淺談汽輪機(jī)葉片振動(dòng)的測(cè)量方法

王琳

摘 要：汽輪機(jī)葉片損壞的主要原因之一是異常振動(dòng)，這樣將導(dǎo)致汽輪機(jī)發(fā)生故障，因此測(cè)量葉片振動(dòng)參數(shù)的技術(shù)顯得很重要。本文著重介紹汽輪機(jī)葉片振動(dòng)的測(cè)量方法。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)葉片；振動(dòng)；測(cè)量方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.184

從汽輪機(jī)制造伊始，測(cè)量汽輪機(jī)葉片振動(dòng)頻率和幅度，一直是困擾人們的難題。隨著汽輪機(jī)葉片的工況惡劣化，葉片尺寸變大化，功率增大化，這個(gè)問(wèn)題變的越來(lái)越棘手。高速旋轉(zhuǎn)的葉片，受力情況復(fù)雜，葉片的外形變化大，葉片振動(dòng)頻率和振幅也隨之變的復(fù)雜。葉片振動(dòng)理論計(jì)算結(jié)果無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需要，實(shí)際測(cè)量就成為獲得葉片振動(dòng)信息的唯一途徑。測(cè)量葉片振動(dòng)，是為了調(diào)節(jié)葉片固有頻率，避免在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生共振，導(dǎo)致葉片發(fā)生斷裂，汽輪機(jī)發(fā)生故障，無(wú)法運(yùn)行，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

從在20世紀(jì)30年代，美國(guó)西屋公司采用反光鏡，對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，到現(xiàn)在，研究人員先后采用不同方法進(jìn)行研究，也取得一些成果。

測(cè)量方法，從最初的反光鏡測(cè)量法，然后是應(yīng)變片-集流環(huán)、無(wú)線(xiàn)電遙感，到現(xiàn)在的非接觸測(cè)量法，測(cè)量方法飛速的發(fā)展起來(lái)。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，測(cè)量方法分為兩大種，接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，區(qū)分依據(jù)是否有傳感器和裝置接近葉片。

1 接觸式測(cè)量法

接觸式測(cè)量法，是采用振動(dòng)信號(hào)拾取組件和葉片直接接觸的一種方法。主要方法有反光鏡、應(yīng)變片-集流環(huán)與無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)。

反光鏡法，首先將一束光通過(guò)軸中心孔，光線(xiàn)先經(jīng)中心反光鏡的反射，照在粘貼于葉片頂部附近的小反射鏡上，再通過(guò)該小反射鏡把光線(xiàn)反射回中心反光鏡，最后再通過(guò)軸中心孔反射到熒光屏上進(jìn)行觀(guān)察或照相。整個(gè)方法是通過(guò)光線(xiàn)經(jīng)兩個(gè)反光鏡的反射實(shí)現(xiàn)了葉片振動(dòng)的測(cè)量。此方法對(duì)于小機(jī)組來(lái)說(shuō)很實(shí)用，但針對(duì)現(xiàn)在的大型機(jī)組來(lái)說(shuō)，已經(jīng)不能使用該方法[1]。

應(yīng)變片-集流環(huán)與無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)，是將應(yīng)變片牢固粘貼在葉片上，通過(guò)應(yīng)變片來(lái)測(cè)量振動(dòng)，并將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為其他信號(hào)，再經(jīng)過(guò)分析與處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片振動(dòng)頻率和幅度的測(cè)量。

應(yīng)變片方法存在以下問(wèn)題：1）應(yīng)變片粘貼在葉片表面上，這樣就改變?nèi)~片自身的動(dòng)態(tài)特性。2）集流環(huán)與無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)，都會(huì)要求安裝在葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，會(huì)影響原來(lái)的動(dòng)平衡性能。3）對(duì)應(yīng)變片粘貼牢固性要求很難達(dá)到，隨應(yīng)變片粘貼位置變化，測(cè)量結(jié)果也會(huì)變化很大。4）應(yīng)變片-集流環(huán)方法，由于集流環(huán)通道的數(shù)量限制，只能同時(shí)測(cè)量幾個(gè)葉片，不能對(duì)整級(jí)葉片進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性不高。5）集流環(huán)和無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)裝置，可靠性不好，壽命短[2]。

