（工程热物理专业论文）汽轮机叶片振动状态监测的实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文综合了国内外叶片振动测量技术的现状与发展，提出了用叶端定时测量 法来测量叶片的振动幅度和频率，该方法只需在叶片顶部安装两个叶尖定时传感器，在 转子的适当位置安装一同步传感器，就可以测量整级叶片的振动，克服了传统应变片测 量法仅能测量某几个叶片，应变片寿命低，可靠性差等缺点。并且研究了汽轮机叶片动 态监测实验系统，编写了动频计算程序。用实验验证了叶端定时测量法计算模型是正确 的，叶端定时测量法有良好的发展前景。 关键词：叶片，振动，叶端定时测量法，数据采集，频谱分析 a b s t r a c t i nt h i st h e s i st h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gb l a d ev i b r a t i o ni n c h i n aa n do t h e rc o u n t r i e si ss u m m a r i z e d 曲o r d e rt og e tt h ev i b r a n ta m p l i t u d ea n d f r e q u e n c yo fat u r b i n eb l a d e ，am e t h o dc a p a b l eo fm e a s u r i n ge a c hb l a d ei nar o t a t i n gr o w t h a t c a l l e dt i p t i m i n gm e a s u r e m e n ti sp r e s e m e di nt h i sp a p e lt h em e t h o do f f e r ss o m eu n i q u e a d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a ls t r a i n - g a g em e t h o d o n l yt w os e n s o r so v e rt h et o po fb l a d e sa n d o n e s y n c h r o n o u ss e n s o ro f t h er o t o ra y eu s e dt og e tt h ee x a c tv i b r a n ta m p l i t u d ea n d 疗e q u e n c y o ft h ee a c hb l a d ei nar o t a t i n gr o w , a n da tt h es a m et i m em o r ee x a c tr e s u l t sa r eo b t a i n e da n d t h el i f eo ft h es y s t e mi sp r o l o n g e d m o r e o v e rah i 曲a c c u r a c ys y s t e mo fv i b r a t i o n m e a s u r e m e n to nr o t a t i o n a lb l a d eh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n daf r e q u e n c y c o m p u t ep r o g r a mi sc o m p i l e d t h ev a l i d a t i o na n dw e l lf o r e g r o u n do ft h em e t h o di sv e r i f i e d b ya ne x p e r i m e n t x uc h a n g ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f a nl i a n s u oa n da s s o c i a t ep r o fl vy u k u n k e yw o r d s ：b l a d ev i b r a t i o n ，t i p t i m i n gm e a s u r e m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s p e c t r a la n a l y s i s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽轮机叶片振动状态监测的实验研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。掘本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 圭迫日期：童盟：丝2 ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盟扭 导师签名： e t期：壁：! ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第一章引言 电力生产量是一个国家经济发展水平的重要指标之一，电力工业是现代化国家 的基础工业之一，它的发展直接影响着国民经济的发展速度。在火力发电厂和核电 站中，绝大多数是以汽轮机带动发电机来生产电能的，汽轮机发电机组为人类提供 了8 0 1 1 1 左右的电能。叶片是汽轮机中的重要零部件，在汽轮机中承担着把把蒸汽 的热能转化为机械能的重要任务。叶片在运行过程中不仅要承受离心拉应力、汽流 弯应力及汽流脉动所造成的动应力，对高温，高压部分还要倒到材料的蠕变，固体 颗粒的腐蚀作用：对低压湿蒸汽部分还会受到因水质不良所造成的腐蚀作用等。随 着电力工业的发展以及电、热用户的特殊要求，使得各大电网的峰谷差越柬越大， 迫使一些大机组也要参与调峰，汽轮机的调节缴叶片和低压未几级叶片经常处于各 种非设计工况，使叶片工作环境更加复杂且恶劣，对叶片安全不利。叶片的安全隐 患增加，调查表明，运行中叶片事故约占汽轮机事故的4 0 ”。掘不完全统计叶片 的检修费用约占汽轮机检修费用的5 0 5 f 3 i ，其中大部分是由于叶片的振动疲劳断 裂所致。 叶片事故轻者将使汽轮机效率降低，严重者将引起恶性事故，造成不可弥补的 损失。为了保证机组的安全运行目前采用的方法是定期维修法，但是在实际运行中 叶片的准确状况难以估计，要么维修过剩，要么维修不足，很难达到维修合理。要 达到预知维修的阶段，就主要依靠叶片振动状态在线监测系统的完备。旋转叶片振 动参数的测量技术，出于其重要性和复杂性，多年来一直为从事叶轮机械设计、研 究、制造和运行人员所关注f 4 】。这是因为由于叶片在加工、安装时的误差，使整圈 叶片存在着很大的分散度，会使某些不合格的叶片首先破坏。而且随着级负荷的增 加和结构的r 益轻型化使叶片长而薄，刚性大大降低。另外叶轮机械高速旋转，激 振条件复杂，叶片的几何型面扭曲，以及机组经常在变动工况下运行。使得叶片振 动具有非常复杂的频率分却和振型。而振动计算所依掘的理论还不尽完善，理论计 算结果与实际尚有距离。除了研究较多的强迫振动以外，还存在着由于流体诱导的 自激振动。使得叶片虽经严格调频，避丌各阶共振频率，但是实际运行机组中断叶 片事故仍时有发生。特别是大机组、长叶片处于调峰、供热等高背压、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。因此，迫切需要一种不仅能满足试 验室短时间实验的需要，而且应该实现对机组叶片振动长期的、连续的监视，以保 证机组的安全运行。但是目前对叶片振动的监测还没有一个公认的行之有效的方 一兰些坐垄叁堂堡堂笪丝奎 法。 叶片振动监测装置是通过将拾振器安放在汽缸内部人无法接近的部位，拾取振 动信号，结合计算机的信号处理技术，对机器进行故障诊断。由于其良好的在线性、 遥感性与提取信号的方便性，使诊断可以在机器工作状态下进行，做到在线故障监 测与诊断，近年来随着科学技术的进步，对叶片振动特性进行在线监测已经成为可 能。由于条件限制，对叶片振动状态在线监测的研究首先在实验环境下进行。 1 2 叶片振动状态监测的国内外研究动向 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f i i ，在叶 片振动实验研究方面，国内外的一些公司与研究机构在叶片振动特性研究方面做了 不少工作，而且取得了一些很好的效果。美国西屋公司1 5 1 采用双磁电探头、美国e p r i 的l i b e r t y l 6 1 技术中心采用声发射探头、r 本石川岛播磨重工业及三菱重工采用光学 探头等非接触叶片振动测量装置，苏联采用电子射线非接触式装置日j 断相位法测量 叶片振动【7 1 。 在国内西安热工院自1 9 6 5 年起应用应变片一无线电遥测技术进行叶片动频和 动应力的测量f s 】，已在多个电厂进行过实际测量，效果较好，但由于其使用寿命的限 制不能对叶片进行长期监测；该方法是在叶片上粘贴电阻应变片，利用宝装在轴上 的无线电发射装置将应变信号送到叶轮机械的外部，经放大、滤波等前置处理后， 进行分析记录。i 幺方法测量精度高，但是在众多的叶片粘贴应变片很繁琐，布线复 杂，可靠性差。南京工程学院的郑叔琛教授研制的“y f w 1 型叶片振动监测装置”， 9 1 年成功的为山东辛电电厂2 0 0 m w 的术级6 8 0 m m 叶片进行了测量，经过一个大 修期的检查，整个装霄完好。该系统是基于“非接触式一问断相位”采集信号的原 理，即不需要在旋转叶片上粘贴电阻丝应变片，而只在j 下对叶片顶部的汽缸上面安 装传感器。当叶片经过传感器时，该传感器间断相位采集叶片脉冲信号。目前该装 置可测出该级各叶片的叶顶振动位移、叶片动频。随着激光技术和光电子技术、光 纤技术的迅速发展，激光技术在高速旋转的振动测量中展现出广阔的应用前景。佛 山科学技术学院的王字华致力于“叶端定时测量系统1 9 j ”的研究，通过对叶片相对 位移的测量，来分析叶片的振动特性。德州师专的王蜂把激光全息技术i lo j 应用于叶 片振动的测量，并通过实验验证了该方法的可行性 综上所述，目前就振动的测量方法来说，可以分为接触式和非接触式两大神 接触式测量方式中被测叶片与振动信号的拾取元件是直接接触的。