CN1038696A - 涡轮机叶片疲劳监测器 - Google Patents

Abstract

在线振动疲劳监测器测量象涡轮转子叶片这样的物体的位移，以发出由近程传感器产生的位移信号，并且依靠该位移信号计算物体中的累积疲劳，该信号是数字化的，并通过采用希尔伯特变换来处理，以便检测出该位移的幅值包络线和瞬间频率。该振幅和频率与该物体上的静态应力结合起来求出疲劳损耗，疲劳损耗是用不断监测振动位移和静态应力中的变化来累计的。

Description

本发明总的来说是关于测量振动引起的疲劳，而且特别是关于测量涡轮机转子中累积的金属疲劳。

通常，涡轮机叶片的应力，象在别的装置中一样，是用应变仪测量的，它直接装在涡轮机叶片上，并经滑环或遥测装置传送给涡轮机外边的监测设备。另一个可供选择的***已经在美国空军***司令部阿诺德工程开发中心研制出来。阿诺德***利用行聚焦摄影探测器来进行无干扰测量喷气发动机涡轮转子叶片的挠度。传感器严密地相隔一定距离地配置在发动机外壳的圆周上，每个传感器径向定位，而且传感器组又随转子叶片顶部的轨迹来定位。两个传感器用来检测非累积振动，即转速倍频之外的振动。四个传感器用来检测累积振动，即转速倍频的振动。这些传感器发出的信号可以参照每转发出一次的信号被处理，从而确定一排中每个叶片振动的振幅、频率和相位。对要监测的每排来说，需要附加一组这样的传感器。

用传感器提供的挠度数据，再依靠传递函数将挠度数据转换成应力，就可以在线确定装有仪器的每排中所有叶片的应力情况。这些传递函数可以采用有限元分析和运行试验前每排叶片的台架试验求出。尽管阿诺德***提供的数据是有用的，尤其在试验最近运行过的涡轮机中，但对于用来监测运行中的涡轮机的在线***，还需要更多的数据。

本发明提供了一台指示设备累积疲劳的在线监测器。

本发明的一个实施例是提供一台在线疲劳损耗监测器，它既测量振动应力也测量静应力。这里叙述了求出累加力引起的损耗的方法，该方法包括检测该力所引起的位移，从检测到的位移计算力的振幅和瞬间频率，以及依靠计算出的振幅和瞬间频率估计累积损耗的步骤。这里还叙述了一个振动疲劳监测装置，它包括：传感器装置，用来发出位移信号，以指示物体振动引起的本身位移;和疲劳累计装置，依靠位移信号用以计算物体的疲劳。当用于具有许多叶片的涡轮机时，传感器装置最好包括至少两个传感器，它们置于涡轮叶片所占通道的外边。当使用N个传感器时，可以计算出到N/2次谐波的振动和疲劳损耗。24个传感器就会得出到12次的所有谐波的影响，但是如果能确定起作用的谐波较少，则只需较少的传感器。确定涡轮叶片频率和振幅的最佳方法采用位移信号的希尔伯特变换。

从推荐的实施例的下列叙述中能对本发明有更详尽的了解，只通过举例的方法给出，并且要联系附图来研究。这些附图是：

图1是一根涡轮轴和一排叶片以及所述的传感器的透视图，如本发明范围内使用的那样;

图2是本发明最佳实施例的方框图;

图3是表示该***识别叶片的方法的示意图;

图4A和图4B是振动引起的涡轮叶片偏离预定位置的位移图例;

图5是本发明用来确定累积疲劳的方法的流程图;以及

图6是涡轮叶片的振动图象。

许多种类的设备都承受造成疲劳或使疲劳累积的应力，而疲劳最终使制造该设备的材料出现损伤。设备能够经受的疲劳量称为“疲劳寿命”，而设备已经经受的疲劳量称为“疲劳损耗”。由累计疲劳损耗，就可以从公式（1）计算出剩余疲劳寿命：

