一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及熱力設(shè)備性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷領(lǐng)域，是一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間徑 向間隙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽輪機(jī)是一種將蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械。為保持汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件 和靜止部件之間不發(fā)生碰磨，必須使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間留有一定的間隙。汽 輪機(jī)通流部分徑向間隙的大小是影響汽輪機(jī)通流部分工作安全可靠性的重要指標(biāo)。如果該 間隙過(guò)小，很有可能導(dǎo)致動(dòng)靜之間發(fā)生碰磨，造成汽輪機(jī)動(dòng)靜葉片磨損，使機(jī)組的工作效率 降低，嚴(yán)重時(shí)將迫使機(jī)組事故停機(jī)，如果間隙過(guò)大，將使汽輪機(jī)的漏汽損失增大，汽輪機(jī)的 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低。因此，汽輪機(jī)通流部分動(dòng)靜之間徑向間隙不論是過(guò)大過(guò)小對(duì)機(jī)組的運(yùn)行 都是不利的。顯然，運(yùn)行中對(duì)汽輪機(jī)通流部分轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙進(jìn)行快速準(zhǔn)確的實(shí) 時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量對(duì)于汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。
[0003] 中國(guó)國(guó)內(nèi)刊號(hào)23-1251/TH《汽輪機(jī)技術(shù)》1997年03期公開(kāi)了蔣耀明等人《透平機(jī)械 的動(dòng)態(tài)間隙測(cè)量》一文，文中給出了一種測(cè)量透平機(jī)械動(dòng)靜之間徑向間隙的方法，但該種方 法首先需要將傳感器連接在每只葉片上，進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)測(cè)。動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，則需要將探頭兩端的 散熱裝置加冷卻循環(huán)水，確保測(cè)試的溫度和壓力。顯然此種方法動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果的精度不僅 受靜態(tài)標(biāo)測(cè)的影響，而且還受散熱裝置的換熱情況的影響。此外，此種方法測(cè)量工作介質(zhì)主 要針對(duì)的是燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)于蒸汽輪機(jī)，由于中低壓通流部分蒸汽溫度較低，其測(cè)量精度已遠(yuǎn) 不能滿足汽輪機(jī)的要求。
[0004] 中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01210589363.4提出了《一種利用徑向間隙傳感器獲取離散 軸向間隙數(shù)據(jù)的設(shè)備和方法》，該方法需要在定子上安裝至少一個(gè)徑向間隙傳感器，用W收 集徑向間隙數(shù)據(jù)來(lái)確定軸向間隙數(shù)據(jù)。顯然該方法有兩個(gè)明顯的缺陷，一方面在汽輪機(jī)定 子中可安裝的傳感器數(shù)量有限，并不能覆蓋差動(dòng)軸向運(yùn)動(dòng)的整個(gè)范圍，運(yùn)將使測(cè)量精度降 低。另一方面，測(cè)試過(guò)程中，只要任何一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)失真，將導(dǎo)致整個(gè)測(cè)試結(jié)果精度降 低。
[0005] 迄今為止，尚未見(jiàn)有關(guān)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法的文 獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有的大型汽輪機(jī)運(yùn)行中通流部分徑向間隙難W實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的 問(wèn)題，本發(fā)明提出一種能對(duì)運(yùn)行中汽輪機(jī)的徑向間隙進(jìn)行快速、高精度的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn) 子汽封間隙和葉頂汽封間隙精確動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法，從而更加真實(shí)地檢測(cè)當(dāng)前汽輪機(jī)的運(yùn)行 狀態(tài)，保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)省停機(jī)大修時(shí)間。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量 方法，其特征在于:采用兩個(gè)測(cè)距裝置發(fā)射出調(diào)制光，通過(guò)合作目標(biāo)反射回接收器，所述測(cè) 距裝置為高頻相位式激光測(cè)距儀，所述合作目標(biāo)為角反射鏡，該測(cè)量方法包括W下步驟：
