電渦流式汽輪機(jī)自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量研究

周 琦，段發(fā)階，葉德超，李楊宗，邢 琛

(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.善測(cè)(天津)科技有限公司，天津 300382)

0 引言

隨著節(jié)能降耗的迫切需要，汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片多采用整圈自鎖阻尼葉片，如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)具有調(diào)頻振型少，動(dòng)應(yīng)力小，葉頂自帶圍帶降低漏氣損失等優(yōu)點(diǎn)[1]。同時(shí)，在目前靈活性電力調(diào)峰應(yīng)用中，葉片的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致葉片故障發(fā)生幾率增多。其中葉尖間隙是影響汽輪機(jī)性能的重要參數(shù)之一，葉尖間隙過(guò)大將導(dǎo)致工作效率降低，甚至?xí)l(fā)喘振；葉尖間隙過(guò)小，將導(dǎo)致葉片與機(jī)匣間的摩擦，產(chǎn)生故障，影響汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)安全[2]。因此對(duì)整圈自鎖葉片的葉尖間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，是保證汽輪機(jī)在高效安全狀態(tài)下運(yùn)行的有效措施。

圖1 整圈自鎖結(jié)構(gòu)葉片造型

本文提出一種改進(jìn)的葉尖間隙測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器在汽輪機(jī)自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量中的應(yīng)用，并根據(jù)測(cè)量要求，設(shè)計(jì)一種電渦流傳感器及其信號(hào)處理方法，使其能滿足汽輪機(jī)自鎖葉片葉尖間隙的測(cè)量要求，然后在某型汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片進(jìn)行葉尖間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所述改進(jìn)的葉尖間隙測(cè)量方法應(yīng)用于自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量的有效性，可測(cè)量轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min，整圈葉片個(gè)數(shù)達(dá)60個(gè)的自鎖葉片葉尖間隙。

1 自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量方法

1.1 葉尖間隙測(cè)量方法

葉尖間隙測(cè)量技術(shù)是將傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的靜止機(jī)匣上，實(shí)現(xiàn)葉尖距傳感器間隙值的測(cè)量[3]。目前的測(cè)量方法包括放電探針?lè)ā⒓す馊欠?、光纖束法、電容法等。但由于機(jī)組運(yùn)行環(huán)境通常存在大量蒸汽和雜質(zhì)，以及工況復(fù)雜等現(xiàn)狀，導(dǎo)致上述方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)葉片葉尖間隙的測(cè)量。

電渦流法和上述方法相比，克服了受機(jī)組運(yùn)行環(huán)境及工況影響的約束，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比高、頻率響應(yīng)快，能在較污染的環(huán)境下工作的優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合汽輪機(jī)葉片葉尖間隙測(cè)量。

同時(shí)，雖然電渦流法有一定的溫度條件限制，但其工作溫度(260 ℃以下)已能夠滿足電廠汽輪機(jī)葉片的工作環(huán)境要求[4]。

1.2 電渦流傳感器測(cè)量原理

電渦流傳感器的敏感元件是探頭線圈，測(cè)量原理如圖2所示。當(dāng)給探頭線圈導(dǎo)入交變電流時(shí)，線圈周?chē)纬山蛔兇艌?chǎng)，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近探頭線圈時(shí)，穿過(guò)導(dǎo)體的磁通量隨時(shí)間而變化，在導(dǎo)體表面感應(yīng)生成電渦流。電渦流產(chǎn)生的磁通與探頭線圈的磁通方向相反，抵消了探頭線圈的部分磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致探頭線圈的電感量L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化[5]。這種變化與導(dǎo)體的幾何尺寸、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)，也與探頭線圈的幾何參量、電流的頻率和探頭線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。

圖2 電渦流傳感器測(cè)量原理圖

傳統(tǒng)電渦流傳感器測(cè)量原理是控制上述參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)改變，而保持其余參數(shù)恒定不變，則阻抗Z就成為這個(gè)變化參數(shù)的單值函數(shù)[6-8]。

