汽轮机叶片振动测量方法概述

汽轮机叶片振动测量方法概述

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摘要：总结了汽轮机叶片振动测量技术的研究状况，分析比较了用于汽轮机叶片振动测量的各种测量方法。非接触测量方法可以实现对整级中的所有叶片进行在线监测，具有接触测量方法无可比拟的优点，非接触测量法将是今后我国动态叶片振动监测技术的发展方向。

Summarization of Measurement Methods for Vibration of Steam Turbine Blade

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Abstract: In this paper, the historical and current developments of measurement technology of vibration for steam turbine blade are summarized. To compare with contact measurement technology, noncontact measurement technology has an obvious advantage, and it enables each blade of a whole stage to be detected online. Non-contact measurement method has good prospects for the future development of blade vibration monitoring techniques.

Keywords: steam turbine; blade; vibration; measurement

引言

叶片是汽轮机中主要的工作部件，其承担着将蒸汽的热能转化为机械能的重要任务。汽轮机运行中，叶片不仅要承受离心拉应力，蒸汽弯曲应力及叶片振动所产生的动应力，某些级的叶片还要受到蠕变损伤、固体颗粒磨蚀或湿蒸汽腐蚀等侵害，其工作条件非常复杂，叶片事故时有发生。统计资料表明，叶片事故约占汽轮机事故率的40%，叶片事故不但降低了整个汽轮发电机组的可用率，还造成巨大的直接和间接经济损失。为了保证叶片的安全运行，目前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，如机组结构特点、阻尼、运行方式、电网周波、蒸汽参数等，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。随着科技的进步，机组运行水平的不断提高，机组设备维修正逐渐从事故维修和定期维修向状态维修发展，而状态维修的关键主要是依靠监测手段的完备，其中汽轮机转动部件状态的在线监测占有非常重要的地位。一般通过对转动部件振动的监测可推断出其所处状态，目前对汽轮机转子振动在线监测技术方法、装置已经很成熟,但对叶片振动在线监测目前还没有一个有效的方法,随着汽轮机单机功率的增加，末几级叶片越来越长，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，叶片状态在线监测技术方法的研究越来越迫切。汽轮机叶片振动测量，一直是人们所力求解决的一个难题。从20世纪30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测量以来,研究人员先后采用不同方法在这方面进行了探讨,并取得了一些成果。

1 汽轮机叶片振动测量技术

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，这个问题更加重要，其测试技术从光学方法、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可分为接触测量与非接触测量两种方法。

1.1叶片振动接触式测量方法

在接触式测量方法中，被测叶片与振动信号拾取元件是直接接触的，主要方法有：光学方法、应变片－集流环和无线电遥测法。

1.1.1 光学测量方法

西屋公司于1934 年首先使用了光学系统对运行中的汽轮机叶片振动进行测量。它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。该方法成功用于实验室和现场20 多年。

1.1.1 应变片－集流环或遥测系统

50年代开始采用粘贴应变片的方法，其基本原理是将应变片牢固粘贴于叶片应力较大处，用应变片感受叶片振动，再将应变片的信号引出，以实现对叶片振动频率和动态应力的测量。最初采用的是应变片-

集流环系统，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，只用于实验室。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-遥测系统。1958年，西屋公司首次介绍了无线电遥测技术在测量叶片的动频和动应力中的应用。在我国，西安热工研究院自1965 年起应用应变片-无线电遥测技术进行叶片动频与动应力的测量。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。粘贴应变片的接触测量技术，对推进叶片动态特性研究，改善叶片振动特性和指导机组安全运行方面发挥了重要的作用。但这种方法有明显的缺点：测量的准备工作量很大，对一级的测量往往要安装数天才能完成，而且由于受应变片寿命、导线粘贴牢固程度等的影响，监测时间较短，通常只有几天时间，不能对叶片振动进行长期监测。由于试验准备的复杂性，用粘贴应变片法测量叶片的动应力，往往仅是在某几个叶片上进行，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，这样测量的可靠性就受到了影响。

1.2叶片振动非接触式测量方法

由于接触测量方法存在难以克服的缺点，于是自二十世纪60 年代以来，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：频率调制法、脉冲调制法、间断相位法、声响应法以及激光测量法。

1.2.1 叶片端面嵌入磁铁的频率调制法

在二十世纪60 年代初提出这种非接触式测量方法。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。

1.2.2 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Holz RG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kzn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。

1.2.3 间断相位法

这种方法，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间相传感器。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。间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。