一種汽輪機轉子和靜子之間徑向間隙的實時動態測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及熱力設備性能狀態監測與診斷領域，是一種汽輪機轉子和靜子之間徑 向間隙的實時動態測量方法。
【背景技術】
[0002] 汽輪機是一種將蒸汽熱能轉換為機械能的高速旋轉機械。為保持汽輪機轉動部件 和靜止部件之間不發生碰磨，必須使汽輪機轉動部件和靜止部件之間留有一定的間隙。汽 輪機通流部分徑向間隙的大小是影響汽輪機通流部分工作安全可靠性的重要指標。如果該 間隙過小，很有可能導致動靜之間發生碰磨，造成汽輪機動靜葉片磨損，使機組的工作效率 降低，嚴重時將迫使機組事故停機，如果間隙過大，將使汽輪機的漏汽損失增大，汽輪機的 運行經濟性降低。因此，汽輪機通流部分動靜之間徑向間隙不論是過大過小對機組的運行 都是不利的。顯然，運行中對汽輪機通流部分轉子和靜子之間徑向間隙進行快速準確的實 時動態測量對于汽輪機的安全經濟運行意義重大。
[0003] 中國國內刊號23-1251/TH《汽輪機技術》1997年03期公開了蔣耀明等人《透平機械 的動態間隙測量》一文，文中給出了一種測量透平機械動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，進行靜態標測。動態測量時，則需要將探頭兩端的 散熱裝置加冷卻循環水，確保測試的溫度和壓力。顯然此種方法動態測量結果的精度不僅 受靜態標測的影響，而且還受散熱裝置的換熱情況的影響。此外，此種方法測量工作介質主 要針對的是燃氣輪機，對于蒸汽輪機，由于中低壓通流部分蒸汽溫度較低，其測量精度已遠 不能滿足汽輪機的要求。
[0004] 中國發明專利申請號201210589363.4提出了《一種利用徑向間隙傳感器獲取離散 軸向間隙數據的設備和方法》，該方法需要在定子上安裝至少一個徑向間隙傳感器，用W收 集徑向間隙數據來確定軸向間隙數據。顯然該方法有兩個明顯的缺陷，一方面在汽輪機定 子中可安裝的傳感器數量有限，并不能覆蓋差動軸向運動的整個范圍，運將使測量精度降 低。另一方面，測試過程中，只要任何一個傳感器的數據失真，將導致整個測試結果精度降 低。
[0005] 迄今為止，尚未見有關汽輪機轉子和靜子之間徑向間隙的實時動態測量方法的文 獻報道和實際應用。

【發明內容】

[0006] 針對現有的大型汽輪機運行中通流部分徑向間隙難W實現準確實時動態測量的 問題，本發明提出一種能對運行中汽輪機的徑向間隙進行快速、高精度的檢測來實現對轉 子汽封間隙和葉頂汽封間隙精確動態測量的方法，從而更加真實地檢測當前汽輪機的運行 狀態，保證機組安全經濟運行，節省停機大修時間。
[0007] 本發明采用的技術方案是:一種汽輪機轉子和靜子之間徑向間隙的實時動態測量 方法，其特征在于:采用兩個測距裝置發射出調制光，通過合作目標反射回接收器，所述測 距裝置為高頻相位式激光測距儀，所述合作目標為角反射鏡，該測量方法包括W下步驟：
[0008] 1)建立汽輪機轉子中屯、無偏移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相對空間位置 坐標系的模型一，確定轉子和靜子之間徑向間隙；
[0009] 2)建立汽輪機轉子中屯、發生任意方向偏移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相 對空間位置坐標系的模型二，確定發射器至轉子表面的距離；
[0010] 3)建立汽輪機轉子只有橫向位移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相對空間位 置坐標系的模型=，計算轉子中屯、發生偏移時單向轉子偏屯、量和單向轉子表面豎向位移 量；
[0011] 4)建立汽輪機轉子只有豎向位移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相對空間位 置坐標系的模型四，計算轉子中屯、發生偏移時單向轉子偏屯、量和單向轉子表面橫向位移 量；
[0012] 5)將所述模型=和所述模型四中計算的單向轉子偏屯、量和單向轉子表面位移量 代入所述模型二中，計算所述任意位置的轉子偏屯、量。
[0013] 所述測距裝置放置于汽缸外，所述合作目標安裝于所述轉子表面。
[0014] 所述步驟1)中，所述坐標系為W轉子中屯、為原點，兩個測距裝置分別位于汽缸水 平和垂直的中分表面的二維坐標系，激光發射點A、B沿X軸、y軸方向到所述轉子表面的距離 記作^和心，轉子無偏屯、、無振動時激光發射點到所述角反射鏡的標準距離記作xo、yo,轉子 無偏屯、、無振動時所述轉子表面到缸體的距離為Lo,根據速度、時間和距離公式得
其中A ti為激光在X方向完成一個往返行程的時間，S; A t2為激光 在y方向完成一個往返行程的時間，S; C為光速，m/s。
[0015] 所述步驟2)中，發生位移后的轉子中屯、為化，設轉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;在轉軸發生位移后由于 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為轉軸在發生yi豎向位移 后引起的附加距離，Ay為轉軸在發生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x2+y2 = r2求得y方向上的激光在轉子上的反射點/i為 .!.'1=%^^>式中：/1為激光在轉子表面的反射點；'為汽輪機轉軸的半徑，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:/功激光在轉子表面的反射點。
[0017] 所述步驟4)中，轉子由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^，式中為激光在轉子表面的反射點。
[001引所述步驟5)中，由激光發射點A沿X軸方向到所述轉子表面的距離Lx、轉軸在發生yi 豎向位移后引起的附加距離Ax、和轉子無偏屯、、無振動時激光發射點到所述角反射鏡的標 準距離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 聯立所述 和