西屋公司运用反 光镜对运行中汽轮机叶片的振动的测量是最早的接触式铡量法。而五十年代丌始的 粘贴应变片的对叶片进行测量成为了广泛使用的方法。由于接触测量方法存在难以 克服的缺点，于是自2 0 世纪6 0 年代，人们逐渐将重点转向了非接触测量方法的研 华北电力大学硕士学位论文 究。在非接触式测量方法中，被测叶片与测量元件是不接触的。在用非接触测量方 法来获取叶片的振动信号方面，人们在理论及实验上进行了大量研究，主要方法有 在叶片端面嵌入磁铁的调频栅法、工作轮正上方安装传感器的脉冲调制法、间断相 位法、声响应法等，随着激光技术的发展，近年来人们开始使用激光对叶片振动进 行非接触测量。 1 3 本课题主要研究内容 在上述的研究背景下，本课题以汽轮机叶片振动参数的测量为主要方向，着重 研究汽轮机叶片的振动特性、振动的非接触式测量法以及监测系统。 本课题的主要工作有： ( 1 ) 汽轮机叶片振动特性理论的研究。 ( 2 ) 分析研究国内外汽轮机叶片状态监测现状与发展。 ( 3 ) 建立了叶端定时测量法的数学模型，编写汽轮机叶片动频计算程序。 ( 4 ) 设计了叶片振动的实验装置及数掘采集系统，对实验叶片振动进行测量，验 证了叶端定时测量法的可行性。 华北电力人学硕十学位论文 2 1 概述 第二章叶片振动特- 陛理论研究 运行实践表明，汽轮机叶片除了承受静应力外，还受到因汽流不均匀产生的激 振力作用。该力是由结构因素、制造和安装误差及工况变化等原因引起的。对旋转 的叶片来说，激振力对叶片的作用是周期性的，导致叶片振动，所以叶片是在振动 状态下工作的。当叶片的自振频率等于脉冲激振力频率或为其整数倍时，叶片发生 共振，振幅增大，并产生很大的交变应力。为了保证叶片的安全工作，必须研究激 振力和叶片的振动特性，以及叶片在动应力的作用下的承载能力等问题。 2 2 旋转叶片振动测量参数 2 2 1 汽轮机叶片振动的类型 振动类型按激振力的有无及其特点分为自由振动、强迫振动和自激振动。 自由振动是指振动系统在无交变外力作用下所发生的简谐振动。自由振动的频 率仅取决于振动的物理参数。对于单自由度系统，振动频率取决于系统的质量和刚 度参数；对于多自由度系统，其取决于系统的质量矩阵和剐度矩阵，亦可看成取决 于系统的边界条件、几何情况与材料参数。 强迫振动是指振动系统在周期性交变外载荷或位移作用下所产生的振动。它是 由外界激振力激起的，并以外界激振力频率振动。如气体尾流激振力和旋转失速造 成的气体激振力使叶片产生振动均属强迫振动。当外界激振力的频率与振动系统的 固有频率相同时，振动系统会产生强烈振动，即出现共振现象。 自激振动是指受自激力作用所产生的振动。它不同于自由振动和强迫振动。这 种振动不是出周期性外载引起的，而是因结构或工作条件等原因由汽流所诱导的振 动。一旦出现这种振动，则系统会不断从汽流中吸取能量，因而激发系统自身的振 动。如果振动系统的阻尼耗能不足以抵消系统所吸收的能量，则随着能量的不断积 累，振幅越来越大，振动应力也迅速增大，很快即会因系统的振动疲劳而使结构出 现裂纹乃至断裂。叶片的颤振即属于自激振动。 2 2 2 叶片振动的基本物理参数 振动的物理参数主要有振动频率( 静频和动频) 、振型( 振动模念) 以及振动 应力等。 振动频率是指振动系统每秒振动的次数，也可用圆频率口= ( 2 矿) 表示。各类振 4 t 华北电力火学硕十学位论文 动均有其相应的各阶振动频率，振动阶次越高，振动频率值越大。汽轮机转子各组 件的固有振动频率( 即自振频率) 包括动频( 即旋转态固有频率) 与静频( 即非旋 转态固有频率) 两种。静频仅取决于构件的材料特性、几何特性及边界条件，与外 界因素无关；动频是指组件旋转时在离心力作用下的固有振动频率，它随着转速变 化而变化，是转速的函数。由于转子各组件均为连续弹性体，故有多阶固有振动频 率。动频和静频是不相同的，有时候相差很大，但静频和动频之问有一定的关系， 可以通过实验获得，或根掘经验公式估算。实际工作状态下的动频为序：詹+ 肌：， 其中b 为动频系数，对于复杂和高阶的振型，曰值只能通过实验直接测定，疗为工 作转速。 振型是指振动系统以某阶频率振动时，其系统中各点的振动位移的相对关系。 振动过程中系统中各点距平衡位置的最大距离称为振幅。振幅为零的各点的连线称 为节线，根据节线的数目及其分布规律可以判断结构的振动形态。叶片除了产生弯 曲振动外，还有扭转，复合振动。 振动应力是指振动系统在振动位移变化时，由系统变形所形成的交变应力在 自由振动分析中，它只是一种相对应力分布情况。在强迫振动中振动应力是由交变 激振载荷所决定。在振幅和周期保持不变的稳定强迫振动中，系统承受一定的振动 应力，经过若干次循环，特别是共振发生后，系统就会产生疲劳，g j 现裂纹，甚至 断裂。因此，强迫振动的振动应力分布与系统中故障裂纹出现部位有关，它是预估 振动系统寿命的重要根掘。 2 3 激振力产生的原因及其频率计算 叶片的激振力是由级中汽流流场不均匀所致的，造成流场不均匀的原因很多， 归纳起束可以分为两类：一类是叶栅尾迹扰动，另一类是结构扰动。当叶片自振频 率与激振力频率相等时，无论激振力是脉冲形式还是简谐形式，都会使叶片发生共 振。