘= ” ( 2 1 ) 通过分析推导出单个等截面叶片的静频率为： 厂= 譬序= 譬辱 2 ， 式中：e 一叶片材料的弹性模量，p 口； ，一叶片截面的最小形心主惯性矩，m 4 ； p 一叶片材料密度，哆厶，； 彳一叶片横截面积，m 2 ； m 一叶片的质量，堙； ，一叶片的高度，m ； 肼一叶片频率方程式的根，其值与叶片的振型有关，肼值有无限 个。 对式( 2 2 ) 进行整理，可以得到等截面悬臂梁固有频率的理论计算公式 为【1 0 】： z = ( 肼) ；驯p 么 ( 2 3 ) 式中，z 是叶片的第iv ，j f 自振频率，单位为h z ，k l 是固有频率系数，脚是截 面的抗弯刚度，p a 质量线密度。从上式中可以看出，叶片的自振频率正比于截 面的抗弯刚度，反比于质量线密度。肼其中的值如表2 2 所示【3 2 1 。 表2 2 一端固定一端自由的叶片的k l 值 据肼值再根据频率方程，即可得到一阶、二阶的频率比，若一阶频率为 以，二阶频率为4 ，三阶频率为以，则： 4 ：4 ：4 = ( 7 8 5 5 ) 2 ( 4 6 9 4 ) 2 ：( 1 8 7 5 ) 2 1 2 ：6 ：l 所谓叶片静频率就是指叶片在非旋转状态下的叶片自振频率。叶片的静频率 可以通过理论进行计算，但是由于在计算中对一些边界条件进行了简化，故计算 出的理论值与实际值会有偏差。 影响叶片自振频率的因素有工作温度、叶根连接刚度、围带和拉筋等。一般 情况下，叶片材料的弹性模量e 随温度的升高而降低，因此随着工作温度的变化， 叶片的自振频率也会发生变化。根据式( 2 3 ) ，工作环境温度升高，叶片的自振 频率将降低，反之则升高。同时从式( 2 3 ) 中还可以看出，叶片的自振频率与材 料的弹性模量e 的平方根成正比，可得出叶片频率的温度修正系数为【3 2 】： k t = 0e t e 媳 ( 2 4 _ ) 式中：e n 为室温2 0 c 下的弹性模量，e 为在工作温度f 下的弹性模量。 叶根连接刚度对叶片自振频率的影响比较复杂。我们在计算叶片的自振频率 时，是假设叶片根部为刚性固定的，但在实际中，叶片是安装在具有弹性的叶根 槽中，并且叶根本身也为弹性体，因此叶根与轮缘以及相邻的叶根间总会存在一 定的间隙，在离心力和蒸汽力弯矩联合作用下，叶根部出现松动，导致根部截面 处的位移和转角不为零，相当于增加了叶片的长度，使叶片的自振频率下降。 围带和拉筋对叶片的自振频率影响也比较复杂。安装有围带或拉筋的叶片， 主要受到两方面的影响，一是围带或拉筋的质量会分配到各个叶片上，相当于增 加了叶片的质量，使得叶片的频率有所下降；另一方面，它们对叶片的反弯矩则 使叶片抗弯变形的能力增强，相当于叶片的刚度增加，使频率升高。叶片频率究 竟是升高还是降低，要看这两种相反的影响因素中哪一个起的作用更大。一般情 1 0 况下，由于刚度增加使叶片频率升高的数值大于质量增加使频率降低的数值，所 以成组叶片的频率通常比单个叶片的同阶频率高。 2 1 4 叶片动态特性 转子高速旋转时，叶片由于自身质量产生的离心力近似于径向力，相当于在 叶片上作用一径向载荷，使得叶片的动频发生变化，尽管各截面所受的离心力沿 叶高而变化，但基本特征相同。离心力的存在，抵抗叶片的弯曲变形，相当于增 强叶片的刚度，因而使叶片自振频率升高。由于离心力正比于转速n 的平方，可 以推导出动频率以与静频率之间的关系为【3 7 。4 0 】： 以= 厂2 + 吃，1 2 ( 2 5 ) 式中：忍为动频系数，它主要与叶片的几何形状( 如叶片的径高比、叶顶与 叶根的面积比等) 和振动的阶次有关。对于等截面叶片4 型振动，其动频系数为 忍= o 8 0 - 0 8 5 ( 2 6 ) 式中：0 为叶片的径高比。对变频截面的叶片4 型振动，其动频系数为： 最：o 1 5 x + 0 0 4 9p + o 0 9 1 x + 0 0 1 1 一c o s 2 ( 2 7 ) 。0 2 0 6 x + 0 0 5 l 0 2 0 6 x - i - 0 0 51 式中：x 为叶顶、叶根面积比，即x = 4 a o ；为最大惯性轴与轮周向夹角的 平均值，即= 鲁屏+ i 1 屏。 2 2 间断相位法 间断相位法是原苏联提出的非接触测量法。采用安装在机壳内壁上的脉冲传 感器测量旋转叶片项部通过传感器探头时产生的脉冲信号。间断传感器可以实现 对整级的每一个叶片进行测量【4 。 2 2 1间断相位法的测量原理 如图2 3 所示：s 为一叶尖传感器，在转速恒定且叶片不发生振动时，我们 可以知道在某一时刻t 叶片所在的位置为4 ，4 可以通过鉴相传感器测得的汽 轮机转子转速以计算出来，如果我们假定传感器所在的位置为参考位置，则叶尖 每次到达该位置的时间为：z = 2 n i l 嘭，式中，织表示叶轮每转过一圈时的平均角 速度，如果设叶轮每转过一圈由传感器足测得的时间差为，则z 还可以表示为： z = i * t i 。在这里，可以看成是整个测量过程的瞬时速度。