，'
求得Xi和yi;從而求得汽輪機轉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] 本發明根據高頻相位式激光測距儀的測試原理和特點并結合相對坐標系采用雙 測尺測距定位方法得到的一種汽輪機轉子和靜子之間徑向間隙的實時動態測量方法，所具 有的優點體現在：
[0020] 1.依靠兩個高頻相位式激光測距儀與運動轉子建立四個相對坐標系并采用雙測 尺測距定位方法來反映轉子在不同時刻的位置，實現對運行中汽輪機轉子運動軌跡的非接 觸式測量，從而達到對運行中大型汽輪機通流部分轉子和靜子之間徑向間隙的快速準確實 時動態在線監測；
[0021] 2.與現有的測距應用最廣的電容電感測距方法相比，不僅降低了測量元件在汽輪 機內部的安裝難度，而且減少了汽輪機內高溫高壓蒸汽環境對傳感器的影響，大大提高了 測量的精度;與現有的聲波測距方法相比，不僅具有延遲時間短、反應快、易實現的特點，而 且避免了汽輪機內部高速蒸汽汽流對聲波的干擾，使測量精度得到大幅提高，并能夠實現 對汽輪機轉子和靜子之間徑向間隙的實時動態監測；
[0022] 3.能夠保證機組安全經濟運行，節省停機大修時間。
【附圖說明】
[0023] 圖1為汽輪機轉子中屯、無偏移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相對空間位置 坐柄系不意圖；
[0024] 圖2為汽輪機轉子中屯、發生任意方向偏移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相 對空間位置坐標系的示意圖；
[0025] 圖3為汽輪機轉子中屯、只發生橫向位移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相對 空間位置坐標系的示意圖；
[0026] 圖4為汽輪機轉子中屯、只發生豎向位移時，測距裝置、合作目標、轉子及缸體相對 空間位置坐標系的示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖和實施事例對本發明作進一步詳細說明。
[0028] 參照圖1~圖4,本發明提供的一種汽輪機轉子和靜子之間徑向間隙的實時動態測 量方法，包括W下內容：
[0029] a.測距裝置選取環節
[0030] 選取兩個高頻相位式激光測距儀對汽輪機通流部分徑向間隙進行測量。通過高頻 相位式激光測距儀利用發射器射出的調制光通過合作目標反射回接收器的反射光的相位 差來實現距離測量。采取一種既能夠滿足精度又能滿足測量距離的分散直接測尺組合方法 將兩個不同頻率的激光組合分別測量間隙，其中低頻激光進行粗測，高頻激光進行精測。
[0031] 得到調制器發出低頻率為fi的激光，則波長為
(1-1)
[0033] 式中:Al為相位式激光測距儀發射出低頻率激光的波長，m;fi為相位式激