2∫^t _o｛（ε_a（t）/ε_F-ε_m（t））-（ε₁/ε_F）｝²F（t）dt＝1 （1）

公式（1）可以从古特曼定律和米纳假定中推导出来，这里εa（t）是实际振动应力，ε_F是忽略塑颈由单载荷作用力引起破坏的应力，εm（t）是缓慢变化或基本稳定的应力，ε₁是例如在第百万次振动下引起破坏的极限应力，F（t）是振动频率。ε_F和ε₁的值对于具体的对象，一般用实验室测量或有限元分析的办法求出。就涡轮转子而言，在每排中叶片通常都做成一样的，但是一排与另一排就不同了。因此，ε_F和ε₁的值对每排涡轮叶片来说应分别求出。

同样，要用本发明检测的构体上的静应力ε_m必须事先作为可测值的一个函数求出。关于涡轮叶片，由涡轮产生的转矩可以直接测得或从测量入口焓H1、出口焓H2、角速度ω和质量流率m计算出来。然后它可以和级效率n、叶片平均直径rb和每排叶片数Mb配合来计算静应力εm和转矩之间的关系，如公式（2）所示：

ε_m～ (H₁-H₂)n/ωM_br_b(2）

这样，知道了极限应力ε₁、单载荷破坏应力ε_F和涡轮中转矩的分布，那么疲劳损耗就可以根据直接或间接测得的转矩、各个涡轮叶片的振幅和振动频率计算出来。实际的振动应力εa（t）与叶顶挠度振幅的关系可以用一台装在拆下的涡轮转子上的应力/应变仪来测出。

涡轮机的常规转子轴10和一排涡轮叶片14中的一些涡轮叶片12一起示于图1。根据本发明，传感器16-22置于涡轮叶片所占路径的外边，随叶片按径向定位。图1中只完全画出7个传感器，但另外的传感器可以按涡轮叶片14周围的记号所示来放置。

如图2中所示，给出了几组传感器23，待监视其叶片的涡轮机每排用一组23。根据涡轮机的结构、维护经验等等，这可能不需监视每一排。例如，如果在几排叶片中，经验表明最先的断裂总是发生在一或两排中，那么只监测很可能遭受最大疲劳的这几排也许就足够了。传感器组23装有发出位移信号的装置，指示一个物体，例如振动引起的涡轮叶片的位移。由传感器组23产生的位移信号送至信号调制电路24，它去除可识别的干拢，并且如果必要，在信号被送往数字转换器26之前被增强。数字转换器26进行模拟/数字转换，以检测由传感器组23输出的信号的变化并提供数字数据，这个数据可以由数据处理单元28来处理。数据处理单元28使用公式和储存在数据存储单元30中的数据来构成疲劳累计装置，根据位移信号来计算疲劳损耗。疲劳损耗被录制在数据存储单元30中，并作为信息32输出给操作者。

数据处理单元28实现几个功能，以便计算疲劳损耗。首先，必须识别哪一个叶片正在用传感器检测，正如这里所述，这个判断是用传感器34提供的每转发出一次的信号（once-per-revolu-tion    signal）作出的。已知发出该信号时各个叶片的位置，可以用相邻的每转发出一次的信号之间的时间计算叶片的角速度。

每转一圈发出一次的信号还用来确定叶片的位置。这是按图3中所示完成的。假定当收到每转发出一次的信号时一个叶片12是在位置36处，它就会在转过一个角位移α后，在位置38处接近传感器18。叶片从位置36转到位置38所需的时间可以由该角速度求出。数据处理单元28因此能够根据每转发出一次的信号，计算出每个叶片12预计到达各个传感器的时间，例如到达16-22。

