技术领域
[0001] 本
发明属于电
涡流式精密测量技术领域，尤其涉及一种基于带冠叶片耦合特征的电涡流式叶尖间隙标定测量系统及方法。
背景技术
[0002] 随着电厂往大功率、智能化、安全可靠的方向发展，
汽轮机叶片作为做功核心部件承受的负荷越来越复杂。尤其是在目前的灵活性电
力调峰应用中，叶片的工作状态不稳定，如负荷、转速、压力、湿度等，导致叶片故障发生几率增多。因此对汽轮机叶片进行实时状态监测可提高机组的运行安全性及效率，延长维护周期。降低维修成本。
[0003] 叶片的主要状态参数为叶片径向位移、周向位移及方向
角，其中径向位移直接决定叶尖间隙的变化。叶尖间隙是影响汽轮机性能的重要参数，叶尖间隙过大将导致汽轮机效率下降，甚至会引发喘振；叶尖间隙过小，将导致叶片与机匣间的摩擦，产生故障，影响汽轮机运转安全。因此将叶尖间隙控制在最佳范围内，是保证机组在高效安全状态下运行的有效措施。
[0004] 叶尖间隙测量技术是将
传感器安装在
旋转机械的静止机匣上，实现叶尖距传感器间隙值的测量。目前的测量方法包括放电探针法、激光三角法、光纤束法、电容法等。放电探针法可耐温600℃，测量
分辨率约为10um，但只能测量所有叶片的最小叶尖间隙且不能实时在线测量，仅适合盘车工作状态下叶尖间隙的测量；激光三角法可实现高温环境(环境
温度高于1000℃)下的高速测量，
精度约为30-50um，但传感器体积较大，不适合现场安装，且该系统更适合检测叶尖最大间隙，不宜用于单个叶尖间隙值以及间隙平均值检测；光纤束法
探头体积小，结构比较简单，分辨力与灵敏度较高，频带宽，动态响应好，但其测量结果易受被测叶片反射系数、传感器的安装角度、安装
位置以及传感器工作环境的影响；电容法基于平行平板电容原理，通过
测量传感器电极与
转子叶尖间的电容实现叶尖间隙的测量，通常间隙电容值在1pF以内，因此需要高
信噪比的
信号处理
电路，同时易受工作环境的影响。
[0005] 电涡流法和上述方法相比，克服了放电探针法、激光三角法、光纤束法及电容法等传感技术受机组运行环境及工况变化影响的约束，具有结构简单，信噪比高，
频率响应快，能在较污染的环境下工作的优点，因此非常适合电厂汽轮机叶片状态监测，具有较高的工程实践价值。
[0006] 同时，虽然电涡流法有一定的温度条件限制，但其
工作温度(260℃以下)已远远满足电厂汽轮机叶片的工作环境要求。
发明内容
[0007] 本发明的目的是为了克服
现有技术中的不足，提供一种基于带冠叶片耦合特征的叶尖间隙标定测量系统及方法，本发明基于电涡流测量原理，利用带冠叶片的耦合特征，设计带冠叶片叶尖间隙标定系统与标定方案从而获得带冠叶片叶尖间隙-
电压标定曲线和标定系数。依据电涡流测量原理和带冠叶片叶尖间隙-电压标定曲线和标定系数搭建带冠叶片叶尖间隙测量系统，实现对汽轮机带冠叶片叶尖间隙的实时测量。可精确测量汽轮机带冠叶片在高速旋转时的叶尖间隙，满足电厂在汽轮机带冠叶片高速旋转时的实时监测要求，保证电厂工作的安全可靠性，减少停机检查等带来的成本增加，提高电厂的经济效益。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009] 基于带冠叶片耦合特征的叶尖间隙标定测量系统，包括汽轮机及带冠叶片，还包括电涡流传感器、信号调理模
块、信号调理集成主机、信号采集模块、信号采集集成主机和计算机；所述电涡流传感器通过传感器信号线与信号调理模块相连，所述信号采集模块通过
连接线与信号调理模块相连，所述信号采集模块通过连接线与计算机相连，所述信号调理模块放置于信号调理集成主机中，所述信号采集模块放置于信号采集集成主机中；所述带冠叶片安装于所述三维移动台上，通过
