对燃气轮机转子进行平衡的方法和辅助装置与流程

本发明涉及一种对燃气轮机转子进行平衡的方法和辅助装置。

背景技术：

如所知的，在工业系统中用于发电的燃气轮机转子，通常包括多个装有叶片的叶盘和一个或多个间隔元件，这些部件沿着轴线对齐并且在正面耦合。叶盘和间隔元件被中央系杆夹住。叶盘具有各自的叶片阵列，并且每个叶盘限定压缩机或者透平的转子级。

燃气轮机的转子必须进行高精度的制造和装配，以确保接近完美的平衡。考虑到质量和高速旋转(根据不同国家的标准，通常在3000rpm或者3600rpm)，即便是最小的差错也会引起危险的振动，并通常导致一些组件的过早老化。

无论出厂的燃气轮机转子被认为是多么恰当的平衡，转子自身重量，工作温度和旋转期间形成的负载随着时间，会引起质量相对于轴的许多对称性变化。实际上，在使用时重力趋向于使仅在末端得到轴承的支撑的转子变形。

经常有必要对运行中的燃气轮机转子进行干预，以恢复恰当的平衡状态，这种平衡状态虽然并非理想，但总处于可接受范围之内。

在一些情况中，可能进行相对低的侵入性干预，例如在适当提供的外壳中增加平衡重量。

然而在其他时候，不平衡的情况只通过这些操作是无法得到补偿的，必须拆开转子，修正叶盘组的相对方向，以消除对齐误差。

拆开和重新装配转子的操作非常昂贵，特别是因为这意味着非常长期的机器停机时间，甚至可长达数周。因此显然的是，尽可能地减少这类干预所需要的时间非常重要。

遗憾的是，识别哪个叶盘需要旋转以及旋转多少角度是极其复杂的问题，并且通常而言纸上认定的方案在实践中并不恰当，因为各种未知因素无法完全考虑。例如，连续叶盘之间的接触面可能会由于使用而引起变形或者故障，这会造成无法预料的相对旋转。如果理论方案无法提供预期效果，或者检测显示转子未达到平衡或者未充分平衡，则必须重复流程而浪费大量的时间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对燃气轮机转子进行平衡的方法和辅助装置，以避免或者至少减弱所述的缺陷。

根据本发明，权利要求1和10分别对一种对燃气轮机转子进行平衡的方法或者辅助装置进行了限定。

附图说明

现在参照以下附图对本发明进行说明，附图示出本发明的一些非限定性的实施例，其中：

图1是燃气轮机转子的沿着水平轴面上的俯视图，并且示出根据本发明实施例的关于对燃气轮机转子进行平衡的辅助装置的简化框图；

图2a是图1中转子的偏心部的图示；

图2b是示出在初始状态下，图1中转子的第一极坐标偏心测量的示意图；

图3是根据本发明的实施例的对燃气轮机转子进行平衡的方法的简化流程图；

图4是图3中方法步骤的更详细的流程图；

图5是示出从图2中的第一测量所提取的偏心分量的示意图；

图6示出根据本发明的方法中所采用的第一量；

图7示出根据本发明的方法中所采用的第二量；

图8是图3中方法的进一步措施的更详细的流程图；

图9是示出在初始状态下，图1中转子的第二极坐标偏心测量的示意图；

图10是示出从图9中的第二测量所提取的偏心部件；

图11是示出在实际修正状态下，图1中转子的第三极坐标偏心测量的示意图；以及

图12是示出从图11中的第二测量提取的偏心分量。

具体实施方式

参照图1，发电系统燃气轮机转子作为整体以附图标记1指示，其包括多个沿着轴A排列并且被中央系杆3夹住的叶盘2。具有各自的第一转子叶片5的第一叶盘组2，限定转子1的压缩段1a，同时具有第二转子叶片6的第二叶盘组2，限定转子1的涡轮段1b。压缩段1a和涡轮段1b通过没有叶片的在实践中作为间隔元件的大致圆柱形的叶盘2彼此分离。使用时，燃气轮机的环形燃烧室(未示出)可以布置在间隔叶盘2的周围。