图4A中示出了一个每排24个传感器（24）的***的预计和实际到达时间之差。预计到达的时间用虚线表示，而转子叶片12在那时的实际位置用实线表示。对应于图1所示的传感器的传感器位置，在图4A中有对应的标记数码。示于图4A的转子叶片，就涡轮叶片每一转大约振动两次。如图4A所示，正在检测的叶片在预计的时间到达传感器16。可是，它在预计的时间前到达传感器17-19，而在预计的时间后到达传感器20。由图4A显而易见，传感器18和20分别提供了由它们测得的最大正的和负的位移。由于叶片以大约两倍的涡轮转速振动，传感器18和20对面的传感器提供了大致相同的测量结果。如果它以三倍转速振动，就会有每转三组最大正和最大负位移。

每个传感器测得的位移量示于图4B。传感器18作出的测量结果沿y轴表示，而传感器16和20的测量结果沿x轴用标记数码表示。振动的振荡特性从图4B的图象中更容易明白。

如图5所示，叶片位置数据40和静态数据42用来在步骤44中计算振动和静态应力。采用24个均匀配置在该排涡轮叶片周围的传感器，就可以依靠位移信号，确定在直到12倍转子轴10速度（12次谐波）的频率下进行振动的调幅和调频。如果必要，数据处理单元28能够***被检测两点之间。一切值得注意的涡轮转子叶片的振动预计都发生在12次谐波以下。如果采用较少的传感器，较高频率的振动就会混在被检测的频率范围内。因此，可以采用少到两个传感器，可是，当采用很少的传感器时，就需要在步骤44中另加信号处理。

在用作发电的涡轮机上，通常提供两个检测孔，约成135°分开。这就允许在涡轮机运行期间，安装和使用两个无源近程探头，例如磁性的或容性的近程探头，或者光学探头。传感器16和22约成135°分开，示于图1，因此就代表了每排两个传感器的***，用来产生涡轮叶片靠近探头而指示的信号。

这两个传感器16和20单独使用时，可以检测频率小于涡轮旋转频率的所有振动。因此，如果涡轮以3600转/分旋转，那么频率小于60赫芝的振动都能检测。较高的频率可以以混淆的信号被检测到。根据本发明所提出的最佳实施例，提供叶片位置数据40的位移信号的希尔伯特变换最好用来求出涡轮叶片的频率和振幅。振动信号V（t）的希尔伯特变换用公式（3）确定：

H（V（t））＝（1/π）∫^∞ _-∞〔V（u）/（t-u）〕du （3）

信号V（t）的量值或幅值的包络线由公式（4）确定：

A(t)=︱V(t)︳= $\sqrt{{\mathrm{V(t)}}^2\mathrm{+H(V(t))}{}^2}$ （4）

这相当于图6中虚线所示的振幅包络线A（t）。瞬间频率 由公式（5）确定，而θ（t）由公式（6）确定：

(t)=(1/2π)(dθ(t)/dt)（5）

θ(t)=arctan(H(V(t))/V(t))（6）

也可以用其它方法来找出振幅包络线A（t）和瞬间频率 （t）。这些与到步骤46的静态应力s-s一起被提供，以便可以依靠涡轮叶片12的振动来累计疲劳损耗。瞬间频率

（t）提供了F（t）的值，而振幅A（t）可以被转换成实际振动应力εa（t）;这要采用实验室试验产生的，与叶顶挠度和应力有关的数据，它被储存在数据存储单元30中。因此，公式（1）中累计疲劳损耗所需的所有项都可以在步骤46中得到，以便能在步骤48中导出疲劳损耗。

应该注意，公式（1）假定静态应力εm（t）振动应力εa（t）被代数相加，以便给出一个累计疲劳的保守估计。如果需要更精确地预计被测对象的疲劳寿命的话，有限元分析能够用来确定一个适当的方法来将振动和静态应力相加。

本发明起初来说是应用于涡轮机转子的疲劳。能够应用本发明的同类物品包括机翼、螺旋桨叶片和喷气发动机压缩机部件。还有，由于以类似于疲劳的方式振动，蒸汽发生器管子中的微振磨损累积起来。因此，本发明能借助适当的传感器，用于累计蒸汽发生器管子的微振磨损。总之，任何呈现“爆发”特征的力，象图6所示的，振幅在短期内突然增加的那种力，以及引起累积的损耗的力，都可以根据本发明用估计累积损耗的办法来监测。

