[發明專利]使用葉尖定時(BTT)監測渦輪機轉子葉片的方法和系統

有效

• 申請號: 201780052551.4
• 申請日: 2017-06-27
• 公開（公告）號: CN109716077B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 大衛·赫拉克勒斯·戴蒙德;菲利普斯·斯特凡努斯·海恩斯;亞伯拉罕·約翰尼斯·奧貝霍爾斯特
• 申請（專利權）人: 比勒陀利亞大學
• 主分類號: G01H1/00
• 分類號: G01H1/00;G01H11/00
• 代理公司: 北京市君合律師事務所 11517
• 代理人: 毛健;徐伊迪

確定葉尖偏折特性的方法(400)應用于渦輪機(10)中的移動轉子葉片(R₁，R₂)，渦輪機(10)包括殼體和轉子以及至少一個接近探頭(202)，轉子包括連接有轉子葉片的軸。方法(400)包括測量(402)移動轉子葉片(R₁)的接近尖端的出現而產生的接近信號，并且由控制模塊(212)計算(404)軸瞬時角位置(IAP)以作為時間函數，并且執行(410)階比跟蹤處理，其包括在角域中表達(412)測得的接近信號并且重新采樣(414)該表達的接近信號以使其在角域中等距離。方法(400)包括執行(416)脈沖定位過程，其包括過濾(418)產生復值響應的接近信號，以局部振幅和相位的形式表達(420)復值響應，并計算(422)每個表達信號和參考信號之間的局部相移。

技術領域

本發明涉及渦輪機的監測，更具體地，涉及使用葉尖定時(BTT)監測渦輪機轉子葉片的方法和系統。

背景技術

渦輪機可以分為通過旋轉葉片從流體(例如任何液體或氣體)獲取功或者對流體做功的機器。葉片(以下稱為轉子葉片)連接到旋轉的軸(以下稱為轉子)。因此，轉子葉片是任何渦輪機運行的基礎。

由于轉子葉片是機械結構，整個結構在被激勵時(即，當動態載荷施加到結構上時，例如當轉子葉片從流體獲取能量或向流體施加能量時)會振動。在每個瞬時轉子的葉尖偏折被定義為葉尖從其非振動狀態(即靜止狀態)的位移距離。因此，葉尖偏折是除了由于轉子旋轉而導致的轉子葉片所經歷的剛性轉動之外的轉子葉尖的位置變化。

葉尖定時(BTT)是一種用于測量轉子葉片葉尖偏折的非入侵性技術，因為轉子葉片經過安裝在渦輪機殼體上的固定傳感器或探頭。根據預期到達時間和實際到達時間(或ToA，Time-of-Arrival)的獲知來計算葉尖偏折。存在許多種不同的方法來根據所測的ToA時間確定葉尖偏折。可以使用復雜的算法和方法(如在PCT專利申請PCT/IB2017/052364中公開的一種方法)來估測諸如振幅、頻率和相位的振動特性。

所有這些算法都使用尖端偏折測量來確定轉子葉片的振動特性。因此，尖端偏折測量盡可能準確是非常重要的。尖端偏折的計算精度取決于諸如數據采集系統的采樣率以及當轉子葉片經過探頭下方時接近探頭的脈沖波形的形狀等因素。如果數據采集系統的采樣率是次優的，則確定轉子葉尖位移的傳統方法就不夠準確。

BTT與應變計測量相比具有許多優點，應變計測量是進行轉子葉片振動測量的傳統方法之一。應變計應用于轉子葉片的根部。它們通常用電池或滑環連接電纜來供電。然后，測量的信號通過遙感系統或滑環傳遞。應變計方法的局限性是成本、使用壽命并且僅能夠檢測有限數量的葉片。應變計還會改變其所安裝的葉片的動態特性。相比之下，BTT方法可以測量轉子級中的所有葉片，并具有更長的使用壽命[1,2,3]。尖端偏折可以與有限元模型(FEM)相關聯，以估算轉子葉片的動態應力[4]。這允許人們評估共振的嚴重性并且可以用于預測轉子30個葉片的剩余壽命。任何BTT系統的最基本的任務是確定轉子葉尖偏折。

BTT的實用性取決于可以測量轉子葉尖偏折的精度。如果測量的尖端偏折中存在太多噪聲，則振動振幅的嚴重性可能被高估或低估或完全錯誤。通過使用用于計算葉尖偏折的標準現有技術等式來說明該結論[5]：

x＝ΩRΔt (1)

在等式(1)中，x表示轉子葉尖位移，Ω是轉子速度，R是轉子葉片的外徑，Δt是測量的到達時間和預期的無振動到達時間的差。從等式(1)可以看出葉尖偏折與時間差成正比。

即使測量的實際到達時間的非常小的誤差也可能導致較大的葉尖偏折誤差。到達時間差誤差帶來的葉尖偏折誤差可以通過式(1)得出并乘以測量到達時間的誤差：

δx＝ΩRδt (2)