电机控制所述三维移动台的移动；用于测量时所述电涡流传感器安装于汽轮机的静止机匣上，用于标定时所述电涡流传感器固定于带冠叶片上方。
[0010] 进一步的，所述信号调理集成主机和信号采集集成主机中各放置有至少两个模块以实现多通道同步测量。
[0011] 本发明的另一个技术方案为基于带冠叶片耦合特征的叶尖间隙测量方法，具体如下：
[0012] 依据实际工作情况，安装于汽轮机静止机匣上的电涡流传感器探头线圈的阻抗Z由间隙d和带冠叶片尺寸因子K共同作用，认为其他影响因子处于固定不变的状态；则阻抗Z和间隙d、带冠叶片尺寸因子K的关系可表示为
[0013] Z＝f(d,K) (1)
[0014] 同时，由于在旋转时，带冠叶片及带冠叶片的耦合处会交替经过电涡流传感器的探头，根据探头感受到的实际带冠叶片，令带冠叶片尺寸因子K在带冠叶片处表示为(K1+K2)，在带冠叶片耦合处表示为K1，则在经过带冠叶片时阻抗Z1可表示为[0015] Z1＝f(d,K1+K2)＝f(d,K1)+f(d,K2) (2)
[0016] 在经过带冠叶片耦合处时，阻抗Z2可表示为
[0017] Z2＝f(d,K1) (3)
[0018] 因此当汽轮机工作时，每经过一带冠叶片及其耦合处，阻抗变化量ΔZ可表示为[0019] ΔZ＝Z1-Z2＝f(d,K2) (4)
[0020] 同时，由于尺寸因子K1和K2是固定不变的，因此基于带冠叶片的耦合特征，将阻抗变化量ΔZ转化为了与间隙d的单值函数关系，即将式(4)表示为
[0021] ΔZ＝f(d) (5)
[0022] 即通过电涡流传感器探头线圈阻抗变化量ΔZ表征带冠叶片的叶尖间隙d；
[0023] 当探头与带冠叶片的间隙为d，且位于带冠叶片处时的电压为V1，位于带冠叶片耦合处时的电压为V2，此时电压变化量ΔV表示为
[0024] ΔV＝V1-V2 (6)
[0025] 将阻抗变化量ΔZ与间隙d的单值函数关系转化为电压变化量ΔV与间隙d的单值函数关系，即
[0026] ΔV＝f(d) (7)
[0027] 通过式(7)可得到间隙d反函数
[0028] d＝f(ΔV) (8)
[0029] 由式(8)的单值函数关系即可通过电压变化量ΔV测量出带冠叶片叶尖间隙d；具体包括以下步骤：
[0030] (1)基于上述原理的带冠叶片叶尖间隙测量方法，进行前期标定，以获得不同叶尖间隙d对应的电压变化量ΔV，拟合成多项式方程，得到单值函数关系d＝f(ΔV)，用于在现场测量时进行比对最终得到间隙数据；
[0031] (2)在汽轮机的静止机匣上开孔，将电涡流传感器安装于开孔内，电涡流传感器的探头端面与带冠叶片端面平行；
[0032] (3)将电涡流传感器通过传感器连接线与信号调理模块连接，信号调理模块通过连接线与信号采集模块相连，信号采集模块通过连接线与计算机相连；
[0033] (4)汽轮机启动工作，带冠叶片开始旋转，随着转速的逐渐增加，带冠叶片和带冠叶片耦合处每经过一次探头，即会产生一次阻抗变化ΔZ；
[0034] (5)将电涡流传感器探头的阻抗Z实时信号通过电涡流传感器连接线输入到信号调理模块中进行处理，转化为电压V实时信号并剔除不利因素后输入到信号采集模块中进行存储，之后输入到计算机中，通过信号预处理将电压V实时信号通过计算得到电压变化量ΔV，再通过标定方程得到的电压变化量ΔV和叶尖间隙d的单值函数关系f将电压变化量ΔV处理成叶尖间隙d，完成带冠叶片叶尖间隙的测量。
[0035] 步骤(1)中标定的方法如下：
[0036] (101)电涡流传感器固定在带冠叶片上方，经过调节确保电涡流传感器的探头端面与带冠叶片端面平行，电涡流传感器通过传感器连接线与信号调理模块相连，信号调理模块通过连接线与信号采集模块相连，信号采集模块通过连接线与计算机相连，以保证信号的有效传输；