前轴承结合部7和后轴承结合部8分别包含于第一端盘和第二端盘，分别也称为前或正面中空轴和后中空轴，在此由附图标记2a，2b指示。

为方便起见，除非进行其他说明，后文“叶盘2”将作为整体指示前中空轴2a，后中空轴2b，压缩段1a的叶盘2，涡轮段2b的叶盘2以及间隔叶盘2。

图1还示出对燃气涡轮转子进行平衡的辅助装置，以附图标记10指示，并且包括处理站11和测量仪器12。

处理站11从测量仪器12接收测量数据，并且根据接收到的数据来确定转子1的修正状态，其中修正状态相对于初始状态至少一个叶盘2进行了旋转，以减少转子1的总体不平衡。

测量仪器12可以沿着转子1的轴A移动，转子1安装于涡轮下半部基底(未示出)上或者车床(其中只有支撑前轴承结合部7的稳定架13a，和支撑后轴承结合部8的轴13b，以简化方式示出；通过精确定位夹具得到相对于旋转轴的零偏心定心)上。

测量仪器12获取关于转子1的相位的信息(例如，通过译码器或者旋转和角速度检测器)，以及在其上进行测量的轴位置PA的信息。

测量仪器12可因此确定每个叶盘2相对于转子1实际旋转轴AR的偏心数据，转子1由机器轴承或者稳定架13a和车床的轴13b进行支撑(也见于图2a：存在对齐错误时，实际旋转轴并不与未变形转子1的理论轴A和叶盘2的中心C完全一致；进一步地，当在车床上进行测量时，实际旋转轴AR还可以通过结合稳定架13a和轴13b的平行错误进行确定，如示例中所描述的)。通过在车床上(或者作为一种选择，在机器下半部的轴承上)旋转转子1确定偏心，并且确定每个叶盘表面上一个位置垂直于实际旋转轴AR的振动。实践中，周期输出信号被记录下来。输出信号基波的幅值和相位确定了观察中的叶盘2的中心C相对于实际旋转轴AR(也见于图2a)偏差的存在，以及相对于轴1基准方向的偏差方向。相反，输出信号的二次谐波确定进行检查的组件的椭圆性。此外，在正圆叶盘2并且实际旋转轴相对于重力轴(通常是燃气轮机转子的)倾斜的情况时，二次谐波有助于估算转子1轴A对应部位的弯曲度。在一个实施例中，关于每个叶盘2的输出数据(以及偏心数据)是通过在转子1的多个旋转期间进行测量，并通过对确定测量进行平均操作来确定。在一个实施例中，例如处理站11：确定转子1每个旋转的输出数据部分的傅里叶变化，旋转期间对于检查中的叶盘2进行测量；检查所确定的偏心峰-峰值(在N次旋转)处于测量仪器的可重复范围内；从输出信号的每个部分呈现的对应于基波(例如，前四次谐波)的频段的输出信号的变换平均值确定平均输出信号；并且确定平均输出信号的逆变换。平均计算操作能够减少和估算测量误差。

图2b示出，在一个示例中，极坐标呈现的一组偏心测量，偏心向量E1，...，EP具有转子1在初始状态下所有叶盘2的幅值和相位。

处理站11用于执行以下参照图3所描述的过程。

首先，处理站11检测从测量仪器1接收到的数据的一致性，并且修正任何采集误差(框100)。例如，前轴承结合部7或者后轴承结合部8的非零偏心值意味着车床(未示出)上转子1的不完全对准。对准误差影响所有叶盘2的偏心测量。在这种情况下，处理站11针对转子1的所有叶盘2确定由与车床的不准确结合所引起的偏心贡献，并且从通过测量仪器12所提供的数据减去所获得的贡献。

一旦误差得到消除，测量站11检查转子1是否需要平衡，例如通过将从测量仪器所提供的数据所获得的平衡指数与阈值进行对比(框110)。如果不必进行平衡(框110，输出否)，则程序结束(框120)。

否则(框110，输出是)，处理站11识别出转子1的危险区域，即之间的偏心变化较高的叶盘2对或者组(框130)。关于危险区域识别的过程随后将参照图4在后文进一步详细描述。

如果存在至少两个危险区域(框140，输出是)，处理站11确定转子1的纠正措施(框150)，否则(框140，输出否)程序结束(框120)。

当可以执行纠正干预时，处理站11将这些措施定义为至少一对连续叶盘2之间的相对旋转，而连续叶盘2分别与上下游的其他叶盘2保持一定角度。在一个实施例中，相对旋转关于旋转涉及的叶盘2的重力轴进行定义，并且设置在最靠近前轴承结合部7处(图1)，特别是重力轴垂直于叶盘2本身的表面。通过这种方式，实践中转子2的两个段就相对于彼此旋转。每个段分别由两个叶盘2中的一个进行界定，在两个叶盘2之间设置相对旋转。

