水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法技术

本发明专利技术涉及水电机组运行摆度传感器放置优化技术领域，尤其涉及一种水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法。本发明专利技术对给定的某一个任意大轴轴心轨迹建立几何关系模型，对该几何关系模型进行公式推导，得到该给定的任意大轴轴心轨迹的摆度向量表达式，以及最大摆度模长和最大摆度模长对应的方位，将摆度向量表达式转换为极坐标形式的摆度向量表达式，并通过对极坐标形式的摆度向量表达式进行求取摆度e对角度θ的导数，进而得到最大摆度值以及最大摆度值对应的角度，以此用来指导工程实践中摆度传感器的最佳安放角度，对完善水电机组振动摆度在线监测系统，提高水电机组状态监测及故障诊断水平具有重工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法
本专利技术涉及稳态工况下水电机组运行摆度测量涡流传感器放置优化
，尤其涉及一种水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法。
技术介绍
机组的摆度信号存在运行摆度与盘车摆度之分,中国电力出版社2003年出版的《水轮发电机机械检修》一书中给出的摆度计算模型主要是针对盘车摆度，文献《准确把握水电机组“摆度”的涵义》中明确了盘车摆度与运行摆度之分。盘车摆度就是用临时的外力缓慢旋转机组的转动部分而检查出机组轴线的摆度，盘车过程中，水轮机蜗壳处于无水状态，水导瓦、下导瓦松开，机组大轴处于自由状态，大轴受到的不平衡力可以忽略不计，大轴是受力平衡的。运行摆度就是实际运行中的机组转动部分及大轴受不平衡力而产生的振动，实际运行中机组转动部分及大轴受力状态与盘车时完全不同，会受到各种各样的力而导致受力不平衡，如转动部件质量不均匀而产生的不平衡离心力、转轮叶片制造偏差和安放角度偏差而产生的水力不平衡力、电机安装空气间隙不均匀而产生的不平衡径向磁拉力、转子磁极中心挂装高程差产生的轴向磁拉力不平衡力、轴承导瓦约束力等，即使机组稳定运行情况下，这些力均会导致相对旋转中心发生量值大小及方向连续不断地交替变化的现象，即产生轴振动，也即运行摆度。工程实践中，机组运行过程中过大的运行摆度造成机组振动偏大、励磁装置中碳刷磨损加剧，严重情况下导致机组轴瓦温度升高、甚至可能产生烧瓦现象，因此，确保工程实践中运行摆度测量的准确性对于振动摆度在线监测系统采集数据的真实性、分析评价机组轴线运行姿态均具有重要意义。当前对于运行摆度的检测过程中，需要用到涡流传感器测量最大摆度值，但是当涡流传感器安放位置不同时，会造成测量坐标系的不同而导致测量上的误差，即对同一摆度向量测量得到的坐标值也是不同的，会导致测量得到的最大摆度值不准确，则在对运行摆度的检测时就会发生对于摆度值的误报警、漏报警的情况，甚至导致水电机组发生严重故障。工程实践中常测量±X、±Y方向摆度值，然而机组实际运行中受到各种不平衡力、涡流传感器安装支架及传感器安装的底座刚度差异、轴心轨迹形状等因素的影响，测量±X、±Y方向摆度值可能未能包含最大的运行摆度值。实际上标准《ISO7919-1Mechanicalvibrationofnon-reciprocatingmachines-Measurementsonrotatingshaftsandevaluationcriteria—Parat1:Generalguidelines》B.3.2.3小节中对运行摆度的定义中也提出了该问题。分析表明圆形轴心轨迹下，即使±X、±Y方向的涡流传感器旋转过一定角度后，测量的摆度信号幅值仍保持不变，但是对于其他形貌的轴心轨迹涡流传感器旋转过一定角度后摆度实测波形形状及幅值均发生变化，实际运行中的轴心轨迹形貌更为复杂、更不规整。当前缺乏对指导工程实践中摆度最大值的估计以及摆度测量传感器的放置的研究，因此，有必要研究传感器安放角度对运行摆度测量值的影响及不同轴心轨迹下摆度传感器的最佳安放角度。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种能够指导摆度传感器的最佳安放角度的水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：本专利技术提供一种水电机组稳态任意轴心轨迹下涡流传感器安放角度分析方法，包括以下步骤：步骤S1：对给定的某一个任意大轴轴心轨迹建立几何关系模型；步骤S2：对步骤S1所述的该几何关系模型进行公式推导，得到该给定的任意大轴轴心轨迹的摆度向量表达式；步骤S3：将步骤S2所述的摆度向量表达式转换为极坐标形式的摆度向量表达式；步骤S4：通过对步骤S3所述的极坐标形式的摆度向量表达式进行求取摆度e对角度θ的导数，进而得到最大摆度值emax以及最大摆度值emax对应的角度,以此用来指导工程实践中摆度传感器的安放角度。根据本专利技术如上所述，步骤S1中的几何关系模型包括一个具有垂直坐标轴OX和OY的坐标系、第一模型圆、第二模型圆以及代表实际大轴几何中心O1轨迹的任意闭合曲线；第一模型圆代表理想状态下即大轴几何中心与旋转中心重合，并以旋转中心O点为圆心的大轴截面圆几何模型；第二模型圆代表实际状态下即大轴几何中心以任意轨迹围绕旋转中心旋转，并以O2点为圆心的大轴截面圆几何模型；O2点位于代表实际大轴几何中心O1轨迹的任意闭合曲线上；第一模型圆与第二模型圆半径相同。