当自振频率为激振力频率的整数倍时，只有脉冲形式激振力才会引起叶片共振。 当自振频率等于激振力频率或i j 者是或者的整数倍而共振时，称为两者合拍。在汽 轮机中，叶片的激振力都是以脉冲形式出现的。以频率高低来分，激振力可以分为 低频激振力和高频激振力两大类。 2 3 1 低频激振力 2 3 1 1 低频激振力产生的原因 低频激振力的产生主要与结构因素有关： 1 ) 若个别喷嘴损坏或其加工尺寸有偏差，如节距或出口面积不均匀，喷嘴片 安装角有偏差，则动叶片每旋转到这里就受到一次扰动力。 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 上下两隔板接合面处喷嘴错位，或隔板接合面有问隙，叶片每旋转到这里， 同样受到一次扰动力。 3 ) 级前后有抽汽口，在抽汽口附近喷嘴出口汽流的轴向速度比其他地方小， 从而引起扰动。 ? 4 ) 高压级采用窄喷嘴时，为了保证隔板的强度和刚度，在窄喷嘴| ；i 圆周向均 匀地设置了加强筋，它对汽流产生扰动。 5 ) 采用喷嘴配汽方式，每两个喷嘴组之间被不通汽的弧段隔开，且沿圆周向 不一定对称叶片经过调节汽门开启的喷嘴弧段时，受到瓦的作用，叶片经过不通 汽的弧段时，瓦= o ，引起低频激振力。 2 3 1 2 低频激振力频率的计算 ( 1 ) 对称激振力若引起汽流扰动的因素在圆周向是对称分布的，则低频激振 力的频率为 丘= k n( 2 一1 ) 式中，k = 1 , 2 ，3 ，指一个圆周内的激振力次数；疗是动叶的转速，对电站汽轮 机，n = 5 0 r s 。 ( 2 ) 非对称激振力若引起汽流扰动的因素在圆周向是非对称的，这时低频激 振力频率应按下述方法计算。如喷嘴配汽有两个不通汽弧段彼此相隔万2 角度，动 叶以转速n ( r s ) 旋转，则每秒转过27 t r 弧度，动叶由第一个激振力至第二个激振 力所需时间( 即周期) 为 r = 丝= 去( 2 - 2 ) 2 r m4 疗 即低频激振力频率厶= ：4 疗。当然，该两激振力也可以认为相隔誓弧度， 这时低频激振力频率应是= 三4 胛。 2 3 2 高频激振力 高频激振力是由喷嘴尾迹引起的，它使喷嘴出口流速沿圆周向分布不均。由于 尾迹区作用力比主流区小所以动叶每经过一个喷嘴片受到一次扰动。 ( 1 ) 全周进汽的级该级喷嘴沿圆周方向均匀分白的，高频激振力频率为 厶= 乙疗 ( 2 - 3 ) 式中，= 。是级的喷嘴数，一般z n = 4 0 9 0 ，因而引起的激振力频率较高，故称 为高频激振力。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 部分进汽的级调节级的未开调节汽门的喷嘴也包括在不进汽弧段内，设 部分进汽度为p ，进汽弧段内共有z 。个喷嘴，级的平均直径为丸，则平均直径上的 节距f 。= p 碱z 。，动叶每经过一个节距所需时间为 。 r = 圭= ( 2 4 ) 删nz 玎 即部分进汽级喷嘴尾迹引起的高频激振力频率为 0 = 去= 卫疗= 乙甩( 2 - 5 ) 式中，z 。= z 。e 称为当量喷嘴数，相当于按部分进汽喷嘴数z 。的节距，把喷 嘴片布满全周的喷嘴数。 2 4 叶片与叶片组的振型 单个叶片或叶片组在激振力作用下发生强迫振动时，其振动类型分为两大类： 一类是弯曲振动，包括切向和轴向弯曲振动：另一类是扭转振动。 2 4 1 单个叶片的振型 2 4 1 1 单个叶片的弯曲振动 ( 1 ) 切向振动叶片在激振力作用下最容易绕最小主惯性轴( 即沿最大主惯性 轴方向) 振动。由于一般叶片的最大主惯性轴方向与轮周切向夹角较小，故把叶片 沿最大主惯性轴的振动称为切向振动。 若叶片在激振力作用下振动，其顶端也振动，通称为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下不动的节点也随之增加，如图2 1 所示。 按振型曲线上的节点数由少到多，依次称为a 。、a 。、a ：型振动。节点两侧叶片 的振动方向相反。 若叶片在激振力作用下其叶身振动，而顶端不振动，则通称其为b 型振动，如 图2 一l 所示。根掘b 型振动的节点数由少到多，依次为b o 、b i 、b 2 型振动。 上述振型中，a 。型最危险，b 。型次之。 业亚亚皿皿 a o 型振动a i 型振动a 2 型振动b 0 型振动 b l 型振动 b 2 型振动 圈2 一l 单个叶片的切向振动振型 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 轴向振动叶片绕最大主惯性轴( 即振幅沿最小主惯性轴方向) 的振动称 为轴向振动。由于轴向惯性矩大，振动频率高，一般不易出现有节点的轴向振动， 但轴向振动易与叶轮振动联系在一起，可能不利于安全运行。 2 4 1 2 单个叶片扭转振动 叶片扭转振动是指叶片在激振力的作用下，其截面绕径向线( 又称节线) 所作 的往复扭转振动，这种振动常在长叶级中出现。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 i ，t 2 ，t 3 型振动。 