[0037] (102)通过电机控制三维位移台，使三维位移台在x轴方向匀速运动，通过信号调理模块、信号采集模块和计算机实时监测
输出电压波形曲线，输出电压波形曲线上包含通过带冠叶片处的电压V1和通过带冠叶片耦合处的电压V2，通过计算得到电压变化量ΔV；
[0038] (103)改变电涡流传感器与带冠叶片的间隙，重复第(102)步，得到带冠叶片不同叶尖间隙对应的电压变化量ΔV，通过最小二乘法拟合成多项式方程，得到电压变化量ΔV和叶尖间隙d的单值函数关系f。
[0039] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0040] 1.本发明采用电涡流传感器测量电厂汽轮机带冠叶片叶尖间隙，解决了在电厂汽轮机带冠叶片工作环境中含有大量
水蒸气，工作环境较为恶劣的前提下如何实现对带冠叶片叶尖间隙测量的问题；
[0041] 2.通过本发明方法可设计带冠叶片叶尖间隙标定系统及标定方案，获得带冠叶片叶尖间隙d-电压变化量ΔV标定曲线，通过多项式拟合得到电压变化量ΔV和叶尖间隙d的单值函数关系f，作为现场测量的比对依据，可有效提高带冠叶片叶尖间隙测量的准确性。
[0042] 3.通过本发明方法可搭建汽轮机带冠叶片叶尖间隙测量系统，实现对汽轮机带冠叶片叶尖间隙的实时测量。可精确测量汽轮机带冠叶片在高速旋转时的叶尖间隙，满足电厂在汽轮机带冠叶片高速旋转时的实时监测要求，保证电厂工作的安全可靠性，减少停机检查等带来的成本增加，提高电厂的经济效益。
附图说明
[0043] 图1为基于带冠叶片耦合特征的电涡流式叶尖间隙测量方法原理示意图。
[0044] 图2为具体
实施例中标定系统的结构示意图。
[0045] 图3为标定输出的电压波形曲线图。
[0046] 图4为带冠叶片叶尖间隙d-电压变化量ΔV标定曲线示意图。
[0047] 图5为具体实施例中测量系统的结构示意图。
[0048] 图6为具体实施例中进行测量的工作
流程图。
[0049] 附图标记：1-带冠叶片，2-电涡流传感器，3-信号调理模块，4-信号采集模块，5-计算机，6-带冠叶片安装台，7-三维移动台，8-电机，9-汽轮机机匣，10-信号调理集成主机，11-信号采集集成主机
具体实施方式
[0050] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0051] 本发明提供基于带冠叶片耦合特征的电涡流式叶尖间隙标定系统及测量系统，包括带冠叶片1、汽轮机机匣9、电涡流传感器2、信号调理模块3、信号采集模块4、计算机5、信号调理集成主机10、信号采集集成主机11、带冠叶片安装台6、三维移动台7和电机8。
[0052] 在标定系统中，电涡流传感器2固定于带冠叶片1上方，带冠叶片1安装于带冠叶片安装台6上，带冠叶片安装台6安装于三维移动台7上，三维移动台7和电机8相连，电涡流传感器2通过传感器连接线与信号调理模块3相连，信号调理模块3通过连接线与信号采集模块4相连，信号采集模块4通过连接线与计算机5相连。
[0053] 在测量系统中，电涡流传感器2安装于汽轮机机匣9上，电涡流传感器2通过传感器连接线与信号调理模块3相连，信号调理模块3通过连接线与信号采集模块4相连，信号采集模块4通过连接线与计算机5相连，信号调理模块3放置于信号调理集成主机10中，信号采集模块4放置于信号采集集成主机11中。
[0054] 根据电涡流传感器测量原理，当给电涡流传感器探头线圈导入一交变
电流I，在线圈周围形成一个