1.3 改進(jìn)的葉尖間隙測(cè)量方法

根據(jù)電渦流傳感器測(cè)量原理，阻抗Z與自鎖葉片的磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率δ，交變電流的幅值I、頻率f，葉尖間隙d，自鎖葉片尺寸因子K和探頭尺寸因子K′有關(guān)，因此阻抗Z與各參數(shù)可表示為

Z=f(μ,δ,I,f,d,K,K′)

(1)

某型汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片特征如圖3所示，根據(jù)自鎖葉片結(jié)構(gòu)特征，每個(gè)圍帶互相鎖緊，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，自鎖葉片及其鎖緊處會(huì)交替經(jīng)過(guò)探頭，因此無(wú)法直接采用傳統(tǒng)電渦流傳感器測(cè)量原理即令阻抗Z成為葉尖間隙的單值函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)葉尖間隙d的測(cè)量。

圖3 測(cè)量方法原理圖

根據(jù)實(shí)際工作情況，安裝于汽輪機(jī)靜止機(jī)匣上的電渦流傳感器探頭線圈的阻抗Z由葉尖間隙d和自鎖葉片尺寸因子K共同作用，其他參數(shù)可認(rèn)為處于固定不變的狀態(tài)。因此可將式(1)簡(jiǎn)化為阻抗Z和間隙d、自鎖葉片尺寸因子K的函數(shù)關(guān)系，表示為

Z=f(d,K)

(2)

同時(shí)，由于在旋轉(zhuǎn)時(shí)，自鎖葉片及鎖緊處會(huì)交替經(jīng)過(guò)探頭，根據(jù)探頭感受到的實(shí)際自鎖葉片，可令自鎖葉片尺寸因子K在自鎖葉片處表示為K1，在自鎖葉片鎖緊處表示為K2，因此在經(jīng)過(guò)自鎖葉片時(shí)阻抗Z1可表示為

Z1=f(d,K1)

(3)

在經(jīng)過(guò)自鎖葉片鎖緊處時(shí)，阻抗Z2可表示為

Z2=f(d,K2)

(4)

因此當(dāng)汽輪機(jī)工作時(shí)，每經(jīng)過(guò)一自鎖葉片及其鎖緊處，阻抗變化量ΔZ可表示為

ΔZ=Z1-Z2=f(d,K1)-f(d,K2)

(5)

同時(shí)，由于尺寸因子K1和K2是互相獨(dú)立的，因此式(5)可表示為

ΔZ=f(d,K1)-f(d,K2)=f(d,K1-K2)

(6)

根據(jù)實(shí)際安裝和工作情況，自變量(K1-K2)為一恒定不變參數(shù)，因此可將式(6)表示為

ΔZ=f(d)

(7)

即可通過(guò)電渦流傳感器探頭線圈阻抗變化量ΔZ來(lái)表征汽輪機(jī)自鎖葉片葉尖間隙d。

由于直接測(cè)量阻抗難度較高，因此可通過(guò)信號(hào)處理將其轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量。如圖3所示，當(dāng)葉尖間隙為d，且位于自鎖葉片處時(shí)的電壓為U1，位于鎖緊處時(shí)的電壓為U2，則電壓變化量ΔU可表示為

ΔU=U1-U2

(8)

因此式(7)可轉(zhuǎn)化為電壓變化量ΔU與間隙d的單值函數(shù)，即

ΔU=f(d)

(9)

通過(guò)式(9)可得到其反函數(shù)

d=f(ΔU)

(10)

2 電渦流傳感器設(shè)計(jì)及信號(hào)處理方法

2.1 電渦流傳感器設(shè)計(jì)

設(shè)電渦流傳感器探頭信號(hào)感知區(qū)域直徑為ds，葉尖線速度為v，鎖緊處掃過(guò)探頭至信號(hào)最大值的上升時(shí)間為T(mén)。則當(dāng)探頭端面與圍帶端面平行時(shí)，信號(hào)上升時(shí)間T可表示為

