無(wú)線電遙測(cè)在汽輪機(jī)葉片試驗(yàn)中的應(yīng)用

祁　峰，　何卓?jī)x，　吳　偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院　上?！?00070

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無(wú)線電遙測(cè)在汽輪機(jī)葉片試驗(yàn)中的應(yīng)用

祁峰，何卓?jī)x，吳偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

摘要：介紹了無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)在二次再熱汽輪機(jī)中壓末級(jí)葉片動(dòng)頻測(cè)試中的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了測(cè)試設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)、試驗(yàn)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及試驗(yàn)部件的安裝。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電遙測(cè); 動(dòng)頻試驗(yàn)； 汽輪機(jī)葉片

Abstract:This paper gives an introduction on the application of radio telemetry in dynamic frequency test of medium pressure exhaust stage blades of the secondary reheat steam turbine and a detail description on the structural feature of the test blade and the installation of the test components.

Key Words:Radio Telemetry; Dynamic Frequency Test; Turbine Blade

在世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的綜合要求下，歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都已再次制定了大規(guī)模發(fā)展清潔能源的產(chǎn)業(yè)計(jì)劃。而不斷提高汽輪機(jī)機(jī)組的效率是大勢(shì)所趨，也是市場(chǎng)對(duì)核電站汽輪機(jī)的迫切要求。

無(wú)論從效率角度還是安全角度，末級(jí)長(zhǎng)葉片都是大容量核電汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件。從原理上說，每個(gè)直徑、葉高、喉部面積確定的葉片都有一個(gè)最佳余速損失，即最佳軸向排氣以及對(duì)應(yīng)的最佳容積流量。所以，各大汽輪機(jī)制造企業(yè)都在不斷完善自己的長(zhǎng)葉片體系，不斷開發(fā)新型的長(zhǎng)葉片，以適應(yīng)不同機(jī)組的要求。開發(fā)具有世界先進(jìn)水平的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電長(zhǎng)葉片系列，是發(fā)展我國(guó)獨(dú)立自主重大裝備制造業(yè)的關(guān)鍵之一，縱觀國(guó)際和國(guó)內(nèi)任何一家汽輪機(jī)制造企業(yè)，無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用在長(zhǎng)葉片動(dòng)頻試驗(yàn)都是長(zhǎng)葉片開發(fā)體系中的重要一環(huán)。盡管汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸引進(jìn)先進(jìn)的CFD和CAE設(shè)計(jì)手段，通過這些設(shè)計(jì)手段可以很好地模擬葉片的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確地計(jì)算出葉片的振動(dòng)特性，但是采用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)的葉片動(dòng)頻試驗(yàn)仍然是長(zhǎng)葉片開發(fā)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，它是長(zhǎng)葉片開發(fā)過程中最終保證葉片安全運(yùn)行最直觀也是最有說服力的。

通常,對(duì)調(diào)頻葉片而言,為了避免葉片危險(xiǎn)振型,如A0、B0、A1型的固有頻率與激振力頻率產(chǎn)生共振,設(shè)計(jì)時(shí),必須將它們兩者調(diào)開,并使其頻率避開一定范圍。葉片的調(diào)頻是以動(dòng)頻作為依據(jù),動(dòng)頻是指考慮離心力影響后的葉片固有頻率,實(shí)際上,由于葉片加工、裝配以及理論計(jì)算頻率值本身存在誤差等因素的影響,理論計(jì)算動(dòng)頻值與實(shí)際值往往有一定的差距,因此,對(duì)新設(shè)計(jì)的葉片,為了準(zhǔn)確把握葉片動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性,保證葉片的安全運(yùn)行,測(cè)量葉片的動(dòng)頻值是非常重要的。本文主要介紹了運(yùn)用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)對(duì)二次再熱汽輪機(jī)中壓末級(jí)葉片進(jìn)行動(dòng)頻試驗(yàn)。

1無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)

