浅谈汽轮机叶片振动的测量方法

2017-05-08王琳

山东工业技术 2017年8期

王琳

摘要：汽轮机叶片损坏的主要原因之一是异常振动，这样将导致汽轮机发生故障，因此测量叶片振动参数的技术显得很重要。本文着重介绍汽轮机叶片振动的测量方法。

关键词：汽轮机叶片；振动；测量方法

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

从汽轮机制造伊始，测量汽轮机叶片振动频率和幅度，一直是困扰人们的难题。随着汽轮机叶片的工况恶劣化，叶片尺寸变大化，功率增大化，这个问题变的越来越棘手。高速旋转的叶片，受力情况复杂，叶片的外形变化大，叶片振动频率和振幅也随之变的复杂。叶片振动理论计算结果无法满足实际需要，实际测量就成为获得叶片振动信息的唯一途径。测量叶片振动，是为了调节叶片固有频率，避免在运行过程中发生共振，导致叶片发生断裂，汽轮机发生故障，无法运行，带来经济损失。

从在20世纪30年代，美国西屋公司采用反光镜，对汽轮机叶片进行振动测量，到现在，研究人员先后采用不同方法进行研究，也取得一些成果。

测量方法，从最初的反光镜测量法，然后是应变片-集流环、无线电遥感，到现在的非接触测量法，测量方法飞速的发展起来。传统理论认为，测量方法分为两大种，接触式测量和非接触式测量，区分依据是否有传感器和装置接近叶片。

1 接触式测量法

接触式测量法，是采用振动信号拾取组件和叶片直接接触的一种方法。主要方法有反光镜、应变片-集流环与无线电遥测。

反光镜法，首先将一束光通过轴中心孔，光线先经中心反光镜的反射，照在粘贴于叶片顶部附近的小反射镜上，再通过该小反射镜把光线反射回中心反光镜，最后再通过轴中心孔反射到荧光屏上进行观察或照相。整个方法是通过光线经两个反光镜的反射实现了叶片振动的测量。此方法對于小机组来说很实用，但针对现在的大型机组来说，已经不能使用该方法[1]。

应变片-集流环与无线电遥测，是将应变片牢固粘贴在叶片上，通过应变片来测量振动，并将振动转化为其他信号，再经过分析与处理，以实现对叶片振动频率和幅度的测量。

应变片方法存在以下问题：1）应变片粘贴在叶片表面上，这样就改变叶片自身的动态特性。2）集流环与无线电遥测，都会要求安装在叶片的转动系统内，会影响原来的动平衡性能。3）对应变片粘贴牢固性要求很难达到，随应变片粘贴位置变化，测量结果也会变化很大。4）应变片-集流环方法，由于集流环通道的数量限制，只能同时测量几个叶片，不能对整级叶片进行测量，测量结果准确性不高。5）集流环和无线电遥测装置，可靠性不好，寿命短[2]。

2 非接触测量法

非接触测量方法是在叶轮上方安装传感器，测量叶片振动信息，经数据处理后，得到叶片振动状态。主要方法有：叶尖定时法、间断相位法、频率调制法、声响应法以及脉冲调制法。非接触式测量方法有很多优势，成为振动测量的主流研究流域，其中叶尖定时的测量方法最为迅速。之前，间断相位法也是比较有前途、有影响力的测量方法。

2.1 间断相位法

间断相位法，把传感器依次安装叶轮外壳体、叶轮根部。当叶轮转动时，叶片发生振动，通过传感器的实际时间与理论时间的比较，然后对数据进行处理，得到叶片振动信息。

2.2 叶尖定时法

叶尖定时法，把传感器沿径向安装在叶轮外壳体上，利用传感器记录叶片到来的时间，由于叶片振动，叶片到达的实际时间相对无振动时不相等。通过适当的算法，对时间信号进行处理，得到叶片振动信息。叶尖定时法是间断相位法的发展和继承。

2.3 频率调制法

频率调制法是在叶片上嵌入小磁铁，在汽轮机内壁安装金属线栅。叶片转动时，线栅会产生电信号。而这个信号，在无振动时和有振动时，会有区别。但是该方法对线栅的制作和安装工艺有很高的要求，工作复杂。一方面，磁铁必须嵌入叶轮，破坏了叶轮动态性；另一方面，嵌入的磁铁，在受离心力后，容易破坏线栅。

2.4 声响应法

声响应法也称即声发射法。最早，是由美国研究人员提出这种方法。工作原理是，通过传感器，拾取叶片振动时发出的声音信号，分析处理得到叶片振动信息。由于运行现场是一个复杂声音环境，因此背景噪声的分辨和过滤就是一个难点，如果不能解决，将会影响数据的准确性。

2.5 脉冲调制法

脉冲调制法是，在汽轮机机壳上装一个磁电传感器，当叶片通过传感器时，产生一个信号。若叶片未发生振动，在示波器的显示器上会出现等距离的连续脉冲。若叶片发生振动，脉冲将会发生变化。传感器除了磁电式外，还可以采用光学式、电容式、涡流式等，其中以光学式为最好。

3 各种测量方法的对比

与接触式测量方法相比，非接触式测量方法与叶片不接触，对叶片无损伤，对叶片影响的很小，系统结构简单、安装调试方便。其中，叶尖定时法又是非接触方法中的热点，是最前沿的研究方法，未来将会成为主要发展方向。