然后处理站11确定由纠正措施所引起的配置(框160)，并评估结果配置是否与次优方案对应，即至少局部地优化指示对转子1进行平衡的目标函数的方案(框170)。

如果结果配置与次优方案不一致(框170，输出否)，处理站11就排除识别出的结果配置并确定新的纠正描施以及新的结果配置(框180)。

如果相反，结果配置就是次优配置(框170，输出是)，处理站11也评估符合平衡条件(例如，如果与结果配置相关联的预期的平衡指数低于阈值，框180)。

如果结果配置不符合，则过程在没有方案的情况下结束(框180，输出否；框120)。如果不是，则测试通过(框180，输出是)，识别出的方案被认为是可靠的并且对应的纠正措施得到实际执行(根据识别出结果配置，转子被拆开并重新装配)。

一旦纠正措施已经执行，再次使用测量仪器12对转子1进行测量，并且处理站11采用更新的数据来检查最终平衡(框190)。

识别危险区域的程序是基于观察，观察无故障并且得到末端附近轴承支撑的转子因重量而具有大体上规律的弯曲，并且转子趋于按照弧度进行布置。构成转子的叶盘具有给定的偏心，偏心从末端朝向转子中心增长。在连续叶盘之间偏心的变化较低，并且以连续叶盘的顺序连接相应点(例如中心)的连线也可以通过令人满意的方式来近似直线。在此所描述的过程中，N个连续叶盘2的所有组都被识别(N可以是从3，4，5中方便地选择)。对于每一组而言，相对于理想情形的插值函数和公差范围都被确定。

从描述没有对称性错误(理想情况)的转子1的配置的函数组里面选取插值函数。

关于插值函数确定公差因素，考虑到连续叶盘2之间的涉及测量误差的不对称性以及可接受的加工和装配公差，包括，例如：

每个叶盘2对面的自定心壳与检测输出数据的叶盘2的外沿之间的偏心(例如在外沿与每个面的外壳之间10μm)；

每个叶盘2对面的自动定心壳之间的平行错误。

验收标准是基于一组连续叶盘2的偏心测量是否处于对应的公差范围。如果调查中的至少一个叶盘2偏心测量超出公差范围，调查中的相同组的叶盘2即为危险区域。

在后文参照附图4对识别危险区域进行更详细的说明。

首先(框200)，处理站11通过向量和来确定结果偏心，其在附图2中以ER标示(为简便，结果偏心ER仅以例子而非按比例呈现)。然后，处理站11确定指示单个叶盘2的偏心的所有矢量在结果矢量ER方向上的各个投影。这样获得的偏心分量ER1，...，ERP显示于图5中沿着轴A的各个叶盘2的位置。

对于转子1中的所有组的N个连续叶盘2进行识别(框210)，即，实际中：具有两个直接连续叶盘的前中空轴；前中空轴直接下游的三个叶盘等等；上至包括涡轮段的最后两个叶盘以及后中空轴的最后一组。在一个实施例中，每组包括三个叶盘2。

对每组叶盘2，处理站11确定插值函数(在图6和7中的F；图4，框220)以及对应的公差范围(图6和7中的R；图4，框230)。

插值函数F可以是，例如，高至四次多项式函数或者适当周期的移动平均数。插值函数F的次数可以根据每组所属叶盘2的数量N进行选择。属于每组的叶盘2的数量N越大，插值函数F的次数就越大。在图6和7的示例中，每组叶盘2的数量N是3，而插值函数F是一次多项式函数，也就是说直线。

在各个组的连续叶盘(2)的偏心测量上，可以用普通最小二乘法来确定插值函数F(在图6的情况中ERJ，ERJ+1，ERJ+2；在图7的情况中ERK，ERK+1，ERK+2)。

此外，在一个实施例中，公差范围R是振幅带W，其以插值函数F为中心并且进行延伸。

处理站11检查相同组的所有叶盘2的偏心测量ERQ，ERQ+1，FRQ+N-1是否处于各自的公差范围R中(框240)。

如果组内所有叶盘2的偏心测量都处于各自的公差范围R中(框240，输出是)，将该叶盘2组标记为合格(框250；如图7中偏心测量ERK，ERR+1，ERK+2的情况下)。