T=ds/v

(11)

汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片葉頂直徑可達(dá)4 m以上，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min時(shí)，計(jì)算得葉尖線速度v為628 m/s，設(shè)ds為0.03 m，則式(11)中信號(hào)上升時(shí)間T為47 μs。通常，上升時(shí)間T不為零的非正弦信號(hào)的有效帶寬BW估算為[9]

BW=3.5/T

(12)

同時(shí)由于電渦流傳感器感知信號(hào)類(lèi)似高斯形狀，為保證信號(hào)的完整性，取有效帶寬BW的3倍，因此由式(11)、式(12)計(jì)算得電渦流傳感器響應(yīng)帶寬需達(dá)到23 kHz。

同時(shí)由于汽輪機(jī)與電子間有一定的距離，因此在電廠環(huán)境下電渦流傳感器需滿足10～20 m的傳輸距離，且需用金屬護(hù)管密封保護(hù)，避免長(zhǎng)期工作時(shí)蒸汽對(duì)線纜的影響，因此需采用三同軸電纜和驅(qū)動(dòng)屏蔽技術(shù)提高抗干擾能力。

設(shè)計(jì)滿足上述要求的電渦流傳感器，探頭內(nèi)部由線圈和一定容量的高穩(wěn)定電容并聯(lián)構(gòu)成諧振回路。探頭及電纜驅(qū)動(dòng)等效電路如圖4所示，高頻激勵(lì)源使探頭線圈周?chē)纬纱艌?chǎng)，圍帶及其鎖緊處靠近探頭端面時(shí)產(chǎn)生電渦流，并反過(guò)來(lái)作用于探頭線圈，使其和高穩(wěn)定電容組成的諧振電路的阻抗Z發(fā)生變化，通過(guò)三同軸電纜傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，在遠(yuǎn)端阻抗Z經(jīng)處理得到電壓U后再經(jīng)過(guò)相應(yīng)算法即可求出被測(cè)量葉尖間隙d。

圖4 探頭及電纜驅(qū)動(dòng)等效電路圖

圖5為基于上述方法設(shè)計(jì)的電渦流傳感器實(shí)物圖，該結(jié)構(gòu)可以提高電渦流傳感器的頻率響應(yīng)，消除傳輸線纜寄生電容的影響，從而提高電渦流傳感器測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)滿足電廠環(huán)境的葉尖間隙測(cè)量。

圖5 電渦流傳感器實(shí)物圖

2.2 信號(hào)處理方法

如圖6所示，電渦流傳感器的阻抗Z由三同軸電纜傳輸至遠(yuǎn)端，高頻激勵(lì)源將其轉(zhuǎn)換為電壓U，經(jīng)運(yùn)放放大后還需進(jìn)一步的信號(hào)調(diào)理。

圖6 調(diào)幅解調(diào)電路構(gòu)成圖

正交檢波可以避免譜線折疊，降低對(duì)射頻功率的要求，提高信噪比[10]。低通濾波對(duì)正交檢波輸出信號(hào)進(jìn)行平滑處理，以恢復(fù)原信號(hào)波形。通過(guò)提取正交檢波中的相位、正交等信息反饋并動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)境變化的影響，以滿足適應(yīng)電廠環(huán)境測(cè)量的需求。

如圖7所示，經(jīng)調(diào)幅解調(diào)電路得到剔除噪聲等不利因素的電壓U，經(jīng)100 kHz的信號(hào)采集將電壓U傳輸?shù)叫盘?hào)預(yù)處理模塊。信號(hào)預(yù)處理模塊中預(yù)先設(shè)置上下閾值，超過(guò)上閾值的最高點(diǎn)與低于下閾值的最低點(diǎn)可求得一電壓變化量ΔU，為一自鎖葉片及其鎖緊處通過(guò)探頭產(chǎn)生的電壓脈沖。將電壓變化量ΔU代入標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的式(10)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可得到葉尖間隙d。