[0008] 1)建立汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中屯、無(wú)偏移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相對(duì)空間位置 坐標(biāo)系的模型一，確定轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙；
[0009] 2)建立汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中屯、發(fā)生任意方向偏移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相 對(duì)空間位置坐標(biāo)系的模型二，確定發(fā)射器至轉(zhuǎn)子表面的距離；
[0010] 3)建立汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子只有橫向位移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相對(duì)空間位 置坐標(biāo)系的模型=，計(jì)算轉(zhuǎn)子中屯、發(fā)生偏移時(shí)單向轉(zhuǎn)子偏屯、量和單向轉(zhuǎn)子表面豎向位移 量；
[0011] 4)建立汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子只有豎向位移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相對(duì)空間位 置坐標(biāo)系的模型四，計(jì)算轉(zhuǎn)子中屯、發(fā)生偏移時(shí)單向轉(zhuǎn)子偏屯、量和單向轉(zhuǎn)子表面橫向位移 量；
[0012] 5)將所述模型=和所述模型四中計(jì)算的單向轉(zhuǎn)子偏屯、量和單向轉(zhuǎn)子表面位移量 代入所述模型二中，計(jì)算所述任意位置的轉(zhuǎn)子偏屯、量。
[0013] 所述測(cè)距裝置放置于汽缸外，所述合作目標(biāo)安裝于所述轉(zhuǎn)子表面。
[0014] 所述步驟1)中，所述坐標(biāo)系為W轉(zhuǎn)子中屯、為原點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)距裝置分別位于汽缸水 平和垂直的中分表面的二維坐標(biāo)系，激光發(fā)射點(diǎn)A、B沿X軸、y軸方向到所述轉(zhuǎn)子表面的距離 記作^和心，轉(zhuǎn)子無(wú)偏屯、、無(wú)振動(dòng)時(shí)激光發(fā)射點(diǎn)到所述角反射鏡的標(biāo)準(zhǔn)距離記作xo、yo,轉(zhuǎn)子 無(wú)偏屯、、無(wú)振動(dòng)時(shí)所述轉(zhuǎn)子表面到缸體的距離為L(zhǎng)o,根據(jù)速度、時(shí)間和距離公式得
其中A ti為激光在X方向完成一個(gè)往返行程的時(shí)間，S; A t2為激光 在y方向完成一個(gè)往返行程的時(shí)間，S; C為光速，m/s。
[0015] 所述步驟2)中，發(fā)生位移后的轉(zhuǎn)子中屯、為化，設(shè)轉(zhuǎn)子位移為任意方向且大小為e， 其中Xi為位移e在X軸上的投影位移，yi為位移e在y軸上的投影位移;在轉(zhuǎn)軸發(fā)生位移后由于 曲面引起的X方向和y方向的附加距離可記作Ax、Ay,其中，A X為轉(zhuǎn)軸在發(fā)生yi豎向位移 后引起的附加距離，Ay為轉(zhuǎn)軸在發(fā)生Xi橫向位移后引起的附加距離。
[0016] 所述步驟3)中，由圓的函數(shù)x2+y2 = r2求得y方向上的激光在轉(zhuǎn)子上的反射點(diǎn)/i為 .!.'1=%^^>式中：/1為激光在轉(zhuǎn)子表面的反射點(diǎn)；'為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸的半徑，111;由義方向上 的橫向位移引起y方向上的間隙變化為：A y = r-/ 1，式中:/功激光在轉(zhuǎn)子表面的反射點(diǎn)。
[0017] 所述步驟4)中，轉(zhuǎn)子由y方向上的豎向位移引起X方向上的間隙變化為： 文i Ax = r-x^，式中為激光在轉(zhuǎn)子表面的反射點(diǎn)。
[001引所述步驟5)中，由激光發(fā)射點(diǎn)A沿X軸方向到所述轉(zhuǎn)子表面的距離Lx、轉(zhuǎn)軸在發(fā)生yi 豎向位移后引起的附加距離Ax、和轉(zhuǎn)子無(wú)偏屯、、無(wú)振動(dòng)時(shí)激光發(fā)射點(diǎn)到所述角反射鏡的標(biāo) 準(zhǔn)距離XO可得到e在X軸上的投影位移Xi為:Lx-X日-A X = Xi，e在y軸上的投影位移yi為:^-y0-
A y = yi;將所述 A x = r-x' 1 代入所述Lx-XO- A X = Xi得： 、
將所述
1代入所述 聯(lián)立所述 和

，'