1.1　測(cè)試原理

采用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)測(cè)量葉片動(dòng)頻，在被測(cè)葉片上粘貼電阻應(yīng)變片作為傳感元件，通過引線與微型發(fā)射機(jī)相連，葉片受到激振力作用產(chǎn)生振動(dòng)，引起應(yīng)變片阻值的變化，其信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)調(diào)制發(fā)射。射頻信號(hào)通過接收天線、并經(jīng)高頻電纜送至接收機(jī)，接收機(jī)進(jìn)行記錄和實(shí)時(shí)顯示。

1.2　測(cè)試設(shè)備及系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示,所用主要設(shè)備如下所列，其中關(guān)鍵的無(wú)線電遙測(cè)整套設(shè)備采用德國(guó)DATATEL公司的產(chǎn)品。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)框圖

(1) 微型發(fā)射機(jī)6臺(tái)(德國(guó)DATATEL)；

(2) 3通道接收機(jī)3臺(tái)(德國(guó)DATATEL)；

(3) 高能電池組6組(法國(guó)SAFT)；

(4) 應(yīng)變片6片(中航工業(yè)BF-350-6AA(11)-X6片)；

(5) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及頻譜分析儀(日本小野測(cè)器DS-3200)；

(6) 接收天線環(huán)和天線匹配器(自制)；

(7) 示波器(泰克)；

(8) 轉(zhuǎn)速表(小野測(cè)器TM3130)；

(9) 溫度表(國(guó)產(chǎn))；

(10) 其它儀器設(shè)備及輔助零部件。

2試驗(yàn)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

二次再熱汽輪機(jī)中壓末級(jí)葉片是上海汽輪機(jī)廠新開發(fā)的采用整體圍帶結(jié)構(gòu)的葉片，整體圍帶具有兩個(gè)基本功能： 一是圍帶相互接觸形成了蒸汽通道的周向邊界，因此使級(jí)間氣封效果更佳，從而保證漏氣損失最小化；二是為每個(gè)單獨(dú)葉片在其頂部相互緊靠提供了有效支承。為了在所有工況下保持這種360°環(huán)形支承，必須對(duì)菱形圍帶施加彈性預(yù)緊力。根據(jù)西門子目前已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，中壓第13級(jí)葉片(左、右旋)的頻率超出了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)范圍，因此需要對(duì)中壓13級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)行調(diào)頻試驗(yàn)，以掌握其真實(shí)的運(yùn)行頻率，進(jìn)而確定葉片在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)能否形成有效的整圈連接特性，并通過圍帶尺寸的改變，將葉片頻率調(diào)整在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。

3試驗(yàn)部件安裝

3.1　粘貼應(yīng)變片及安裝

在被測(cè)葉片近根部出汽邊背弧表面粘貼應(yīng)變片，根據(jù)葉片動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算值及葉片圍帶間隙狀況，確定應(yīng)變片粘貼的位置，末級(jí)粘貼6片應(yīng)變片。粘貼應(yīng)變片前要進(jìn)行嚴(yán)格的葉片表面清潔處理，用專用的砂紙進(jìn)行打磨光潔，用酒精等清理劑清除灰塵、油污、鐵屑等。粘貼應(yīng)變片要用特殊的膠水，并在應(yīng)變片上涂上密封膠，敷上一層紗布起到吸潮作用，使其有足夠的時(shí)間進(jìn)行固化。

布線區(qū)域同樣要進(jìn)行葉片表面清潔處理，末級(jí)測(cè)試引線由末級(jí)葉片應(yīng)變片處引至轉(zhuǎn)子平衡槽，引線套上絕緣熱縮套管，用不銹鋼卡子定位，并涂膠，待膠完全固化后封不銹鋼皮，如圖2所示。

圖2　應(yīng)變片被不銹鋼皮封住

3.2　發(fā)射機(jī)、電池、發(fā)射天線的安裝

發(fā)射機(jī)、電池分別裝在特制的不銹鋼螺栓中，單獨(dú)成為一個(gè)單元體，沿軸向?qū)ΨQ固定在轉(zhuǎn)子端部的平衡槽中，在螺栓的螺紋處涂上專用的密封膠并用專用扳手進(jìn)行擰緊固定。應(yīng)變片信號(hào)通過引線直接接入微型發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，值得注意的是，電池只有在正式開始試驗(yàn)前才接入系統(tǒng)中，避免過早損耗電池,影響正式測(cè)試。試驗(yàn)共安裝6臺(tái)發(fā)射機(jī)，如圖3所示。