圖7 信號(hào)處理方法構(gòu)成圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 葉尖間隙-電壓變化量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

由于不同型號(hào)自鎖葉片結(jié)構(gòu)不同，因此為得到式(9)的具體函數(shù)關(guān)系，需進(jìn)行前期間隙-電壓變化量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

電廠汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片葉頂直徑在4 m以上，工作時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000 r/min，通過(guò)計(jì)算可得自鎖葉片葉頂線速度達(dá)到628 m/s以上。同時(shí)自鎖葉片鎖緊處長(zhǎng)度在0.1 m左右，電渦流傳感器探頭直徑為0.03 m，通過(guò)計(jì)算可得自鎖葉片鎖緊處經(jīng)過(guò)電渦流傳感器探頭的時(shí)間為0.207 ms。因此可認(rèn)為汽輪機(jī)自鎖葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)圍帶鎖緊處經(jīng)過(guò)電渦流傳感器探頭時(shí)為一水平直線。

基于此搭建自鎖葉片葉尖間隙標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖8所示，兩個(gè)自鎖葉片圍帶以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)真實(shí)鎖緊情況安裝于固定臺(tái)上。三維位移臺(tái)可令固定臺(tái)在x、y、z3個(gè)方向移動(dòng)。電機(jī)可驅(qū)動(dòng)三維位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)固定臺(tái)在x軸方向的勻速運(yùn)動(dòng)，以模擬自鎖葉片旋轉(zhuǎn)方向?？烧{(diào)節(jié)y軸以保證電渦流傳感器與自鎖葉片圍帶的相對(duì)位置與真實(shí)安裝要求是一致的。

圖8 自鎖葉片葉尖間隙標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)

電渦流傳感器固定在自鎖葉片圍帶上方，經(jīng)過(guò)調(diào)整需保證探頭端面與圍帶端面平行，電渦流傳感器通過(guò)三同軸電纜與信號(hào)調(diào)理模塊相連，信號(hào)調(diào)理模塊通過(guò)雙頭BNC線與信號(hào)采集模塊相連，信號(hào)采集模塊通過(guò)網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連，以保證信號(hào)的有效傳輸。

通過(guò)電機(jī)控制三維位移臺(tái)，使其在x軸方向勻速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓波形曲線。輸出電壓波形如圖9所示，通過(guò)該曲線可得電壓變化量ΔU，該電壓變化量ΔU即為由于葉尖間隙d和自鎖葉片圍帶及其鎖緊處交替而產(chǎn)生的電壓變化，對(duì)應(yīng)一葉尖間隙d。

圖9 標(biāo)定電壓波形圖

通過(guò)z軸調(diào)節(jié)改變?nèi)~尖間隙d，以0.1 mm為間隔，重復(fù)上述步驟，即可得到不同葉尖間隙d和電壓變化量ΔU的對(duì)應(yīng)關(guān)系。標(biāo)定曲線如圖10所示，通過(guò)最小二乘法擬合，可得到一多項(xiàng)式方程，該方程即為式(9)的具體函數(shù)關(guān)系。其線性擬合度R2達(dá)到0.999以上，說(shuō)明通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的葉尖間隙-電壓變化量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的式(9)可作為后續(xù)自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過(guò)式(9)可得其反函數(shù)式(10)，作為后續(xù)自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)的電壓變化量ΔU與葉尖間隙d對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

圖10 電壓變化量-葉尖間隙標(biāo)定曲線圖

3.2 自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述汽輪機(jī)自鎖葉片葉尖間隙測(cè)量方法的可行性，在某高速動(dòng)平衡室對(duì)某型汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集自鎖葉片葉尖間隙的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所用自鎖葉片葉頂直徑為4 m，整圈由60個(gè)自鎖葉片組成，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖11所示，將電渦流傳感器固定安裝于汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片下方，經(jīng)角度調(diào)整使探頭端面與圍帶端面平行，經(jīng)位置調(diào)整使安裝位置與前期標(biāo)定位置一致，測(cè)量探頭端面與圍帶端面的初始間隙為12.09 mm。

