无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法及系统

1.本发明涉及汽轮机叶片非接触式测量技术领域，尤其涉及一种无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法与系统。


背景技术：

2.汽轮机作为传统能源领域的主要设备之一，仍然具有重要作用。汽轮机叶片是汽轮机的重要组成部分，其状态直接影响汽轮机的安全性和经济性。然而，传统的汽轮机叶片检测方法通常采用离线检测，需要对汽轮机进行停机检修，耗费时间和人力成本较高。为了提高汽轮机的运行效率和可靠性，需要开发一种能够在线实时监测汽轮机叶片叶端状态的方法及系统。由于汽轮机工作环境极为恶劣，通常在非设计标准的环境下运行，因此叶片受到的振动信号包含大量的噪声和干扰，使叶片状态的识别和判断变得非常复杂和困难。因此，对于这样一个高速运转的复杂系统，叶片监测需要具备较高的实时性和可扩展性。在这方面，叶尖定时(btt)技术可以满足这一要求。叶尖定时技术是一种近年来兴起的测量技术，采用非接触式测量，利用叶尖传感器确定叶片到达时间，利用转速传感器来确定理想时间，再通过两者时间之差获得叶片振动位移。然而，由于理想到达时间的计算偏差，这种方式可能会造成较大的位移计算误差。为了更准确地计算叶片振动位移，需要消除理想到达时间的误差。通过计算叶尖振动速度来计算叶片振动位移，可以消除理想到达时间的偏差，从而获得更精确的结果。但是通过计算叶尖振动速度计算高频振动，效果并不理想，为了实现高频振动的精确辨识，需要一种新的叶尖定时方法。
3.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种全频域叶端定时振动参数辨识方法和系统，省去了转速传感器，消除了由于理想到达时间不准确造成的影响，计算位移更加精确；降低了传感器的安装要求，更大的提高了叶尖定时的工程应用能力；振动加速度信号具有高精度、高灵敏度和较低噪声等特点，因此叶尖定时加速度算法可以实现高精度的叶片振动位移计算；高频中有更好的识别效果。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明的一种无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法包括：
7.第一步骤s1，建立汽轮机叶片有限元模型并对其进行模态分析，计算汽轮机预定工作转速的振动模态，得到其叶片振动模态参数f＝[f
1 f2…fm
]；
[0008]
第二步骤s2，将k组叶尖定时传感器周向安装在转子叶片机匣上，并获取转子叶片到达叶尖定时传感器的时间序列；
[0009]
第三步骤s3，利用时间序列与叶尖定时传感器的安装角度计算得到叶片振动加速度；
[0010]
第四步骤s4，基于叶尖振动加速度经由周向傅里叶算法获得汽轮机叶片在恒定转速下的振动频率、幅值和相位。
[0011]
所述的方法中，第一步骤s1中，模态分析获取汽轮机叶片模态的数目m，根据叶片模态的数目m确定叶尖定时传感器组数k。
[0012]
所述的方法中，叶尖定时传感器组数k和叶片模态的数目m关系为k＝3m。
[0013]
所述的方法中，第一步骤s1中，每组叶尖定时传感器的数目为三个且每组叶尖定时传感器的角度间隔小于5度。
[0014]
所述的方法中，汽轮机预定工作转速为3000r/min。
[0015]
所述的方法中，根据叶片振动模态参数以及时间序列，构建第n圈叶尖定时传感器角度矩阵
[0016][0017]
其中fm为m阶模态的振动频率，m为模态数，t
k,n
为第k组叶尖定时传感器在第n圈采集到的叶片到达时间的平均值，其中集到的叶片到达时间的平均值，其中为第k组叶尖定时传感器角度较小的一个在第n圈采集到的时间，为第k组叶尖定时传感器角度在中间的一个在第n圈采集到的时间，为第k组叶尖定时传感器角度最大的一个在第n圈采集到的时间。
[0018]
所述的方法中，第三步骤s3中，利用第k组叶尖定时传感器间的角度以及采集到的到达时间计算出叶片叶尖在第n圈内的振动加速度其中，r为汽轮机半径，θ
k,1
、θ
k,2
、θ
k,3
分别为第k组传感器按角度大小排序后的角度，汽轮机转速f
ω
恒定。
[0019]
所述的方法中，第四步骤s4中，基于叶尖振动加速度经由周向傅里叶算法获得叶尖定时振动参数，叶尖定时振动参数包括：
[0020]an
＝φnsn，其中其中为第k组叶尖定时传感器在第n圈获得的振动加速度值；sn＝[i
1 j
1 i
2 j2…im jm]
t
，sn为第n圈振动参数矩阵；
[0021]