t 一型振动t 2 型振动t 3 型振动 图2 - 2 叶片的振型 2 4 2 叶片组的振型 用围带或拉筋连接成组的叶片组振动，叶可以分为弯曲振动和扭转振动两种类 型。 2 4 2 1 叶片组的弯曲振动 ( 1 ) 切向振动叶片组的切向振动与单个叶片的相同。根掘项部是否参加振动， 也可以分为a 型和b 型两种。 叶片组a 型振动如图2 3 所示。根掘节点数由少到多分为a 。、a 。、a ：型振 动。其中a 。最危险。组内各叶片在围带的联系下，振动频率必然相同。 叶片组b 型振动中如图2 3 所示，没有节点的b 。型振动最危险。若叶片组中 心线两侧等距离的叶片振动相位相反，称为b 。型振动，中心线两侧等距离叶片对 围带的作用力刚好相反，敌两侧作用于围带的力互相抵消，因而围带不动。若叶片 组中心线两侧等距离的叶片振动相位双双相同，称为b 。型振动，这时中心线左侧 叶片对围带的作用力基本平衡，右侧办然，两侧作用力综合后田带不动。由于叶顶 不动，围带不起统一各叶片振动相位的作用( 不像a 型振动) ，故组内各叶片的振 动频率不同，这就使所有叶片的振动频率都要避丌激振力频率比较困难。共振区的 范围增大了。随着共振频率的由低变高，b 型振动的节点数也随之增加，按节点数 由少到多，依次称为b 。、b ：振型。 8 华北电力火学硕十学位论文 幽衄脚 a o 型a l 型 a ，型 皿哑皿哑 b o l 型 b0 2 型 图2 - 3 叶片组振型曲线 ( 2 ) 轴向振动当叶片组作轴向振动时，同组中两部分叶片各作反方向振动， 围带上出现不振动的节点，如图2 - - 4 ( a ) - 与( b ) 所示。这种振动往往与叶轮的振动类 型有关，且每一叶片的振动同时伴随有叶片的扭转振动。 2 4 2 2 叶片组扭转振动 叶片组的扭转振动也分为两类：一类是组内各叶片的扭振，又称为节线扭振， 如图2 4 的( c ) 、( d ) 、( e ) 所示分别为单节线，双节线与三节线扭振；另一类是叶片 组振型，又称节点扭振，如图2 - 4 的( a ) 称为单节点扭振，( b ) 称为双节点扭振后两 种扭振都是轴向振动中伴随出现的叶片的扭振。 9 c a ) ( b ) 华北电力大学硕士学位论文 麟筒雠 ( c )( d ) 图2 - 4 叶片组的轴向振动和扭转振动 图2 - - 4 中：( a ) 为轴向x 型振动；( b ) 为轴向u 型振动 为双节线扭振：( e ) 为三节线扭振。 2 5 振动特性和稳态应力的计算 2 5 1 叶片振动特性的计算 ( e ) ( c ) 为单节线扭振；( d ) 叶片的振动特性包括振动频率和振型，对叶片振动特性计算在数学上即为求解 叶片自由振动方程所表达的广义特征值问题。 k = 阻人】 ( 2 6 ) 式中：p 伪特征向量矩阵即叶片的振型 睁卜 和。) 扣： 扣。 】 【a 】为特征值矩阵即叶片振动频率 a 卜d i a g c o j ( i = l 2 ，n ) 求解叶片静频时刚度矩阵k 】= k 。l 求解动频时k 】- 医，】+ k 。】一q 2 【恤】。 对方程( 2 6 ) 所描述的广义特征值问题可采用予空间迭代法求解【1 5 】。 2 5 2 叶片稳态应力计算 叶片在工作状态下的稳态应力由静力平衡方程求解。 ( k 卜q 2 阻。d p = q 2 阻；卜 乃) ( 2 7 ) 对大刚度短叶片，上式中一q 2 m 】可以略去；但对大扭曲度的长叶片，除需要 计入离心力在位移场中的变化量一q 2 l 肘。】外，还应考虑几何非线性问题，p , p 刚度矩 阵k m 节点位移) 白勺变化，需多次迭代计算直到p ) = ”一p ”满足精度要求。求 得节点位移后，即可获得稳念应力。 p 】= 【d p 】 ( 2 8 ) 1 0 华北电力大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章叶片振动动态测量技术及其发展 由于汽轮机组的旋转叶片随着压力负荷和转速的提高，不时会发生叶片的振动 及失速颤振。在稳定或不稳定的汽流作用下，加上转子系统本身的振动特性，叶片 产生振动和失速颤振，可能导致叶片折断。在高速运转过程中，一个叶片的折断往 往会造成整台汽轮机的完全损坏，尤其在新型号的研制过程中，未知因素甚多，研 制人员多半凭经验工作，带有相当的冒险性，因此迫切需要一种能够实时监测叶片 振动状态的监测系统。由于汽轮机是高速旋转的，所以叶片的振动测量是相当复杂 的技术问题，传统的接触式测量方法很难做到同时监测同级的所有叶片的振动情 况，因此国外一直在致力研究一种非接触式的旋转叶片振动测量新技术一叶端定时 测量技术 1 6 - 2 3 j 。 国外的发电和化工透平设备都己配备有实时振动监测系统，但所监测的设备都 是长期处于恒稳转速工作状态，监测的工况较为单一，只需要监测系统每隔四小时 或更长时间显示一次监测结果。这类基于在线数据采集、离线处理、定期预报的监 测系统很难在汽轮机的研制过程中使用。欧美等发达国家也早己投资进行叶片机变 速运转状态的实时振动图像监测系统的研发。 为了保证叶片的安全运行，目i i i 常采用的是定期维修方法，即预防维修，但由 于实际运行中影响叶片安全性的因素很多，且有些因素又无法定量估算，故叶片的 准确状态很难估计。