根据本专利技术，步骤S2中的任意方位下的摆度向量表达式的推导过程如下：根据步骤S1的几何关系模型，任意闭合曲线在二维平面上能够表示为式(1)：f(x,y)＝0(1)式中，x表示闭合曲线上任一点X轴坐标，y表示闭合曲线上任一点Y轴坐标；设O2点的坐标表示为(PX，PY)，该时刻下OO2与+X向夹角为θ，则点O2的具体坐标值可以表示为式(2)：式中，e表示大轴几何中心/形心相对旋转中心的偏移距离，θ表示OO2与+X轴的夹角；大轴摆度向量可以简化为下式(6)：式中，表示大轴摆度向量，ex表示+X方向摆度值，ey表示+Y方向摆度值；假设当前研究的涡流传感器安放的位置为OXY坐标系，则将OXY坐标系逆时针旋转α角度得到一新的坐标系OST，引入坐标变换矩阵T表示为式(7)，则在新坐标系OST下的摆度向量表示为式(8)：式中，为OST坐标系下的摆度向量，T为坐标变换矩阵，为大轴摆度向量，α为OXY坐标系逆时针旋转得到OST坐标系的角度；令f(θ)＝PX,g(θ)＝PY，结合式(6)和式(7)，代入式(8)得传感器布置在任意位置下摆度波形表示为式(9)：根据本专利技术，步骤S3中的极坐标形式的摆度向量表达式表示为下式(10)：式中，e(θ)为轴心轨迹曲线上点到旋转中心的距离随角度θ变化的方程，α为坐标系旋转的夹角。根据本专利技术，步骤S4中根据下式(11)求得e(θ)的极值：通过式(11)，求出e(θ)的极大值时，e(θ)极大值所对应的角度θ即为传感器最佳安放角度，在所述最佳安放角度下传感器能够获取最大摆度值。根据本专利技术，大轴轴心轨迹表现为外八字形时，大轴的摆度波形表示为：综合式(11)和(12)能够推导出下式(13)：对式(13)求解可得，当θ＝0、π/2、π、3π/2、2π时测量的摆度值为极大值或极小值；对式(13)进一步求解可得e对θ的二阶导数如下式(14)：对式(14)求解可得，当θ＝0、π、2π时测量的摆度值为极大值，当θ＝π/2、3π/2时OO2测量的摆度值为极小值。根据本专利技术，当大轴轴心轨迹表现为心脏形时大轴的摆度表示为下式(15)：综合式(11)和(15)能够推导出下式(16)：对式(16)求解可得，当θ＝0、π、2π时测量的摆度值为极大值或极小值；根据式(16)进一步求导得e对θ的二阶导数如下式(17)：对式(17)求解可得，当θ＝0、2π时测量的摆度值为极大值。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过理论分析提出了水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法，深入研究涡流传感器不同安放角度对摆度测量结果的影响，以此用来指导工程实践中摆度传感器的最佳安放角度，为工程实践中最大摆度测量及传感器放置提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1：对给定的某一个任意大轴轴心轨迹建立几何关系模型；步骤S2：对步骤S1所述的该几何关系模型进行公式推导，得到该给定的任意大轴轴心轨迹的摆度向量表达式；步骤S3：将步骤S2所述的摆度向量表达式转换为极坐标形式的摆度向量表达式；步骤S4：通过对步骤S3所述的极坐标形式的摆度向量表达式进行求取摆度e对角度θ的导数，进而得到最大摆度值emax以及最大摆度值emax对应的角度,以此用来指导工程实践中摆度传感器的安放角度。

【技术特征摘要】
1.一种水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1：对给定的某一个任意大轴轴心轨迹建立几何关系模型；步骤S2：对步骤S1所述的该几何关系模型进行公式推导，得到该给定的任意大轴轴心轨迹的摆度向量表达式；步骤S3：将步骤S2所述的摆度向量表达式转换为极坐标形式的摆度向量表达式；步骤S4：通过对步骤S3所述的极坐标形式的摆度向量表达式进行求取摆度e对角度θ的导数，进而得到最大摆度值emax以及最大摆度值emax对应的角度,以此用来指导工程实践中摆度传感器的安放角度。2.根据权利要求1所述的一种水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法，其特征在于：步骤S1所述的几何关系模型包括一个具有垂直坐标轴OX和OY的坐标系、第一模型圆、第二模型圆以及代表实际大轴几何中心O1轨迹的任意闭合曲线；所述第一模型圆代表理想状态下即大轴几何中心与旋转中心重合，并以O点为圆心的大轴截面圆几何模型；所述第二模型圆代表实际状态下即大轴几何中心以任意轨迹围绕旋转中心旋转，并以O2点为圆心的大轴截面圆几何模型；O2点位于代表实际大轴几何中心O1轨迹的任意闭合曲线上；第一模型圆与第二模型圆半径相同。3.根据权利要求2所述的一种水电机组稳态任意轴心轨迹涡流传感器安放角度分析方法，其特征在于：步骤S2中所述的任意方位下的摆度向量表达式的推导过程如下：根据步骤S1所述的几何关系模型，任意闭合曲线在二维平面上能够表示为式(1)：f(x,y)＝0(1)式中，x表示闭合曲线上任一点X轴坐标，y表示闭合曲线上任一点Y轴坐标；设O2点的坐标表示为(PX，PY)，该时刻下OO2与+X向夹角为θ，则点O2的具体坐标值可以表示为式(2)：式中，e表示大轴几何中心/形心相对旋转中心的偏移距离；大轴摆度向量可以简化为下式(6)：式中，表示大轴摆度向量，ex表示+X方向摆度值，ey表示+Y方向摆度值；假设当前研究的涡流传感器安放的位置为OXY坐标系，则将OXY坐标系逆时针旋转α角度得到一新的坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇攀高，吴长利，张军，
申请(专利权)人：国网湖南省电力有限公司，国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43