不同叶片振动模态下振动加速度幅值振动速度相位不同叶片振动模态下振动速度幅值振动速度相位不同叶片振动模态下振动位移幅值振动速度相位
[0022]
一种实施所述无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法的系统包括，
[0023]
叶片建模及有限元分析模块，其配置成建立汽轮机叶片有限元模型，并进行模态分析，获得叶片振动模态参数f＝[f
1 f2…fm
]；
[0024]
传感器布局模块，其连接所述叶片建模及有限元分析模块，传感器布局模块基于振动模态参数确定叶尖定时传感器的数目，以及根据叶片振动模态参数以及到达时间构建传感器角度矩阵
[0025][0026]
到达时间获取模块，其配置成采集叶片通过叶尖定时传感器的到达时间序列，成组传感器获取到的单个叶片到达时间序列为
[0027]
振动加速度计算模块，其连接到达时间获取模块，振动加速度计算模块利用到达时间计算振动速度，单个叶片振动速度序列为a＝[a
1 a2…an
]；
[0028]
振动参数获取模块，其连接所述传感器布局模块和振动加速度计算模块，振动参数获取模块根据传感器角度矩阵和振动速度用周向傅里叶求解振动参数sn＝[i
1 j
1 i
2 j2…im jm]
t
。
[0029]
有益效果
[0030]
本发明没有转速传感器，简化了安装结构，提高了在大型装置中的应用空间。无转速设计能消除理想到达时间不准带来的测量误差，将叶片振动位移域转移到加速度域分析，可以提高叶片振动在高频中的识别精度。采用周向傅里叶的方法计算叶片振动加速度幅值可以最大程度保证计算结果的精确性，再利用加速度，速度以及位移之间的关系，推导出叶片的振动参数，方法巧妙。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0033]
在附图中：
[0034]
图1为本发明一个实施例提供的一种汽轮机叶片叶尖定时在线监测系统的流程示意图；
[0035]
图2为本发明一个实施例中汽轮机叶片监测系统图；
[0036]
图3为本发明一个实施例仿真加速度结果图；
[0037]
图4为本发明一个实施例仿真加速度相位结果图。
[0038]
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0040]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0041]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进-步定义和解释。
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0043]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0044]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0046]
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。如图1至图4所示，一种无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法
包括，
[0047]
第一步骤s1中，建立汽轮机叶片有限元模型，并对其进行模态分析，计算工作转速3000r/min的振动模态，得到其叶片振动模态参数f＝[f
1 f2…fm
]；
[0048]
第二步骤s2中，将k组叶尖定时传感器周向安装在转子叶片机匣上，开展试验并获取转子叶片到达传感器的时间序列；
[0049]
第三步骤s3中，基于汽轮机叶片振动参数辨识需求，分别利用到达时间和传感器的安装角度将测量物理量转换为叶尖振动加速度；
[0050]
第四步骤s4中，利用获得的不同叶尖振动加速度并使用周向傅里叶算法完成叶尖定时的参数辨识，获得汽轮机转子叶片在恒定转速下的振动频率、幅值和相位等信息。
[0051]
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤s1中，对转子叶片进行有限元模态分析，获取汽轮机转子叶片在给定工况下的模态数目m；在第二步骤s2中，根据所述汽轮机转子叶片模态的数目m确定叶尖定时传感器组数k,其中，k＝3m；每组传感器的数目为三个且每组放置的传感器角度间隔应该小于5度，在满足实际情况的条件下越小越好。
[0052]
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤s1中，根据不同模态振动的频率，以及不同传感器的到达时间，构建第n圈传感器角度矩阵