圖11 電渦流傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，啟動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速逐漸增加直至3 000 r/min。調(diào)整轉(zhuǎn)子，控制轉(zhuǎn)速多次增加和降低，采集實(shí)時(shí)葉尖間隙數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速及整圈自鎖葉片的數(shù)量，為充分保證信號(hào)采集的真實(shí)性，葉尖間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集采用單通道100 kHz采樣頻率。圖12所示為3 000 r/min轉(zhuǎn)速下采集3.5 ms的時(shí)域信號(hào)，根據(jù)理論計(jì)算，整圈自鎖葉片個(gè)數(shù)為60，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，3.5 ms可采集10個(gè)脈沖信號(hào)，與圖12的實(shí)際采集脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)一致，說(shuō)明上述電渦流傳感器及其信號(hào)處理方法可有效采集到每個(gè)自鎖葉片鎖緊處通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。

圖12 動(dòng)態(tài)采集的時(shí)域電壓信號(hào)

將動(dòng)態(tài)采集的時(shí)域電壓信號(hào)按上述信號(hào)處理方法處理取得其每個(gè)脈沖的電壓變化量ΔU，代入前期標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中得到的式(10)中，即可得到如圖13所示的葉尖間隙隨轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化曲線，可以得出以下結(jié)論：

(1)上述改進(jìn)的葉尖間隙測(cè)量方法可有效測(cè)量到汽輪機(jī)自鎖葉片的葉尖間隙；

(2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于自鎖葉片受離心力等因素的影響，理論上葉尖間隙應(yīng)隨轉(zhuǎn)速增大而減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體趨勢(shì)變化驗(yàn)證了該理論；

(3)與第2次實(shí)驗(yàn)相比，由于第1次實(shí)驗(yàn)增加了汽激方式的模擬葉片振動(dòng)，因此，從圖13(a)中的1、2、3可以看出，第1次實(shí)驗(yàn)中有3次轉(zhuǎn)速及葉尖間隙的波動(dòng)情況，即汽激導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)速和葉尖間隙產(chǎn)生波動(dòng)。

(4)實(shí)驗(yàn)環(huán)境為完全封閉狀態(tài)，長(zhǎng)期工作環(huán)境溫度上升，由于金屬存在熱膨脹效應(yīng)，因此自鎖葉片會(huì)整體伸長(zhǎng)。以圖13(b)為例，方框4、5處轉(zhuǎn)速相同，但方框4中葉尖間隙大于方框5中葉尖間隙，且方框5后轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，葉尖間隙進(jìn)一步減小。

(a)第1次

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)汽輪機(jī)自鎖葉片由于存在鎖緊結(jié)構(gòu)而無(wú)法應(yīng)用傳統(tǒng)葉尖間隙測(cè)量原理的問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的葉尖間隙測(cè)量方法，通過(guò)自鎖葉片特征得到葉尖間隙與電壓變化量的關(guān)系。設(shè)計(jì)了適用于汽輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝的電渦流傳感器及其信號(hào)處理方法，使其滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。

在某型汽輪機(jī)末級(jí)自鎖葉片進(jìn)行了葉尖間隙實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明提出的方法及設(shè)計(jì)的電渦流傳感器在轉(zhuǎn)速3 000 r/min仍能進(jìn)行有效工作，能正確監(jiān)測(cè)到自鎖葉片的葉尖間隙隨轉(zhuǎn)速變化的信號(hào)。

實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)自鎖葉片葉尖間隙的實(shí)時(shí)測(cè)量，滿足電廠在汽輪機(jī)自鎖葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，保證電廠工作的安全可靠性。