因此采用定期维修方法，要么维修过剩，造成浪费；要么维修 不足，造成重大经济损失。随着技术的快速发展，汽轮机运行水平的不断提高，机 组设备维修j 下逐渐从事故维修和定期维修向状态维修发展，而状念维修的关键主要 是依靠监测手段【2 “。目前对叶片振动在线监测还没有一个有效的方法，随着汽轮机 单机功率的增加，未几级叶片越束越长，叶片又工作在湿蒸汽环境，且经常处于变 工况运行，工作条件十分恶劣，叶片发生事故的危险性增加，叶片状态实时在线监 测技术方法的研究越柬越迫切，成为电力工业、能源工业、航空、航运业亟待解决 的难题。 旋转叶片振动参数的测量技术，由于其重要性和复杂性，多年来直受到从事 叶轮机械设计、研究、制造和运行人员的关注，这是因为1 2 4 l ： 1 叶片机械高速旋转，激振条件复杂，叶片型面扭曲，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。而振动计算所依掘的理 论还不尽完善，理论计算结果与实际尚有距离。 华北电力人学硕十学何论文 2 1 5 l o 5 o 动应力( x 1 0 1 n b n t ) o 51 01 52 0 2 53 0 叶片数 图3 一l 叶片动应力沿圆周逐片变化示意图 2 除了研究较多的强迫振动以外，还存在着由于流体诱导的自激振动。如航 空发动机叶片的各种颤振和电站汽轮机叶片在高背压、小流量下发生的负功角失速 颤振。使得叶片虽经严格调频，避开各阶共振频率，但是实际运行机组中断叶片事 故时有发生。特别是大机组、长叶片处于调峰、供热等高背压、小流量工作时，更 出现了叶片振动加剧，动应力突增的现象。这些自激振动引起的叶片断裂事故，往 往是从事叶片设计、研制人员所始料不及的。 3 随着级负荷的增加和结构的日益轻型化，使叶片长而薄，刚性大大降低。 4 由于叶片在加工、安装时的误差，使整圈叶片的动应力存在着很大的分散 度，如图3 1 所示，这将使某些不合格的叶片首先破坏。 当叶片共振或颤振时，叶片排上的叶片都会出现强烈的振动，并导致很大的动 应力。对于各类颤振边界的试验确定，也以动应力迅速升高到某一数值为依据。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 行迸行监测时，都需要测量叶片由于振动所导致的动应力和振幅。这不仅可以给设 计部门提供校核设计、修改设计的依掘；在振动实验台上可作为制造厂出厂前的重 要检测手段，及时发现振动频率不合格的叶片：而且还可以在电厂作为长期监测的 工具，一旦发生叶片事故，立即自动报警，提醒运行人员采取必要的措施及分析事 故的原因。 从2 0 世纪3 0 年代美国w e s t h o u s e 公司采用反光镜首先对运行中的汽轮机 叶片振动进行测量以来，研究人员先后采用不同的方法在这方面进行了探讨。一般 来说，对叶片振动动态测量方法可以分为两大类 2 5 , 2 6 i ，即接触式测量和非接触式测 量两种方法。 2 华北电力大学硕士学位论文 3 2 接触式测量法 3 2 1 反光镜法 接触式测量法中被测叶片与振动信号拾取元件是直接接触的，在这类方法中， 最早的是2 0 世纪3 0 年代美国西屋公司采用反光镜首先对运行中的汽轮机叶片振动 进行的测量，其方法是将一束光从轴中心孔经中心反光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 射到荧光屏上进行观察或照相。这种方法在实验室和现场中应用了2 0 多年。 3 2 2 电阻应变片集流环技术 使用直接粘附于叶片表面的应变计( s t r a i ng a u g e ) 能够测量叶片于规定方向上发 生的交变伸长大小。本方法是在叶片上粘贴电阻应变片，从应变片引出的导线沿着 叶轮表面接入到一个专门的集流器装置中。从旋转着的电阻应变片采集到的信号经 过集流装置后，由电子放大器放大，然后被送往记录装置( 如示波器和磁带记录仪 等) 做数掘记录。 电阻应变片集流环法由于测量精度较高，其测试结果一般也作为了其他方法测 试结果精度的比较标准。 这种方法虽然被广泛应用，但有很多本质上的缺点：最主要之一是在同一个时 日j 内，被测量的叶片数是有限的，加上转子实验准备的复杂性，因而用电阻应变片 法同时观察很多叶片几乎是不可能的。如果对一台四级汽轮机的所有叶片采用这种 方法，那将需要2 0 0 个放大通道，4 0 个回线示波器和2 0 0 个阴极示波器。由于用电 阻应变片测量叶片上的动应力，仅仅是在几个叶片上测量，而在许多情况下，整圈 叶片上的动应力分散度相差可达6 倍1 7 】，这样确定叶片上的最大动应力的可靠性就 大大降低了，于是导致叶片使用寿命降低或强度储备增加。 该方法还存在其他缺点，如测试准备工作量大，传感器，导线，集流器的可靠 性低等，导致了该方法不适合作为一种工业现场的实际测量方法。 3 2 3 应变片遥测技术 为了克服应变片集流环法在现场中使用很不方便带柬的缺点，人们把它改为应 变片遥测法( t e l e m e t r ym e a s u r e m e n t ) 。它是将应变片上的信号连接到随轴一起转动 的一个调制发射器中。