[0053][0054]
其中fm为m阶模态的振动频率，m为模态数，t
k,n
为第k组传感器在第n圈采集到的叶片到达时间的平均值，其中片到达时间的平均值，其中为第k组传感器角度较小的一个在第n圈采集到的时间，为第k组传感器角度在中间的一个在第n圈采集到的时间，为第k组传感器角度最大的一个在第n圈采集到的时间。
[0055]
所述的方法的优选实施方式中，第二步骤s2中，将叶尖定时传感器安装在汽轮机机匣上，开展叶尖定时试验并测量叶片到达传感器的时间；
[0056]
s501、叶尖定时系统没有安装opr转速传感器；
[0057]
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤s3中，根据不同模态的振动参数辨识需求，利用到达时间和传感器的安装角度计算叶尖振动加速度；
[0058]
s601、根据叶片到达传感器的时间以及传感器间的角度，利用第k组传感器间的角度以及它们采集到的到达时间可计算出叶片叶尖在第n圈内的振动加速度其中，r为汽轮机半径；
[0059]
s6011、汽轮机转速f
ω
恒定；
[0060]
第四步骤s4中，根据所述获得叶尖振动速度，通过周向傅里叶求解获得叶尖定时振动参数；振动参数由以下公式求得：
[0061]an
＝φnsn，其中其中为第k组传感器在第n圈获得的振动加速度值；sn＝[i
1 j
1 i
2 j2…im jm]
t
，sn为第n圈振动参数矩阵；
[0062]
s701、根据所述测量叶尖振动位移、加速度之间的转换关系，最终获得叶片振动位移参数；
[0063]
s7011、不同叶片振动模态下振动加速度幅值振动速度相位
[0064]
s7012、不同叶片振动模态下振动速度幅值振动速度相位
[0065]
s7012、不同叶片振动模态下振动位移幅值振动速度相位
[0066]
测量系统包括，
[0067]
叶片建模及有限元分析模块：建立汽轮机叶片有限元模型，并进行模态分析，获得叶片振动模态参数f＝[f
1 f2…fm
]；
[0068]
传感器布局模块：成组的汽轮机叶片叶尖定时传感器，布置在旋转叶片的机匣上；
[0069]
根据模态频率以及到达时间构建传感器角度矩阵
[0070][0071]
到达时间获取模块：成组传感器获取到的单个叶片到达时间序列为
[0072][0073]
振动加速度计算模块：利用到达时间计算振动速度，单个叶片振动速度序列为a＝[a
1 a2…an
]；
[0074]
振动参数获取模块：根据传感器角度矩阵和振动速度用周向傅里叶求解参数sn＝[i
1 j
1 i
2 j2…im jm]
t
；
[0075]
下面结合附图1和附图2并用一个具体仿真实施案例取代了实验实例对本发明作进一步描述，清楚说明本发明在汽轮机上的使用步骤。
[0076]
图1是本发明的汽轮机叶尖定时在线监测方法流程图，图2为本发明一个实施例中汽轮机叶片监测系统图，先对叶片进行有限元模态分析，得出叶片振动的模态，在仿真当中，设定叶片振动模态和叶片振动函数，进一步确定出所需传感器数目和安装角度，将传感器2安装在机匣1周围后，运行汽轮机，叶片4在汽轮机主轴3驱动下转动，传感器得到叶片到达时间，再利用振动加速度转换公式，求出每一对传感器对应的叶片振动加速度，再根据叶尖定时传感器安装数目确定的传感器角度矩阵求解叶片振动参数。具体步骤如下：
[0077]
1)设定振动模态数为1，且振动函数为0.001sin(2000πt+30)。
[0078]
2)确定传感器数目为6个，它们的角度分别为40，42，44，83，85，87。
[0079]
3)汽轮机转速为3000r/min，叶片旋转1s，将叶片振动转化成角域信号，求得叶片旋转50圈传感器获得的到达时间，得到
[0080]
4)利用到达时间可以求得叶尖振动的加速度，得到
[0081]
5)对t进行求平均值处理，得其中
[0082][0083]
6)构建传感器角度矩阵
[0084]
7)求解
[0085]
8)振动加速度幅值振动加速度相位
[0086]
9)振动速度幅值
[0087]
10)振动位移幅值结果如图4所示，仿真结果基本与仿真参数设置相同。
[0088]
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
[0089]
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

技术特征：
1.一种无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法，其特征在于，其包括以下步骤：第一步骤s1，建立汽轮机叶片有限元模型并对其进行模态分析，计算汽轮机预定工作转速的振动模态，得到其叶片振动模态参数f＝[f
