涡轮机叶片疲劳监测器制造技术

在线振动疲劳监测器测量象涡轮转子叶片这样的物体的位移，以发出由近程传感器产生的位移信号，并且依靠该位移信号计算物体中的累积疲劳，该信号是数字化的，并通过采用希尔伯特变换来处理，以便检测出该位移的幅值包络线和瞬间频率。该振幅和频率与该物体上的静态应力结合起来求出疲劳损耗，疲劳损耗是用不断监测振动位移和静态应力中的变化来累计的。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来说是关于测量振动引起的疲劳，而且特别是关于测量涡轮机转子中累积的金属疲劳。通常，涡轮机叶片的应力，象在别的装置中一样，是用应变仪测量的，它直接装在涡轮机叶片上，并经滑环或遥测装置传送给涡轮机外边的监测设备。另一个可供选择的系统已经在美国空军系统司令部阿诺德工程开发中心研制出来。阿诺德系统利用行聚焦摄影探测器来进行无干扰测量喷气发动机涡轮转子叶片的挠度。传感器严密地相隔一定距离地配置在发动机外壳的圆周上，每个传感器径向定位，而且传感器组又随转子叶片顶部的轨迹来定位。两个传感器用来检测非累积振动，即转速倍频之外的振动。四个传感器用来检测累积振动，即转速倍频的振动。这些传感器发出的信号可以参照每转发出一次的信号被处理，从而确定一排中每个叶片振动的振幅、频率和相位。对要监测的每排来说，需要附加一组这样的传感器。用传感器提供的挠度数据，再依靠传递函数将挠度数据转换成应力，就可以在线确定装有仪器的每排中所有叶片的应力情况。这些传递函数可以采用有限元分析和运行试验前每排叶片的台架试验求出。尽管阿诺德系统提供的数据是有用的，尤其在试验最近运行过的涡轮机中，但对于用来监测运行中的涡轮机的在线系统，还需要更多的数据。本专利技术提供了一台指示设备累积疲劳的在线监测器。本专利技术的一个实施例是提供一台在线疲劳损耗监测器，它既测量振动应力也测量静应力。这里叙述了求出累加力引起的损耗的方法，该方法包括检测该力所引起的位移，从检测到的位移计算力的振幅和瞬间频率，以及依靠计算出的振幅和瞬间频率估计累积损耗的步骤。这里还叙述了一个振动疲劳监测装置，它包括传感器装置，用来发出位移信号，以指示物体振动引起的本身位移;和疲劳累计装置，依靠位移信号用以计算物体的疲劳。当用于具有许多叶片的涡轮机时，传感器装置最好包括至少两个传感器，它们置于涡轮叶片所占通道的外边。当使用N个传感器时，可以计算出到N/2次谐波的振动和疲劳损耗。24个传感器就会得出到12次的所有谐波的影响，但是如果能确定起作用的谐波较少，则只需较少的传感器。确定涡轮叶片频率和振幅的最佳方法采用位移信号的希尔伯特变换。从推荐的实施例的下列叙述中能对本专利技术有更详尽的了解，只通过举例的方法给出，并且要联系附图来研究。这些附图是附图说明图1是一根涡轮轴和一排叶片以及所述的传感器的透视图，如本专利技术范围内使用的那样;图2是本专利技术最佳实施例的方框图;图3是表示该系统识别叶片的方法的示意图;图4A和图4B是振动引起的涡轮叶片偏离预定位置的位移图例;图5是本专利技术用来确定累积疲劳的方法的流程图;以及图6是涡轮叶片的振动图象。许多种类的设备都承受造成疲劳或使疲劳累积的应力，而疲劳最终使制造该设备的材料出现损伤。设备能够经受的疲劳量称为“疲劳寿命”，而设备已经经受的疲劳量称为“疲劳损耗”。由累计疲劳损耗，就可以从公式(1)计算出剩余疲劳寿命2∫to｛(εa(t)/εF-εm(t))-(ε1/εF)｝2F(t)dt＝1 (1)公式(1)可以从古特曼定律和米纳假定中推导出来，这里εa(t)是实际振动应力，εF是忽略塑颈由单载荷作用力引起破坏的应力，εm(t)是缓慢变化或基本稳定的应力，ε1是例如在第百万次振动下引起破坏的极限应力，F(t)是振动频率。εF和ε1的值对于具体的对象，一般用实验室测量或有限元分析的办法求出。就涡轮转子而言，在每排中叶片通常都做成一样的，但是一排与另一排就不同了。因此，εF和ε1的值对每排涡轮叶片来说应分别求出。同样，要用本专利技术检测的构体上的静应力εm必须事先作为可测值的一个函数求出。关于涡轮叶片，由涡轮产生的转矩可以直接测得或从测量入口焓H1、出口焓H2、角速度ω和质量流率m计算出来。