磁场。如果有金属导体进入这个磁场，金属导体和探头之间会产生电涡流，磁场方向与线圈自身的磁场相反，会改变电涡流传感器探头线圈的阻抗值Z，阻抗值Z的变化经信号调理后转化为电压变化。阻抗值Z与金属导体的磁导率μ、电导率δ，交变电流的幅值I、频率f，电涡流传感器探头和金属导体之间的间隙d，金属导体尺寸因子K和探头尺寸因子K'有关，即阻抗可以用函数Z＝f(μ,δ,I,f,d,K,K')表示。
[0055] 由于带冠叶片结构特殊，各带冠叶片之间在旋转时会互相耦合，带冠叶片及带冠叶片的耦合处会交替经过电涡流传感器的探头，因此无法采用传统的控制其他6个参数恒定不变，令阻抗Z成为变化参数间隙d的单值函数的方法进行叶尖间隙的测量。因此有了本发明提出的基于带冠叶片耦合特征的电涡流式叶尖间隙测量方法。参照图1，其原理如下：
[0056] 依据实际工作情况，安装于汽轮机静止机匣上的电涡流传感器探头线圈的阻抗Z由间隙d和带冠叶片尺寸因子K共同作用，其他影响因子可认为处于固定不变的状态。因此阻抗Z和间隙d、带冠叶片尺寸因子K的关系可表示为
[0057] Z＝f(d,K) (1)
[0058] 同时，由于在旋转时，带冠叶片及带冠叶片的耦合处会交替经过电涡流传感器的探头，根据探头感受到的实际带冠叶片，可令带冠叶片尺寸因子K在带冠叶片处表示为(K1+K2)，在带冠叶片耦合处表示为K1，因此在经过带冠叶片时阻抗Z1可表示为[0059] Z1＝f(d,K1+K2)＝f(d,K1)+f(d,K2) (2)
[0060] 在经过带冠叶片耦合处时，阻抗Z2可表示为
[0061] Z2＝f(d,K1) (3)
[0062] 因此当汽轮机工作时，每经过一带冠叶片及其耦合处，阻抗变化量ΔZ可表示为[0063] ΔZ＝Z1-Z2＝f(d,K2) (4)
[0064] 同时，由于尺寸因子K1和K2是固定不变的，因此基于带冠叶片的耦合特征，将阻抗变化量ΔZ转化为了与间隙d的单值函数关系，即可将式(4)表示为
[0065] ΔZ＝f(d) (5)
[0066] 即可通过电涡流传感器探头线圈阻抗变化量ΔZ来表征带冠叶片的叶尖间隙d。
[0067] 同时，由于直接测量阻抗Z的难度较高，因此可通过信号调理模块将其转换为电压V再进行测量。如图1所示，当探头与带冠叶片的间隙为d，且位于带冠叶片处时的电压为V1，位于带冠叶片耦合处时的电压为V2，此时电压变化量ΔV可表示为
[0068] ΔV＝V1-V2 (6)
[0069] 因此阻抗变化量ΔZ与间隙d的单值函数关系可转化为电压变化量ΔV与间隙d的单值函数关系，即
[0070] ΔV＝f(d) (7)
[0071] 通过式(7)可得到其反函数
[0072] d＝f(ΔV) (8)
[0073] 本实施例通过基于带冠叶片耦合特征的电涡流式叶尖间隙测量方法，搭建带冠叶片叶尖间隙标定系统和标定方案，获得带冠叶片叶尖间隙d-电压变化量ΔV标定曲线，并设计带冠叶片叶尖间隙测量系统，实现对汽轮机带冠叶片叶尖间隙的实时测量。可精确测量汽轮机带冠叶片在高速旋转时的叶尖间隙，满足电厂在汽轮机带冠叶片高速旋转时的实时监测要求，保证电厂工作的安全可靠性，减少停机检查等带来的成本增加，提高电厂的经济效益。具体实施方式如下：
[0074] (1)搭建带冠叶片叶尖间隙标定系统。
[0075] 在电厂现场，汽轮机末级长叶片叶顶直径在4m以上，工作时转速可达3000rpm以上，通过计算可得带冠叶片叶尖处线速度达到628m/s以上。同时带冠叶片叶尖咬合位置长度为0.1m左右，电涡流传感器探头直径为0.03m，带冠叶片叶尖咬合位置长度经过电涡流传感器探头的时间为0.207ms，因此可认为汽轮机带冠叶片在高速旋转时叶尖咬合位置经过电涡流传感器探头时为一水平直线。
