专利名称：监测尤其是燃气或蒸汽轮机的旋转轴动态特性的方法和装置的制作方法
监测尤其是燃气或蒸汽轮机的旋转轴 动态特性的方法和装置
本发明涉及一种监测旋转轴动态特性尤其是振动特性的方法。本发明还 涉及一种尤其保证实施此方法的装置。
机器，例如蒸汽或燃气轮机装置旋转部分的功率越来越大。这例如在汽 轮机中同时造成转子的重量增加和中心距离加大。与之相关联的加大振动使 运行维护越来越重要，因为过大的振动导致机器不能修复的损坏。因此规定 了一个极限范围，允许振动值在此范围内部变动。超过此极限值可导致关闭 整个设备。
此外，渴轮频繁起动和停止导致异常振动，它们可造成机器损坏。因此 有必要高精度地监测振动。
本发明的目的是提供一种监测旋转轴动态特性尤其是振动特性的改进 方法。另一个目的是提供一种尤其允许实施此方法的改进装置。该装置和方 法应能用于燃气轮机也能用于蒸汽轮机。
涉及方法的目的按本发明通过一种监测旋转轴动态特性尤其是振动特 性的方法达到，其中，借助至少两个传感器在规定的不同空间位置检测振动， 以及其中，根据振动确定至少 一个优先方向的振动特性。
本发明基于下述认识。若轴的振动超过一个规定值，则可以导致机器关 闭或随之例如降低机器的功率。然而这与高成本和停机时间相关联。若不及 时关闭，振动将造成机器严重损坏。振动可以由传感器测量。此外，本发明
还由下列认识为出发点不同的频率范围可以从轴中心起沿各不同方向引起 机器的损坏。其原因是，在不同的频率范围时沿不同的方向形成大的振幅。 因此损坏机器的频率范围沿不同方向是不同的。这意味着，在某个频率范围 内的振动使机器尤其沿某个一定的方向损坏，因为在此频率时尤其沿该方向 形成巨大的振幅。对于另一个方向，此频率范围意味着因振动可能导致损坏 的危险性较小。现在，本发明的出发点是，这些振动用至少两个振动传感器 监测。这些传感器定位在轴外部的不同位置。在这里，传感器的空间位置是 已知的。这些传感器检测振动的特征测量参数，例如振动的振幅和相位。现在根据这些数据可以确定振动沿至少一个优先方向的振动特性。通过确定沿 至少 一个优先方向的振动，可以更好地限制可能导致严重破坏的频率范围。 避免机器的提前关闭或功率下降。由此一方面减少停车时间并因而节省费 用。此外，表现为振动异常的机器的运行故障或磨损现象，可以更容易和更 早识别。从而可以更迅速地釆取针对性措施。例如，若确定在机器减速时谐 振频率沿所述至少一个优先方向移动，便属于这种情况。
涉及装置的目的按本发明通过一种监测在一个有可旋转部分的旋转机 器内振动特性的装置达到，它有至少两个传感器、 一根轴和一个计算装置， 其中，所述至少两个传感器定位在该轴外部规定的空间位置，以及其中，传 感器检测表征振动的测量参数并为了传输数据与计算装置连接。此装置尤其 适用于实施上述方法。因此，方法的优点也适用于装置。
由对实施例的说明和由其他的从属权利要求，给出本发明另 一些特征、 特性和优点。
下面借助附图作为范例详细说明本发明。
附图筒化和未按尺寸比例地表示，其中
图l表示轴与轴承箱、传感器及一种振动；
图2借助程序框图表示方法的一种实施例；以及
图3表示沿水平和垂直轴振动的一个局部频率范围。
图1表示一个轴承箱20固定在一个基架30上，此外它还有一根涡轮轴 25。在轴承箱20上优选地按彼此间隔90度角固定两个传感器10、 12。
在这里机器40有两个主刚度轴V、 H(直角坐标系)，在本实施例中它们 表示为垂直方向V和水平方向H。主刚度轴V、 H与垂直方向V和水平方 向H重合。传感器相对于轴H按一个角度(3, 14安装。
由于例如伸缩缝，传感器在轴承箱30上的定位并不是到处都是可能的。 例如，传感器IO、 13不能沿机器40的主刚度轴V、 H方向安装。现在通过 涡轮轴25的旋转触发振动。若振动超过规定的极限值，则存在机器损坏的 危险。基本振动的分量形成运动学波迹(轨道)，它有一种椭圓的形状。振动 在椭圓波16内形成。它们被传感器IO、 12记录，图2中50,以及提供一个 模拟信号。椭圓波16通过由两个传感器10、 12测得的振幅和相位被单一地 予以确定。
椭圓波16通过四个测量参数在传感器的笛卡儿坐标系内说明如下x(,)、
、艰
5
4 "in一 + ^)
现在模拟信号借助模数转换器，图2中51,转换为数字信号，图2中 52。根据数字信号，求出对椭圓波16重要的参数，亦即主要是相位和振幅， 图2中计算装置53。这可以在测量用的计算机部件中完成。在传感器的笛卡 儿坐标系内存在这些参数，图2中54。借助计算装置将这些参数变换到机 主轴的坐标系上，图2中55。
这相当于上述由x(t)和y(t)组成的矢量旋转-p角。
旋转-P角的旋转矩阵有如下形式 cos sin / —sin / cos
在旋转后，沿水平方向(h(t))和垂直方向(v(t))的信号可以描述如下，图2 中56:
力、. cos;5 sin(wZ + ^) — J,.. sin /sin一 +伊2) Jr sin/5 sin(w/ + ^) + cos/sin(fttf + <p2)
这些信号供给解析的离散傅里叶变换DFT，以及由此计算谐波矢量的分 量，图2中计算装置57。
例如，对于水平部分情况如下。在这里，这些分量用Asin表示正弦部 分以及用Acos表示余弦部分。
《=一 j"(j、. cos sin(欲+ ^) sin <a>Z -爿,， sin 〃 sin(w + p2) sin a /)cif
《s = — J .cos'/sin(a)/ + ^) cos(W)—爿,. sin 〃 sin(w/ + <^2) cos(w/))t// w"/: _/ =——
为了评估计算下列积分是有益的
<formula>formula see original document page 6</formula>同样地:<formula>formula see original document page 7</formula>