圖3　發(fā)射機(jī)安裝在轉(zhuǎn)子平衡孔槽中

3.3　接收天線的安裝

接收天線、匹配器固定在特制絕緣半環(huán)中，兩個(gè)半環(huán)固定在特制的鋼架上，形成環(huán)形，調(diào)節(jié)鋼架的連接裝置，調(diào)整環(huán)形結(jié)構(gòu)。鋼架端面固定在動(dòng)平衡軸承座的擋油板上，由螺釘固定。發(fā)射天線平面與接受天線平面距離調(diào)整到整個(gè)圓周并保持均勻，接收天線獲得的信號(hào)，經(jīng)過高頻電纜采用密封引線孔引到動(dòng)平衡筒體外的接收機(jī)上。

3.4　激振裝置的安裝

實(shí)際運(yùn)行工況下,葉片所承受的汽流激振力很復(fù)雜,從葉片調(diào)頻的角度出發(fā),可大致分成兩類： 一類是高頻激振力；另一類為低頻激振力。本文的試驗(yàn)對(duì)象為二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)中壓末級(jí)葉片,主要是要避開與轉(zhuǎn)速倍數(shù)Kn有關(guān)的低頻共振。試驗(yàn)在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,激振源主要來自轉(zhuǎn)子殘余不平衡量,為了得到較好的激振效果,調(diào)頻測(cè)試中采用了氮?dú)鈱?duì)葉片進(jìn)行激振,激振噴嘴安裝在葉片出氣側(cè)并對(duì)準(zhǔn)葉片葉頂部位，噴嘴氣流方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同,噴嘴數(shù)為2個(gè)，激振噴嘴支架為桁架結(jié)構(gòu)，安裝在高速動(dòng)平衡機(jī)的導(dǎo)軌上。

3.5　轉(zhuǎn)速及溫度測(cè)試裝置

轉(zhuǎn)速傳感器安裝在磁性底座上,通過測(cè)試圓形齒輪的齒數(shù)來計(jì)算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,由信號(hào)線引至轉(zhuǎn)速測(cè)速儀,并將信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

而溫度傳感器安裝在天線環(huán)的環(huán)形支架上,用于監(jiān)測(cè)微型發(fā)射機(jī)周圍的溫度,并由信號(hào)線引至溫度記錄儀。

4試驗(yàn)過程及結(jié)果

為了測(cè)試二次再熱汽輪機(jī)中壓末級(jí)葉片在轉(zhuǎn)速2850~3150r/min范圍內(nèi)沒有三重點(diǎn)共振,試驗(yàn)前,調(diào)整激振噴嘴的位置,切換微型發(fā)射機(jī)與應(yīng)變片的連線,將電池接入系統(tǒng)中,用自振法檢測(cè)無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng),確保系統(tǒng)正常工作。

試驗(yàn)開始時(shí)動(dòng)平衡室抽真空,絕對(duì)壓力約為3Torr(1Torr=133.3224Pa)左右，轉(zhuǎn)子升速至2800r/min時(shí)(以100r/min為間隔升速),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始記錄數(shù)據(jù),等轉(zhuǎn)子升速到2850r/min開始開啟氮?dú)饧ふ裱b置,中壓末級(jí)葉片的氮?dú)饧ふ窳?0.8MPa。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至3250r/min時(shí),關(guān)閉氮?dú)饧ふ?，恢?fù)到常壓,試驗(yàn)結(jié)束,溫度監(jiān)測(cè)到最高值為50℃左右。

圖4、圖5是氮?dú)饧ふ袂昂蟮念l譜圖，其中圖4顯示的是氮?dú)饧ふ袂案鞴?jié)徑振動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2850r/min時(shí)開始氮?dú)饧ふ瘢瑘D5顯示2873r/min時(shí)在6、7節(jié)徑中有個(gè)小的擾動(dòng)，頻率為311Hz，與轉(zhuǎn)速信號(hào)無(wú)關(guān)，并不是三重點(diǎn)共振。

5分析和評(píng)價(jià)