2 非接觸測(cè)量法

非接觸測(cè)量方法是在葉輪上方安裝傳感器，測(cè)量葉片振動(dòng)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到葉片振動(dòng)狀態(tài)。主要方法有：葉尖定時(shí)法、間斷相位法、頻率調(diào)制法、聲響應(yīng)法以及脈沖調(diào)制法。非接觸式測(cè)量方法有很多優(yōu)勢(shì)，成為振動(dòng)測(cè)量的主流研究流域，其中葉尖定時(shí)的測(cè)量方法最為迅速。之前，間斷相位法也是比較有前途、有影響力的測(cè)量方法。

2.1 間斷相位法

間斷相位法，把傳感器依次安裝葉輪外殼體、葉輪根部。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片發(fā)生振動(dòng)，通過(guò)傳感器的實(shí)際時(shí)間與理論時(shí)間的比較，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到葉片振動(dòng)信息。

2.2 葉尖定時(shí)法

葉尖定時(shí)法，把傳感器沿徑向安裝在葉輪外殼體上，利用傳感器記錄葉片到來(lái)的時(shí)間，由于葉片振動(dòng)，葉片到達(dá)的實(shí)際時(shí)間相對(duì)無(wú)振動(dòng)時(shí)不相等。通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴?，?duì)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行處理，得到葉片振動(dòng)信息。葉尖定時(shí)法是間斷相位法的發(fā)展和繼承。

2.3 頻率調(diào)制法

頻率調(diào)制法是在葉片上嵌入小磁鐵，在汽輪機(jī)內(nèi)壁安裝金屬線(xiàn)柵。葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)柵會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。而這個(gè)信號(hào)，在無(wú)振動(dòng)時(shí)和有振動(dòng)時(shí)，會(huì)有區(qū)別。但是該方法對(duì)線(xiàn)柵的制作和安裝工藝有很高的要求，工作復(fù)雜。一方面，磁鐵必須嵌入葉輪，破壞了葉輪動(dòng)態(tài)性；另一方面，嵌入的磁鐵，在受離心力后，容易破壞線(xiàn)柵。

2.4 聲響應(yīng)法

聲響應(yīng)法也稱(chēng)即聲發(fā)射法。最早，是由美國(guó)研究人員提出這種方法。工作原理是，通過(guò)傳感器，拾取葉片振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音信號(hào)，分析處理得到葉片振動(dòng)信息。由于運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜聲音環(huán)境，因此背景噪聲的分辨和過(guò)濾就是一個(gè)難點(diǎn)，如果不能解決，將會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.5 脈沖調(diào)制法

脈沖調(diào)制法是，在汽輪機(jī)機(jī)殼上裝一個(gè)磁電傳感器，當(dāng)葉片通過(guò)傳感器時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。若葉片未發(fā)生振動(dòng)，在示波器的顯示器上會(huì)出現(xiàn)等距離的連續(xù)脈沖。若葉片發(fā)生振動(dòng)，脈沖將會(huì)發(fā)生變化。傳感器除了磁電式外，還可以采用光學(xué)式、電容式、渦流式等，其中以光學(xué)式為最好。

3 各種測(cè)量方法的對(duì)比

與接觸式測(cè)量方法相比，非接觸式測(cè)量方法與葉片不接觸，對(duì)葉片無(wú)損傷，對(duì)葉片影響的很小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便。其中，葉尖定時(shí)法又是非接觸方法中的熱點(diǎn)，是最前沿的研究方法，未來(lái)將會(huì)成為主要發(fā)展方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

非接觸測(cè)量方法在葉片振動(dòng)測(cè)量已經(jīng)成為主要測(cè)量方法。但是目前非接觸測(cè)量方法還有很多地方需要改良，需要科研人員完善測(cè)量方法，將最真實(shí)的振動(dòng)信息反映出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宇華，段發(fā)階，葉聲華等.渦輪機(jī)葉片振動(dòng)的非接觸測(cè)量[J].宇航測(cè)量技術(shù)，2002，22（02）：20-24.

[2]王宇華，段發(fā)階，葉聲華等.旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)量新的技術(shù)方案研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2002（02）：44-46.