如果相反，组内叶盘2的偏心测量中至少有一个处于公差范围R之外(框240，输出否)，则该组叶盘标记为危险区域(框260；如图6的偏心测量ERJ，ERJ+1，ERJ+2的情况下)。

在图5的示例中，标记为危险区域的组被省略识别。

对于所有识别出的连续叶盘2组重复进行公差范围R和插值函数的选择以及插值函数属于公差范围R的检查。

参照图8，为了确定转子1的纠正措施，处理站11首先排除标记为危险区域的组内叶盘2(框300)，并识别两个后面危险区域之间的候选叶盘2的较远组(框310)。这组候选叶盘2包括连续叶盘2的最小数量，例如5。

对于候选叶盘2组的每对叶盘2(框320)，处理站11确定多个修改配置，针对转子1的所有叶盘2确定对应的预期偏心(框330；也见于图9和10的示例中，其中预期偏心标记为偏心向量E1′，...，EP′以及沿着结果偏心ER′方向的各个分量ER1′，...，ERP′)，并针对每个修改配置计算代表预期不平衡的品质参数(框340)。

例如，对于每对叶盘2，处理站11确定180修改配置，该修改配置具有关于初始配置在180°±90°范围内倾斜1°。

在一个实施例中，品质参数是剩余动量重量PRM，其被定义为转子总动量重量的大小并考虑组件偏心及其质量。特别地，剩余动量重量定义为：

其中Mj是2第J叶盘的质量(可能具有各自的叶片)，并且EJ是定义2第J叶盘偏心的向量。

可替换地，品质参数可以是预期不平衡指数IS，定义为：

其中||EJ||是定义2第J叶盘偏心的向量的大小，I_NOM是转子1的名义惯性动量，而C是常量(例如10⁹)。

可选的，品质参数可以是象限MEQ上的最大累积偏心，作为启发式参数，按照如下计算：

关于实际旋转轴AR定义给定幅值(例如60°)的扇形；

将扇形中的偏心向量E1，...，EP的大小进行相加；

扇形在整体圆周中以恒定间距旋转，每次将扇形中所呈现的所有偏心向量E1，...，EP的大小进行加和；

识别出在扇形中所呈现的所有偏心向量E1，...，EP的大小之和最大的那个扇形。

象限MEQ上的累积偏心是待优化的品质参数。

指示参数给予在矫正干预之前或之后对真实转子不平衡的定量评价，以及与所计划的纠正措施产生的配置相关联的预期不平衡。

如果是完全对称平衡的转子，剩余动量重量PMR，不平衡指数IS以及象限上的最大累积偏心是零。越高的值代表恶化的平衡状况，直至阈值，超过阈值则转子不符合。

在进一步的实施例中，待优化的品质参数是归一化的、使具有量纲和权重的剩余动量分量PMR，不平衡指数IS以及象标准限MEQ上最大累积偏心的结合。这类型的品质参数是鲁棒的因为它概括了分别由剩余动量分量PMR、不平衡指数IS以及象限MEQ上的最大累积偏心所代表的各个方面。

一旦处理站11确定所有的修改配置，以及品质参数的对应值，则优化品质参数的配置(在这种情况下，将剩余动量重量最小化的修改配置；图8，框350)就被选定。

一旦利用所述过程来执行选定的修改措施，将检查结果示出在图11和图12中。

特别地，获得实际修改配置中叶盘2的更新的偏心测量。叶盘2的更新的偏心测量通过图11中的偏心向量E1″，...，EP″的极坐标表示，同时图12示出沿着结果ER″方向的更新的偏心分量ER1″，...，ERP″。

在一个实施例中，处理站11配置为识别若干组候选叶盘2，每组定义为转子1的两个危险区域之间的连续叶盘2的组。在这种情况中，处理站11确定纠正措施，大体上如所述，存在可能的是在连续叶盘2之间还提供至少一个相对旋转。

根据本发明的方法可以确定转子的修改配置，当测量效益时，修改配置很可能形成令人满意的平衡。因此，需要对转子进行数次拆解和重装的复杂操作的风险得到避免或者至少大幅减少。维护干预次数被最小化从而节省可观的费用。进一步地，具有相对低的计算负担，该方法可以界定一类潜在的令人满意的配置，而最优方案则存在于该类之中。

最后清楚的是，在脱离所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，能够对于所述方法和装置做出改变和变化。