[0076] 基于此搭建带冠叶片叶尖间隙标定系统，见图2，带冠叶片1以汽轮机带冠叶片高速旋转时的咬合位置固定于带冠叶片安装台6上。三维移动台7可实现带冠叶片安装台6在x、y、z两个方向的移动。电机8可驱动三维移动台7的x轴方向实现带冠叶片安装台6在x轴方向的匀速运动，以模拟带冠叶片旋转方向。
[0077] 电涡流传感器2固定在带冠叶片1上方，经过调整需保证探头端面与带冠叶片端面平行，电涡流传感器2通过传感器连接线与信号调理模块4相连，信号调理模块4通过连接线与信号采集模块4相连，信号采集模块4通过连接线与计算机5相连，以保证信号的有效传输。
[0078] 本发明所搭建的带冠叶片叶尖间隙标定系统中的三维移动台7的x轴可模拟带冠叶片旋转方向，y轴可调节电涡流传感器2相对于带冠叶片1的竖直位置，z轴可调节电涡流传感器2与带冠叶片1之间的间隙，因此可满足不同安装要求和标定要求的带冠叶片叶尖间隙标定。
[0079] (2)进入带冠叶片叶尖间隙标定流程。
[0080] ①以真实安装要求确定电涡流传感器2与带冠叶片1的相对位置。通过y轴调节保证电涡流传感器2与带冠叶片1的相对位置与真实安装要求是一致的，此步骤的目的是要保证标定的准确性。
[0081] ②通过电机8控制三维移动台7，使其在x轴方向匀速运动，通过信号调理模块3、信号采集模块4和计算机5实时监测输出电压波形曲线。见图3，通过该曲线可得一电压变化量ΔV，该电压变化量ΔV即为由于叶尖间隙d和带冠叶片耦合特征而产生的电压变化，对应一叶尖间隙d。
[0082] ③改变电涡流传感器2与带冠叶片1的间隙，重复第②步，可得到不同的带冠叶片叶尖间隙d和电压变化量ΔV的一一对应关系，见图4，通过最小二乘法拟合，可拟合成一多项式方程，得到电压变化量ΔV和叶尖间隙d的单值函数关系f。该方程的相关关系达到0.999以上，说明通过本发明搭建的带冠叶片叶尖间隙标定系统得到的标定曲线及其单值函数关系f可作为带冠叶片叶尖间隙测量系统的叶尖间隙d-电压变化量ΔV的对应依据。
[0083] (3)搭建带冠叶片叶尖间隙测量系统。
[0084] 见图5，电涡流传感器2安装于静止的汽轮机机匣9上，使其正对整圈的带冠叶片1，电涡流传感器2通过传感器连接线与信号调理模块3相连，信号调理模块3通过连接线与信号采集模块4相连，信号采集模块4通过连接线与计算机5相连。
[0085] 带冠叶片叶尖间隙测量系统与标定系统不同在于为了保证
数据采集的准确性和完整性，测量系统采用多传感器测量的安装方法，因此需要将多个信号调理模块3放置在信号调理集成主机10中，将多个信号采集模块4放置在信号采集集成主机11中。集成主机的作用为为各模块集中供电，保证各模块的正常工作；使各模块集成标准化，实现多模块同步处理，提高模块的测量准确度。
[0086] (4)实现带冠叶片叶尖间隙测量。
[0087] 见图6，带冠叶片1与电涡流传感器2的实际间隙为d0，汽轮机启动工作，带冠叶片1开始旋转，转速逐渐增加。带冠叶片1的耦合处每经过电涡流传感器2一次，会产生一次阻抗变化ΔZ。
[0088] 传感器连接线将阻抗Z的实时变化
信号传输到信号调理模块3中进行处理，转化为如图4所示的经过剔除噪声等不利因素的电压V的实时变化信号，然后通过连接线将调理过的电压V实时变化信号输入到信号采集模块4中。
[0089] 之后将电压V实时变化信号传输到计算机5中，进行
数据处理。计算机5内有数据处理
软件，通过信号预处理，首先计算出各实时电压信号的电压变化量ΔV，然后通过前期标定装置得到的单值函数关系f将电压变化量ΔV代入，可得到该电压变化量ΔV对应的带冠叶片叶尖间隙d，从而实现汽轮机内带冠叶片叶尖间隙值d0-电压值ΔV-数据处理得到叶尖间隙d的一套完整计算流程。
[0090] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