二次再熱汽輪機(jī)中壓末級(jí)葉片為整體圍帶結(jié)構(gòu)葉片,根據(jù)理論分析與試驗(yàn)結(jié)果,只有在激振倍率等于節(jié)徑數(shù)即m=K的情況下,能量才會(huì)輸入葉片系統(tǒng),才會(huì)激起危險(xiǎn)的m節(jié)徑共振,這種共振稱為“三重點(diǎn)”共振。即在滿足式(1)時(shí)，會(huì)激起葉片的“三重點(diǎn)”共振。

(1)

式中：fm為葉片的固有動(dòng)頻率，Hz；K為激振倍率；m為節(jié)徑數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r/s。

圖4　各節(jié)徑振動(dòng)

圖5　轉(zhuǎn)速為2873r/min時(shí)激起的小擾動(dòng)，頻率為311Hz

二次再熱汽輪機(jī)中壓末級(jí)葉片動(dòng)頻試驗(yàn)中拾取的振動(dòng)信號(hào)良好，說明無(wú)線電遙測(cè)在汽輪機(jī)葉片試驗(yàn)中的應(yīng)用是可行的、有效的。今后的長(zhǎng)葉片調(diào)頻試驗(yàn)可進(jìn)一步嘗試采用電磁激振代替氮?dú)饧ふ?，以解決在真空環(huán)境下充氮?dú)庖鸬臏厣赡軙?huì)影響到發(fā)射機(jī)的安全問題。

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歐特克發(fā)布2016版設(shè)計(jì)套件

歐特克有限公司(“歐特克”)近日正式發(fā)布其專門面向制造業(yè)專業(yè)人員的2016版設(shè)計(jì)套件及應(yīng)用。這些解決方案具備了突破性的多CAD協(xié)同、3D打印、計(jì)算機(jī)輔助制造和仿真功能，以歐特克全線制造業(yè)產(chǎn)品組合打通客戶完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)流程，其中包括歐特克產(chǎn)品設(shè)計(jì)套件、歐特克工廠設(shè)計(jì)套件以及仿真軟件組合等。制造商們可以從極具成本效益的歐特克2016版設(shè)計(jì)套件中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更優(yōu)產(chǎn)品的同時(shí)降低開發(fā)成本并加快上市時(shí)間。

歐特克公司中國(guó)區(qū)制造業(yè)行業(yè)總監(jiān)鞏文堅(jiān)表示，如今的產(chǎn)品已不再只是單純的產(chǎn)品那么簡(jiǎn)單了?？蛻羝谕a(chǎn)品能夠智能化，能提供互聯(lián)服務(wù)，甚至能長(zhǎng)期不斷地升級(jí)改進(jìn)。這就是為什么我們對(duì)2016版設(shè)計(jì)套件提出更高要求的原因。而“中國(guó)制造2025”的提出為中國(guó)從制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)規(guī)劃出了“三步走”的戰(zhàn)略。為此，我們提供了一整套軟件解決方案來幫助客戶在制造業(yè)變革大潮中贏得先機(jī)領(lǐng)先對(duì)手。

以歐特克2016版產(chǎn)品設(shè)計(jì)套件為例，該產(chǎn)品旨在提供一套綜合全面的設(shè)計(jì)、仿真、協(xié)作和可視化工具，為用戶提供一個(gè)全方位的互聯(lián)式設(shè)計(jì)體驗(yàn)，以幫助用戶在設(shè)計(jì)更好產(chǎn)品的同時(shí)降低開發(fā)成本。而歐特克2016版工廠設(shè)計(jì)套件為工廠客戶提供了具有協(xié)同操作性且布局明確的工作流、基于云端的工廠素材資源以及強(qiáng)大的可視化和分析工具，幫助客戶提高設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度和效率，并強(qiáng)化設(shè)計(jì)過程中的團(tuán)隊(duì)溝通。

(陳棟棟)

中圖分類號(hào):TP7；TK26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1674-540X(2015)02-028-04

作者簡(jiǎn)介：第一 祁峰(1980-)，男，本科，工程師，主要從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備測(cè)試工作，E-mail: qifeng2@shanghai-electric.com

收稿日期：2015年3月