如果叶轮在旋转过程 中叶片发生振动，很显然，在我们通过理论计算时间z 时刻，叶尖的位置彳不一 定会处在4 的位置，相反，在多数情况下都会偏移这个位置，为了算出在z 时刻 叶片的具体位置彳，我们需要假设几个常量：叶片的振幅a ，叶片的振动角频率魄， 叶片长度，和一个常数c ，c 表示在我们开始计算时刻起，即霉= 0 时叶尖偏移平 衡位置的角度。有了以上几个假设量，在叶片振动的情况下可以推 1 4 0 , 4 1 】： q = 霉哆+ a s i n ( c o b t f ) 宰2 x l + c ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中，由于霉木哆= 2 删，则q = a s i n ( c o b t ，) 宰2 n l + c ，q 为角度量，在 该式中，由于假设的几个参数在单传感器测量中难以确定，故采取下面的计算方 法女卜理。 传感器s 。 图2 3 叶片振动测量原理图 以s t 测量到的时间乞为参考，s t 测量到的时间岛相当于s 在叶片没发生振动 时测量到的时间( 由于布置在叶根，所以无论叶片有无振动，在转速一定的情 况下，乞是一个等差序列) ，用墨测量到的时间气减去t d ，即a t , = 气一t d ，如果每大 于零，表示叶尖比叶片不振动时要后到达墨，根据图2 3 所示的旋转方向，我们 可以算出叶片在这个缸的间隔内旋转的角度为： q = q 幸a t , ( 2 9 ) 叶片振幅的确定：根据式( 2 9 ) ，i 拳，i 越大，说明叶片偏离平衡位置的位移 越大，如果偏离平衡位置达到最大值，则可以说该最大值就是叶片振动的振幅。 根据统计学的原理，振幅可以表示为： a = m a x ( 1 宰，| ) ( 2 1 0 ) 2 2 2叶片振动动态频率的确定 根据采样定理，一个带宽限制在( o 以) 的模拟信号吃，唯一地由一系列 时间间隔不大于专的均匀采样值确定【4 4 4 6 1 。对t - - p , 叶片而言，转子每旋转一 z jk 周才获得一个叶片振动位移，而汽轮机叶片振动频率远高于转子的旋转频率，假 设叶片的振动频率是转子旋转频率的k 倍，为了满足采样定理，每只叶片顶部振 1 2 动位移的测量次数每一转必须不少于2 k 次。这就意味着沿叶轮圆周安装的传感 器应不少于2 k 个。但安装多只传感器工艺复杂，费用较高。在叶片顶部安装两 只传感器虽然降低了安装费用，但只能从叶片振动位移序列恢复叶片实际振动频 率的差频部分。叶片的高频振动( 3 0 0h z ) 对叶片的工作性能影响很小，所以一 般只关心叶片的低频振动。叶片的低阶动频较易算准，与实际振动频率相差较少， 所以叶片的低阶振动频率的整频部分由低阶计算动频获得。 假设转子的旋转频率为，叶片的某阶振动频率为厂，则据参考文献 19 】可 得 f = ( m 锄) ， ( 2 1 1 ) 式中：m 为整数；a m 为小于0 5 的正小数。 从式( 2 1 1 ) 可获得叶片实际振动频率的整频部分为f m 。当a m 为零时，叶 片的振动频率为转子旋转频率的整数倍，叶片将发生同步共振，这时可按速矢量 端迹法获得叶片的实际振动频率。本文主要讨论a m 不为零的情况，在a m 不为零 的情况下，对叶片振动位移序列y ，( f = o ，l ，2 ，加进行f f t 变换 2 ” y ( 矿) ：n - - i y i e 吖i 破 ( i ：0 , 1 ，2 ，n )( 2 1 2 ) n = 0 由频谱图可获得叶片的实际振动频率的差频部分a m f , 。最后将叶片振动频率 的差频与整频m y , 相加即可获得叶片的实际振动频率。 在叶片顶部只安装两只传感器，采集到的叶片振动信息不能如实反映叶片振 动信息的原貌，所以采用如下方法构造叶片振动的原始信息来获得叶片振动频率 1 3 1 1 。 设叶片振动的时间信号为j ，( f ) ，叶片旋转一周的时间为r ，频率正= ，叶 片经过叶顶传感器彳。、a 2 的时间间隔a t = ，两传感器所采样得到的信号序列 分别为： y l ( 功= y o ) j f = ，l r = y ( n 乃 ( 2 1 3 ) y 2 0 ) = y o ) l f ：，l r + & = y ( n t + ) ( 2 1 4 ) 取分析频率厶= 古= 等= m f , ，且叶片振动频率厶 0 8 n e ( 1 ，n ) ( 42 ) 上式中，n 为整个信号中的数据点数，0 8 是一脉冲修正系数，以保证其能检 测到每一个脉冲，其值丈小可以根据信号的特点来取，如果噪音信号太大，则该 系数应取小一些，如果信号比较规则则应取大一些，但如果噪音信号的幅值大 于，2 ，则此设定无效，因此在选取该值时，要考虑到噪音的影响因素来设定。 酗47 脉冲信号 数据处理模块的流程国如图4 8 中a 所示，首先，该模块接收来自数据采集 模块送来的数据，通常这部分包含有l ，4 j ：到l ，2 正个数据点。然后应用公式( 4 2 ) 对每个数据点进行逐个扫描，并判断其是否满足条件，如果满足，则将此时的n 存a 寄存器中，以备进一步