本发明的许多特点和优点从其详细说明中是显而易见的，因此其附属的权利要求包括运用于该装置所有这样的特点和优点，即属于本发明实际精神和范围的那些。再者，由于许多修改和变化对技术上熟练的那些人来说很容易办到，故本发明不限于图示的和所述的完全相同的结构和作用。因此，所有适当的修改和同等物均可属于本发明的范围和精神。

图中所用标码的识别

文字及代号    标号    图号

信号调制    24    2

数字转换器    26    2

数据处理单元    28    2

数据储存    30    2

给操作者的信息    32    2

叶片位置数据    40    5

静态数据    42    5

计算静态应变和振动（用希尔伯特变换）    44    5

累计疲劳损耗    46    5

输出疲劳损耗    48    5

Claims (12)

1、测量振动部件(12)的累积机械疲劳的连续测量装置，用来计算度量累积疲劳的“疲劳损耗”，以便在疲劳破坏之前，得知振动部件有关的剩余寿命。上述的装置包括：

传感器装置(16，22)，靠近振动部件安装，以便产生该部件振动引起的，指示所谓振动部件位移的位移信号；其特点在于：

疲劳累计装置(28，30)，依靠位移信号用来计算部件中的“疲劳损耗”。

2、如权利要求1中所述的装置，这里所述的传感器装置包括：

无源近程探头（23），用来产生部件靠近所述的无源近程探头而指示的信号;以及

用来检测所述无源近程探头产生的信号的变化的装置。

3、如权利要求1中所述的装置，这里所述的传感器装置，包括光学探测部件位移的装置。

4、如权利要求1中所述的装置，这里对象是多个涡轮叶片，而且这里所述的传感器装置包括至少两个传感器，它们置于涡轮叶片所占通道的外边。

5、如权利要求4中所述的装置，这里所述的传感器装置包括大约24个传感器，它们隔开一定距离配置在一排涡轮叶片的周围上。

6、如权利要求5中所述的装置，这里24个传感器是均匀地隔开一定距离配置在该排涡轮叶片周围的。

7、如权利要求4中所述的装置，这里所述的传感器装置包括少于24个传感器，而且

这里所述的疲劳累计装置包括：

频率-振幅装置，依靠位移信号确定涡轮叶片振动的调频和调幅;以及

疲劳损耗装置，依靠涡轮叶片的振动来累计疲劳损耗。

8、如权利要求7中所述的装置，这里所述的频率-振幅装置，利用位移信号和希尔伯特变换来确定涡轮叶片的频率和振幅，以及

这里所述的疲劳损耗装置使用古特曼定律来计算疲劳损耗。

9、如权利要求8中所述的装置，这里所述的传感器装置还包括转矩传感装置，用来检测涡轮产生的转矩，以及

这里所述的疲劳损耗装置包括在计算疲劳中考虑涡轮叶片上的静应力，该静应力是依靠所述的转矩测量装置测得的转矩求出的。

10、如权利要求9中所述的装置，这里在所述的传感器装置中只使用两个传感器。

11、一种在线疲劳测量方法，用来测量涡轮机中涡轮叶片的疲劳，它包括这些步骤：

在一排涡轮叶片的外边，至少配置两个传感器，用来检测涡轮叶片的通道而无接触，同时用来产生传感器信号;

转矩传感装置，采用一个转矩传感装置来检测涡轮产生的转矩，其特点在于这些步骤：

依靠所述的两个传感器产生的传感器信号，采用希尔伯特变换装置来检测涡轮叶片振动的频率和振幅;以及

用累计涡轮叶片的疲劳的办法，计算疲劳损耗，而这就要把古特曼定律应用于涡轮叶片振动的频率和振幅以及涡轮叶片上的静应力，该静应力是靠涡轮的转矩求出。

12、如权利要求11中的方法，包括将两个所述的传感器在圆周上分开135°布置的步骤。

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