求得Xi和yi;從而求得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子間的最大間隙和最 小間隙，所述最大間隙為i。所述最小間隙為i。。
[0019] 本發(fā)明根據(jù)高頻相位式激光測(cè)距儀的測(cè)試原理和特點(diǎn)并結(jié)合相對(duì)坐標(biāo)系采用雙 測(cè)尺測(cè)距定位方法得到的一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，所具 有的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：
[0020] 1.依靠?jī)蓚€(gè)高頻相位式激光測(cè)距儀與運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子建立四個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系并采用雙測(cè) 尺測(cè)距定位方法來(lái)反映轉(zhuǎn)子在不同時(shí)刻的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)軌跡的非接 觸式測(cè)量，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)行中大型汽輪機(jī)通流部分轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙的快速準(zhǔn)確實(shí) 時(shí)動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)；
[0021] 2.與現(xiàn)有的測(cè)距應(yīng)用最廣的電容電感測(cè)距方法相比，不僅降低了測(cè)量元件在汽輪 機(jī)內(nèi)部的安裝難度，而且減少了汽輪機(jī)內(nèi)高溫高壓蒸汽環(huán)境對(duì)傳感器的影響，大大提高了 測(cè)量的精度;與現(xiàn)有的聲波測(cè)距方法相比，不僅具有延遲時(shí)間短、反應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，而 且避免了汽輪機(jī)內(nèi)部高速蒸汽汽流對(duì)聲波的干擾，使測(cè)量精度得到大幅提高，并能夠?qū)崿F(xiàn) 對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；
[0022] 3.能夠保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)省停機(jī)大修時(shí)間。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中屯、無(wú)偏移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相對(duì)空間位置 坐柄系不意圖；
[0024] 圖2為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中屯、發(fā)生任意方向偏移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相 對(duì)空間位置坐標(biāo)系的示意圖；
[0025] 圖3為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中屯、只發(fā)生橫向位移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相對(duì) 空間位置坐標(biāo)系的示意圖；
[0026] 圖4為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中屯、只發(fā)生豎向位移時(shí)，測(cè)距裝置、合作目標(biāo)、轉(zhuǎn)子及缸體相對(duì) 空間位置坐標(biāo)系的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施事例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 參照?qǐng)D1~圖4,本發(fā)明提供的一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間徑向間隙的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè) 量方法，包括W下內(nèi)容：
[0029] a.測(cè)距裝置選取環(huán)節(jié)
[0030] 選取兩個(gè)高頻相位式激光測(cè)距儀對(duì)汽輪機(jī)通流部分徑向間隙進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)高頻 相位式激光測(cè)距儀利用發(fā)射器射出的調(diào)制光通過(guò)合作目標(biāo)反射回接收器的反射光的相位 差來(lái)實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。采取一種既能夠滿足精度又能滿足測(cè)量距離的分散直接測(cè)尺組合方法 將兩個(gè)不同頻率的激光組合分別測(cè)量間隙，其中低頻激光進(jìn)行粗測(cè)，高頻激光進(jìn)行精測(cè)。
[0031] 得到調(diào)制器發(fā)出低頻率為fi的激光，則波長(zhǎng)為
(1-1)
[0033] 式中:Al為相位式激光測(cè)距儀發(fā)射出低頻率激光的波長(zhǎng)，m;fi為相位式激