[发明专利]使用叶尖定时(BTT)监测涡轮机转子叶片的方法和系统

说明书

确定叶尖偏折特性的方法(400)应用于涡轮机(10)中的移动转子叶片(R₁，R₂)，涡轮机(10)包括壳体和转子以及至少一个接近探头(202)，转子包括连接有转子叶片的轴。方法(400)包括测量(402)移动转子叶片(R₁)的接近尖端的出现而产生的接近信号，并且由控制模块(212)计算(404)轴瞬时角位置(IAP)以作为时间函数，并且执行(410)阶比跟踪处理，其包括在角域中表达(412)测得的接近信号并且重新采样(414)该表达的接近信号以使其在角域中等距离。方法(400)包括执行(416)脉冲定位过程，其包括过滤(418)产生复值响应的接近信号，以局部振幅和相位的形式表达(420)复值响应，并计算(422)每个表达信号和参考信号之间的局部相移。

技术领域

本发明涉及涡轮机的监测，更具体地，涉及使用叶尖定时(BTT)监测涡轮机转子叶片的方法和系统。

背景技术

涡轮机可以分为通过旋转叶片从流体(例如任何液体或气体)获取功或者对流体做功的机器。叶片(以下称为转子叶片)连接到旋转的轴(以下称为转子)。因此，转子叶片是任何涡轮机运行的基础。

由于转子叶片是机械结构，整个结构在被激励时(即，当动态载荷施加到结构上时，例如当转子叶片从流体获取能量或向流体施加能量时)会振动。在每个瞬时转子的叶尖偏折被定义为叶尖从其非振动状态(即静止状态)的位移距离。因此，叶尖偏折是除了由于转子旋转而导致的转子叶片所经历的刚性转动之外的转子叶尖的位置变化。

叶尖定时(BTT)是一种用于测量转子叶片叶尖偏折的非入侵性技术，因为转子叶片经过安装在涡轮机壳体上的固定传感器或探头。根据预期到达时间和实际到达时间(或ToA，Time-of-Arrival)的获知来计算叶尖偏折。存在许多种不同的方法来根据所测的ToA时间确定叶尖偏折。可以使用复杂的算法和方法(如在PCT专利申请PCT/IB2017/052364中公开的一种方法)来估测诸如振幅、频率和相位的振动特性。

所有这些算法都使用尖端偏折测量来确定转子叶片的振动特性。因此，尖端偏折测量尽可能准确是非常重要的。尖端偏折的计算精度取决于诸如数据采集系统的采样率以及当转子叶片经过探头下方时接近探头的脉冲波形的形状等因素。如果数据采集系统的采样率是次优的，则确定转子叶尖位移的传统方法就不够准确。

BTT与应变计测量相比具有许多优点，应变计测量是进行转子叶片振动测量的传统方法之一。应变计应用于转子叶片的根部。它们通常用电池或滑环连接电缆来供电。然后，测量的信号通过遥感系统或滑环传递。应变计方法的局限性是成本、使用寿命并且仅能够检测有限数量的叶片。应变计还会改变其所安装的叶片的动态特性。相比之下，BTT方法可以测量转子级中的所有叶片，并具有更长的使用寿命[1,2,3]。尖端偏折可以与有限元模型(FEM)相关联，以估算转子叶片的动态应力[4]。这允许人们评估共振的严重性并且可以用于预测转子30个叶片的剩余寿命。任何BTT系统的最基本的任务是确定转子叶尖偏折。

BTT的实用性取决于可以测量转子叶尖偏折的精度。如果测量的尖端偏折中存在太多噪声，则振动振幅的严重性可能被高估或低估或完全错误。通过使用用于计算叶尖偏折的标准现有技术等式来说明该结论[5]：

x＝ΩRΔt (1)

在等式(1)中，x表示转子叶尖位移，Ω是转子速度，R是转子叶片的外径，Δt是测量的到达时间和预期的无振动到达时间的差。从等式(1)可以看出叶尖偏折与时间差成正比。

即使测量的实际到达时间的非常小的误差也可能导致较大的叶尖偏折误差。到达时间差误差带来的叶尖偏折误差可以通过式(1)得出并乘以测量到达时间的误差：

δx＝ΩRδt (2)