1 f2ꢀ…ꢀ
f
m
]；第二步骤s2，将k组叶尖定时传感器周向安装在转子叶片机匣上，并获取转子叶片到达叶尖定时传感器的时间序列；第三步骤s3，利用时间序列与叶尖定时传感器的安装角度计算得到叶片振动加速度；第四步骤s4，基于叶尖振动加速度经由周向傅里叶算法获得汽轮机叶片在恒定转速下的振动频率、幅值和相位。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，第一步骤s1中，模态分析获取汽轮机叶片模态的数目m，根据叶片模态的数目m确定叶尖定时传感器组数k。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，叶尖定时传感器组数k和叶片模态的数目m关系为k＝3m。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步骤s1中，每组叶尖定时传感器的数目为三个且每组叶尖定时传感器的角度间隔小于5度。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，汽轮机预定工作转速为3000r/min。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据叶片振动模态参数以及时间序列，构建第n圈叶尖定时传感器角度矩阵其中f
m
为m阶模态的振动频率，m为模态数，t
k,n
为第k组叶尖定时传感器在第n圈采集到的叶片到达时间的平均值，其中的叶片到达时间的平均值，其中为第k组叶尖定时传感器角度较小的一个在第n圈采集到的时间，为第k组叶尖定时传感器角度在中间的一个在第n圈采集到的时间，为第k组叶尖定时传感器角度最大的一个在第n圈采集到的时间。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第三步骤s3中，利用第k组叶尖定时传感器间的角度以及采集到的到达时间计算出叶片叶尖在第n圈内的振动加速度其中，r为汽轮机半径，θ
k,1
、θ
k,2
、θ
k,3
分别为第k组传感器按角度大小排序后的角度，汽轮机转速f
ω
恒定。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第四步骤s4中，基于叶尖振动加速度经由周向傅里叶算法获得叶尖定时振动参数，叶尖定时振动参数包括：a
n
＝φ
n
s
n
，其中其中为第k组叶尖定时传感器在第n圈获得
的振动加速度值；s
n
＝[i
1 j
1 i
2 j2ꢀ…ꢀ
i
m j
m
]
t
，s
n
为第n圈振动参数矩阵；不同叶片振动模态下振动加速度幅值振动速度相位不同叶片振动模态下振动速度幅值振动速度相位不同叶片振动模态下振动位移幅值振动速度相位9.一种实施权利要求1-8中任一项所述无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法的系统，其特征在于，其包括，叶片建模及有限元分析模块，其配置成建立汽轮机叶片有限元模型，并进行模态分析，获得叶片振动模态参数f＝[f
1 f2ꢀ…ꢀ
f
m
]；传感器布局模块，其连接所述叶片建模及有限元分析模块，传感器布局模块基于振动模态参数确定叶尖定时传感器的数目，以及根据叶片振动模态参数以及到达时间构建传感器角度矩阵到达时间获取模块，其配置成采集叶片通过叶尖定时传感器的到达时间序列，成组传感器获取到的单个叶片到达时间序列为振动加速度计算模块，其连接到达时间获取模块，振动加速度计算模块利用到达时间计算振动速度，单个叶片振动速度序列为a＝[a
1 a2ꢀ…ꢀ
a
n
]；振动参数获取模块，其连接所述传感器布局模块和振动加速度计算模块，振动参数获取模块根据传感器角度矩阵和振动速度用周向傅里叶求解振动参数s
n
＝[i
1 j
1 i
2 j2ꢀ…ꢀ
i
m j
m
]
t
。

技术总结
公开了无转速参考汽轮机叶片叶尖定时监测方法及系统，所述方法包括，建立汽轮机叶片有限元模型，并进行模态分析获得叶片振动的振动模态，确定传感器安装数目和角度，利用叶尖定时传感器采集每个叶片实际到达传感器的时间，根据传感器采集到的到达时间计算叶片振动加速度，利用叶片振动加速度以及传感器角度布局求出叶片振动加速度参数，再用振动加速度参数计算振动位移参数。数计算振动位移参数。数计算振动位移参数。


技术研发人员：王亚南 乔百杰 李贵龙 朱昱达 杨志勃 陈雪峰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15