然后它可以和级效率n、叶片平均直径rb和每排叶片数Mb配合来计算静应力εm和转矩之间的关系，如公式(2)所示εm～ (H1-H2)n/ωMbrb(2)这样，知道了极限应力ε1、单载荷破坏应力εF和涡轮中转矩的分布，那么疲劳损耗就可以根据直接或间接测得的转矩、各个涡轮叶片的振幅和振动频率计算出来。实际的振动应力εa(t)与叶顶挠度振幅的关系可以用一台装在拆下的涡轮转子上的应力/应变仪来测出。涡轮机的常规转子轴10和一排涡轮叶片14中的一些涡轮叶片12一起示于图1。根据本专利技术，传感器16-22置于涡轮叶片所占路径的外边，随叶片按径向定位。图1中只完全画出7个传感器，但另外的传感器可以按涡轮叶片14周围的记号所示来放置。如图2中所示，给出了几组传感器23，待监视其叶片的涡轮机每排用一组23。根据涡轮机的结构、维护经验等等，这可能不需监视每一排。例如，如果在几排叶片中，经验表明最先的断裂总是发生在一或两排中，那么只监测很可能遭受最大疲劳的这几排也许就足够了。传感器组23装有发出位移信号的装置，指示一个物体，例如振动引起的涡轮叶片的位移。由传感器组23产生的位移信号送至信号调制电路24，它去除可识别的干拢，并且如果必要，在信号被送往数字转换器26之前被增强。数字转换器26进行模拟/数字转换，以检测由传感器组23输出的信号的变化并提供数字数据，这个数据可以由数据处理单元28来处理。数据处理单元28使用公式和储存在数据存储单元30中的数据来构成疲劳累计装置，根据位移信号来计算疲劳损耗。疲劳损耗被录制在数据存储单元30中，并作为信息32输出给操作者。数据处理单元28实现几个功能，以便计算疲劳损耗。首先，必须识别哪一个叶片正在用传感器检测，正如这里所述，这个判断是用传感器34提供的每转发出一次的信号(once-per-revolu-tionsignal)作出的。已知发出该信号时各个叶片的位置，可以用相邻的每转发出一次的信号之间的时间计算叶片的角速度。每转一圈发出一次的信号还用来确定叶片的位置。这是按图3中所示完成的。假定当收到每转发出一次的信号时一个叶片12是在位置36处，它就会在转过一个角位移α后，在位置38处接近传感器18。叶片从位置36转到位置38所需的时间可以由该角速度求出。数据处理单元28因此能够根据每转发出一次的信号，计算出每个叶片12预计到达各个传感器的时间，例如到达16-22。图4A中示出了一个每排24个传感器(24)的系统的预计和实际到达时间之差。预计到达的时间用虚线表示，而转子叶片12在那时的实际位置用实线表示。对应于图1所示的传感器的传感器位置，在图4A中有对应的标记数码。示于图4A的转子叶片，就涡轮叶片每一转大约振动两次。如图4A所示，正在检测的叶片在预计的时间到达传感器16。可是，它在预计的时间前到达传感器17-19，而在预计的时间后到达传感器20。由图4A显而易见，传感器18和20分别提供了由它们测得的最大正的和负的位移。由于叶片以大约两倍的涡轮转速振动，传感器18和20对面的传感器提供了大致相同的测量结果。如果它以三倍转速振动，就会有每转三组最大正和最大负位移。每个传感器测得的位移量示于图4B。传感器18作出的测量结果沿y轴表示，而传感器16和20的测量结果沿x轴用标记数码表示。振动的振荡特性从图4B的图象中更容易明白。如图5所示，叶片位置数据40和静态数据42用来在步骤44中计算振动和静态应力。采用24个均匀配置在该排涡轮叶片周围的传感器，就可以依靠位移信号，本文档来自技高网...

【技术保护点】
测量振动部件（１２）的累积机械疲劳的连续测量装置，用来计算度量累积疲劳的“疲劳损耗”以便在疲劳破坏之前，得知振动部件有关的剩余寿命。上述的装置包括：传感器装置（１６、２２），靠近振动部件安装，以便产生该部件振动引起的，指示所谓振动部件位 移的位移信号；其特征在于：疵劳累计装置（２８、３０），依靠位移信号用来计算部件中的“疲劳损耗”。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特保尔肯迪，罗杰阿格洛鲁西特，弗兰西斯西皮麦肯德里，
申请(专利权)人：西屋电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]