淺談汽輪機葉片振動的測量方法

王琳

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

關鍵詞：汽輪機葉片；振動；測量方法

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

從汽輪機制造伊始，測量汽輪機葉片振動頻率和幅度，一直是困擾人們的難題。隨著汽輪機葉片的工況惡劣化，葉片尺寸變大化，功率增大化，這個問題變的越來越棘手。高速旋轉的葉片，受力情況復雜，葉片的外形變化大，葉片振動頻率和振幅也隨之變的復雜。葉片振動理論計算結果無法滿足實際需要，實際測量就成為獲得葉片振動信息的唯一途徑。測量葉片振動，是為了調(diào)節(jié)葉片固有頻率，避免在運行過程中發(fā)生共振，導致葉片發(fā)生斷裂，汽輪機發(fā)生故障，無法運行，帶來經(jīng)濟損失。

從在20世紀30年代，美國西屋公司采用反光鏡，對汽輪機葉片進行振動測量，到現(xiàn)在，研究人員先后采用不同方法進行研究，也取得一些成果。

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

1 接觸式測量法

接觸式測量法，是采用振動信號拾取組件和葉片直接接觸的一種方法。主要方法有反光鏡、應變片-集流環(huán)與無線電遙測。

反光鏡法，首先將一束光通過軸中心孔，光線先經(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，再通過該小反射鏡把光線反射回中心反光鏡，最后再通過軸中心孔反射到熒光屏上進行觀察或照相。整個方法是通過光線經(jīng)兩個反光鏡的反射實現(xiàn)了葉片振動的測量。此方法對于小機組來說很實用，但針對現(xiàn)在的大型機組來說，已經(jīng)不能使用該方法[1]。

應變片-集流環(huán)與無線電遙測，是將應變片牢固粘貼在葉片上，通過應變片來測量振動，并將振動轉化為其他信號，再經(jīng)過分析與處理，以實現(xiàn)對葉片振動頻率和幅度的測量。

應變片方法存在以下問題：1）應變片粘貼在葉片表面上，這樣就改變?nèi)~片自身的動態(tài)特性。2）集流環(huán)與無線電遙測，都會要求安裝在葉片的轉動系統(tǒng)內(nèi)，會影響原來的動平衡性能。3）對應變片粘貼牢固性要求很難達到，隨應變片粘貼位置變化，測量結果也會變化很大。4）應變片-集流環(huán)方法，由于集流環(huán)通道的數(shù)量限制，只能同時測量幾個葉片，不能對整級葉片進行測量，測量結果準確性不高。5）集流環(huán)和無線電遙測裝置，可靠性不好，壽命短[2]。

2 非接觸測量法

非接觸測量方法是在葉輪上方安裝傳感器，測量葉片振動信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到葉片振動狀態(tài)。主要方法有：葉尖定時法、間斷相位法、頻率調(diào)制法、聲響應法以及脈沖調(diào)制法。非接觸式測量方法有很多優(yōu)勢，成為振動測量的主流研究流域，其中葉尖定時的測量方法最為迅速。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。當葉輪轉動時，葉片發(fā)生振動，通過傳感器的實際時間與理論時間的比較，然后對數(shù)據(jù)進行處理，得到葉片振動信息。

2.2 葉尖定時法

葉尖定時法，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的時間，由于葉片振動，葉片到達的實際時間相對無振動時不相等。通過適當?shù)乃惴ǎ瑢r間信號進行處理，得到葉片振動信息。葉尖定時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，在汽輪機內(nèi)壁安裝金屬線柵。葉片轉動時，線柵會產(chǎn)生電信號。而這個信號，在無振動時和有振動時，會有區(qū)別。但是該方法對線柵的制作和安裝工藝有很高的要求，工作復雜。一方面，磁鐵必須嵌入葉輪，破壞了葉輪動態(tài)性；另一方面，嵌入的磁鐵，在受離心力后，容易破壞線柵。

2.4 聲響應法

聲響應法也稱即聲發(fā)射法。最早，是由美國研究人員提出這種方法。工作原理是，通過傳感器，拾取葉片振動時發(fā)出的聲音信號，分析處理得到葉片振動信息。由于運行現(xiàn)場是一個復雜聲音環(huán)境，因此背景噪聲的分辨和過濾就是一個難點，如果不能解決，將會影響數(shù)據(jù)的準確性。

2.5 脈沖調(diào)制法

脈沖調(diào)制法是，在汽輪機機殼上裝一個磁電傳感器，當葉片通過傳感器時，產(chǎn)生一個信號。若葉片未發(fā)生振動，在示波器的顯示器上會出現(xiàn)等距離的連續(xù)脈沖。若葉片發(fā)生振動，脈沖將會發(fā)生變化。傳感器除了磁電式外，還可以采用光學式、電容式、渦流式等，其中以光學式為最好。

3 各種測量方法的對比

與接觸式測量方法相比，非接觸式測量方法與葉片不接觸，對葉片無損傷，對葉片影響的很小，系統(tǒng)結構簡單、安裝調(diào)試方便。其中，葉尖定時法又是非接觸方法中的熱點，是最前沿的研究方法，未來將會成為主要發(fā)展方向。

4 結束語

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

參考文獻：

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

[2]王宇華，段發(fā)階，葉聲華等.旋轉葉片振動測量新的技術方案研究[J].儀表技術與傳感器，2002（02）：44-46.