信号经过调制后发射出来，在叶轮附近安装静止的天线加以 接收，再通过解调得到原来的叶片振动信号。 为了使调制发射装置能够长期工作，需要为其补充发射能量，目i j i 主要采用高 能电池作为发射器电源或采用感应式充电技术补充能量。 华北电力大学硕+ 学付论文 对于应变片遥测法的研究，国内具有代表性的是西安热工研究所，他们对于该 方法的具体应用和工艺研究取得过一些成就。国外，德国斯图加特大学热流机械研 究所也对应变片遥测法进行了研究。 然而该方法未能得到广泛的应用，原因是此方法也不能观测到叶轮上所有叶片 的振动，并且实现起来费用昂贵。 3 3 非接触式测量法 在非接触测量方法中被测叶片与测量元件是没有直接接触的。非接触式测量方 法与接触式测量方法相比有一系列的优点，其中最主要的是简单、可靠和不受试验 准备期限的限制。在应用非接触式测量方法获取叶片的振动信号方面已经取得了一 定的理论及实验成果，主要的方法有以下几种。 3 3 1 调频栅法 图3 - 2 调频栅、法示意图 该方法是根据电磁感应原理设计的。在工作叶片的叶尖处嵌入一个小磁钢，在 机壳内壁上安装方波状等节距的会属线栅，如图3 2 所示，叶片转动过程中，当叶 尖处磁钢越过金属线栅的栅条时，在线栅中产生一个脉冲电动势，将栅条之间的距 离作适当调整，则脉冲电势成正弦波形。叶片未振动时，小磁钢随叶片匀速转动， 线栅中的脉冲电势是一个均匀连续的j 下弦信号，其频率为发动机转速甩和线栅条个 数m 的乘积，厂= m n 6 0 ，也就是载波频率。叶片振动时，在同一个振动周期内， 1 4 华北电力大学硕士学位论文 磁钢越过栅条的时间，有的超前，有的滞后，即叶片振动信号对载波频率进行调制。 将此调制信号经过解调，滤去载波频率，得到与叶尖振动速度值成正比的电压信号， 通过事先标定，可求得叶片的振动应力等参数。磁钢法对线栅的制作和安装工艺要 求很高，而且磁钢必须嵌入叶尖，属于破坏性测量，另外，当叶片高速旋转时，叶 片由于强大的圆周离心力作用，很容易擦伤机壳内壁的保护石墨层，对线栅也会造 成破坏。 3 3 2 脉冲调制法 图3 3 脉冲调制泫示意图 脉冲调制法在汽轮机机壳上装一个磁电式传感器，如图3 - 3 所示，当叶片旋转 通过传感器时，在传感器中产生一个电脉冲信号，其频率定于同级叶片数i n 和转速 n 的乘积( m n 6 0 ) 。若叶片未振动，则各个叶片分别等距离地通过磁电式传感器， 在示波器屏幕上可以看到等距离的连续脉冲。如果叶片发生振动，则脉冲出现的时 间将发生超前或者滞后，经过若干转之后，这些脉冲位置的变化将趋近于叶尖振幅 的峰一峰值( 圆周方向) 。 探头形式除磁电式外，还有电容式，涡流式和光学式等，其中以光学式为最佳。 因为它的工作温度最高，又不受叶片材料限制。测试方法是：在机壳上钻一个小孑l ， 孔中插入一根光导纤维探头，然后从光纤的一半中通入光线：当叶片旋转通过光纤 探头时，光纤中的光照射在叶尖端面上并反射，反射光从光导纤维的另一半返回， 驱动含有光电二极管等组成的脉冲电路，产生一个脉冲：为了辨认每一个叶片所对 应的振幅，可将其中一个叶片的端面进行特殊抛光，作为标记。这种方法最适宜用 于测量引起灾难性破坏的旋转失速和一阶弯曲颤振时同一级各叶片振幅的分散度。 华北电力大学硕士学位论文 但是单个探头无法测量频率、振型等信息。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，而不能在工作轮上一个或数个叶片发生危险振动时发 出警报信号。 3 3 3 间断相位法 t 倒：斟 图3 - 4 间断相位法测量系统原理图 日j 断相位法测量叶片振动参数是建立在测量有关时b j 间隔的基础上，即把汽轮 机转子叶片叶尖的相对位移转换为传感器脉冲之间的时间日j 隔。如图3 - 4 所示，在 汽轮机机壳上，正对叶尖处安装一个外缘传感器c l 。转子旋转时，叶片端部通过 c l 时，传感器c 1 得到叶片y l 的脉冲信号a l 。在转子的任何部位上，安装激励器j 2 ， 或者销钉、齿轮，其销钉( 齿轮) 数与所测叶片数量一致，在与激励器j 2 相对应的 静止机壳上安装一个根部传感器c 2 ，当转子旋转，销钉经过c 2 时，获得相等节距 的基准脉冲信号a 2 。此脉冲信号启动振荡器z 2 ，z 2 输出锯齿形信号进入电子射线 管的垂直偏转板上，使射线沿着屏位移绘出垂直扫描线。外缘传感器c - 的脉冲信 号a l 输入到电子射线管的调制器上，增加射线的亮度，即在行扫描线上出现明亮的 标记点m 。从扫描线起始点到达m 的距离x ，与传感器c 2 和c l 脉冲之f 占j 的时日j 日j 隔f 成正比，即x = v r ( v 为电子射线管射线的速度) 。而时日间隔f 同时又萨比于 路程j ( t = ! ) ，所以x = 2 。若叶片不振动，则理论上叶片的脉冲a i 和根部的基 “ 1 6 华北电力火学硕十学付论文 准脉冲a 2 均以相同的时间间隔分别通过传感器c l 和c 2 。当转速不变时，则亮点m 离扫描线起始点的距离工不变。当叶片振动时，各个叶片将以不同的偏移量接近传 感器c l ，每转一转，标记点m 在扫描线上的位置不同，即x 不同。叶片振动到极 右位置时，对应于标记点的距离最小即z 。；叶片振动到极左位置时，对应于标记 点的距离最大，即。标记点m 在此范围内分布并形成亮线，其长度，与振动的 幅值a 成正比，即，= ( 一) ；2 a l ，若已知射线速度v 和叶尖的圆周速度“， “ 就能根据屏幕上亮线的长度，确定叶片的振动幅值彳。 为分辨出不同叶片的振动信号，采用射线移动的方法。在转子上安装一个同步 激励器j 3 ，可利用转予上的某个键槽或者销子，与其对应的静子机壳上安装一个同 步传感器c 3 ，转子每旋转一转，c 3 产生一个同步脉冲信号a 3 ，以控制振荡器z 3 ，使 z 3 的锯齿形脉冲信号与转子的转速同步。当传感器通过激励器j 3 到达根部传感器 c 2 ，c 2 产生脉冲启动振荡器z 2 ，使射线( b 点) 开始的二次移动，即沿着垂直方向 形成扫描线。当叶片y l 端部到达外缘传感器c i 时，在扫描线上出现记录叶片y l 振动位置的亮点m 。振荡器z 2 到点c 停止工作，射线回到初始位置( d 点) ，并沿 水平方向继续向右移动，直到出现下一个从传感器c 2 来的脉冲( e 点) 。转子旋转 一周，射线划出的行扫描数与转子上激励器j 2 的数量( 即被测叶片数) 相同，在扫 描线上出现记录叶片y l 、y 2 、y n 振动位置的亮点。当激励器j 3 转到同步传感 器c 3 时，c 3 产生同步脉冲，振荡器z 3 停止，射线很快回到极左位晋( g - a ) ，并丌 始新的循环。根掘同步激励器j 3 与各个叶片的相对位詈，可以准确地判明各个叶片 的振幅大小。该方法的缺点是随着被测量叶片振动阶数的增加，测量灵敏度相对降 低。而且这种方法测量的是叶片顶部叶型的位移而不是整只叶片的变形，所以该方 法不能用来测量叶片的高阶振动，特别是短叶片。 在后面要叙述的叶端定时测量法也正是基于“非接触一一问断相位”的采集信 号的原理，对叶片振动参数的测量不是连续的，而是在经过一定时目j 间隔的某些时 刻进行的，振动过程中诸参数的测量是间断进行的，只是在测量设备的配置和数掘 处理方法跟自j 断相位法有所区别。这种方法不需要在叶片上安装任何器件，只需在 汽轮机的静止外壳上安装传感器，转子和定子之间不需要任何传递媒介，就可以将 整级叶片的振动参数测量出来，与传统的接触测量方法相比，具有实时性强、精度 高、适用于高转速等优点。该方法在下一章中会有详细的介绍。 3 3 4 声响应法 美国e p r i 的l i b e r t y 技术中心提出这种方法，并研制了用于汽轮机低压末几级 在线监测及故障诊断的声响应系统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 e 华北电力大学硕士学位论文 s y s t e m ) 。它使用无干扰、高灵敏度的压电声传感器安装在低压缸导流板或隔板上来 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，专用的微处理机从随机、宽频带汽流噪声、 叶片通流脉冲及其它重复脉冲中分离出叶片的声调谐特征，从而确定叶片是否发生 共振，以此来判断叶片状态。该系统可以识别叶片裂纹的存在及扩展、叶片及其连 接件等结构的损坏、叶片的颤振等故障1 27 1 。 由于这种方法依靠拾取叶片振动时发射的声信号束判断叶片状态，而运行现场 是一个具有宽频率范围的复杂声场，因此背景噪声的分辨及滤除是一个关键环节。 文献1 2 7 1 提出采用同步时间平均法来滤除来自蒸汽流动的背景噪声。但现场除蒸汽流 动噪声外，往往存在更多与转子转动有关的噪声，而这类噪声采用同步时间平均法 不能滤除，这将影响监测的准确性。因此，用这种方法对叶片振动进行在线监测与 故障诊断，在背景噪声的滤除方面需要进一步研究。 3 3 5 微波测量法1 2 8 j 德国s i e m e n s 和奥地利的j o h a n n e sk e p l e r 大学采用微波传感器系统实时监测 汽轮机叶片的振动，传感器模块的自标定是采用微波源的自适应频率调制，通过使 用这个标定，使温度漂移和颗粒积淀所引起的测量性能衰减得到补偿，从而较好的 实现叶片的振动测量。 3 3 6 间接测量法 间接测量法，这类测量方法是通过监测转子侧面( 横向) 振动、壳体、轴承座、 压力波动、性能监测和热变化等信息来提取叶片的振动信息。如通过探测轴承座振 动束监测叶片振动，该方法首先通过试验来确定动叶振动与轴承座振动之间的频率 及振幅的关系，从理论上分析了受叶片振动影响的轴承座振动信号的特征，通过对 所测叶片和轴承座的振动测量数据同理论分析所估计的数掘进行比较，获得叶片振 动可检测性的分类系数，从而确定叶片的振动。 有关文献【2 9 1 介绍了上述这种方法，但该方法受探测范围的限制( 如叶片振动引 起轴振的大小、加速度仪的灵敏度以及数据处理技术等) ，实际应用尚有待进一步 提高。 近几年国外还有研究人员丌始在理论和实验上探索研究叶片振动和轴扭转振 动之日j 的耦合关系，试图从中得到叶片振动的相关信息。 3 4 叶片振动动态测量技术新的方法和发展趋势 随着使用智能材料技术的出现，特别是压电材料，叶片振动测量出现了新的研 究方向。s u b r a m a n i a n 等提出【3 0 1 将一个无线微加速度传感器和它的