通过DFT计算沿机器主轴V、 H方向的椭圓波16参数。它们主要是沿 主轴V、 H方向的振幅和相位。通过将椭圓波16的特征参数分解到机器40 的主刚性轴H、 V上，可以确定沿主刚性轴V、 H方向的谐振范围。借助这 种改进的分析，可以准确地确定并限制危及机器的临界频率范围。
此外，避免了与高昂的费用相关联的机器40过早关闭。还有，连续监 测可以在机器有损坏危险时快速干预，这种干预恰好对于机器40的接通和 关闭是重要的。此外，由此可以更容易识别由于机器磨损或机器本身损坏造 成的损坏。
图3示意地在一个频率范围内表示沿主刚度轴V、 H方向机器40的不 同频率。图中表示频率f与振幅A的关系。这两个轴H和V在不同频率时 有一个最大值，其中62说明沿轴H的方向频率F与振幅A的关系，60说明 沿轴V的方向频率F与振幅A的关系。由此可更好地确定涉及频率的临界 范围，亦即谐振频率。若机器40处于运行中，则可能出现临界范围移动， 通过确定沿两个主刚度轴V、 H方向的振动，确定临界范围是如何移动的。图3表示沿垂直方向临界范围的移动64。在这里谐振频率从fvo移到fvl。因 此可以更容易识别机器损坏或机器上的磨损现象，并迅速采取恰当的针对性 措施。
权利要求
1.一种用于监测旋转轴(25)的动态特性尤其是振动特性的方法，其特征为通过至少两个传感器(10、12)在规定的不同空间位置检测振动，其中，根据振动确定至少一个优先方向的振动特性。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征为，确定两个不同的优先方向(V、H)。
3. 按照权利要求2所述的方法，其特征为，这两个优先方向(V、 H)与 机器的主刚度轴(V、 H)—致。
4. 按照权利要求2所述的方法，其特征为，与其中一个优先方向(V)— 致的主轴(V)相对于基架和轴承箱硬支承。
5. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，所述至少两个传 感器(IO、 12)沿反时针方向相夹一个90度的角。
6. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，轴的振动特性通 过4展幅和相位确定。
7. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，通过分析沿一方 向的振动特性降低报警的振动极限值范围。
8. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，由振动传感器(IO、 12)检测振动。
9. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，振动形成椭圓、 椭圆波C16)的形状。
10. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，连续评估振动。
11. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，传感器信号是模 拟的。
12. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，将模拟的传感器 信号转换为数字式时间序列。
13. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，进行数字式时间 序列的谐波分析。
14. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，将通过谐波分析 确定的振动特征测量参数变换到主轴(V、 H)方向上。
15. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，经变换的振动特征测量参数被传输用于离散的傅里叶分析。
16. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，该方法应用于汽 轮机。
17. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，该方法应用于燃 气轮机。
18. —种用于监测在一个具有可旋转部分的旋转机器(40)内振动特性的 装置，它有至少两个传感器(IO、 12)、 一根轴(25)和一个计算装置，其特征 为所述至少两个传感器(IO、 12)定位在轴(25)外部规定的空间位置，以及， 传感器检测表征振动的测量参数并为了传输数据与计算装置(70)连接。
19. 按照权利要求18所述的装置，其特征为，所述传感器固定在轴承相上。
20. 按照权利要求18至19之一所述的装置，其特征为，所述传感器记 录才莫拟d言号。
21. 按照权利要求18至20之一所述的装置，其特征为，所述计算装置 (70)包括一个模数转换器。
22. 按照权利要求18至21之一所述的装置，其特征为，所述传感器(IO、 12)为了信号传输与所述模数转换器(51)连接。
23. 按照权利要求18至22之一所述的装置，其特征为，所述计算装置 (70)包括多个用于分析计算的计算单元。
24. 按照权利要求18至23之一所述的装置，其特征为，所述计算装置 (70)包括模数转换器(51)。
25. 按照权利要求18至24之一所述的装置，其特征为，所述计算装置 (70)包括事故报警系统。
26. —种带有如权利要求18至25之一所述装置的燃气轮机。
27. —种带有如权利要求18至25之一所述装置的汽轮机。
全文摘要
本发明涉及一种监测旋转轴(25)动态特性尤其振动特性的方法，其中，通过至少两个传感器(10、12)在规定的不同空间位置检测振动，以及，根据振动确定至少一个优先方向的振动特性。本发明还涉及一种监测在具有可旋转部分的可旋转机器(40)内振动特性的装置，它有至少两个传感器(10、12)、一根轴(25)和一个计算装置，其特征为，所述至两少个传感器(10、12)定位在轴(25)外部规定的空间位置，以及，传感器检测表征振动的测量参数并为了传输数据与计算装置(70)连接。此外，本发明涉及一种使用按本发明的方法和装置的燃气轮机和汽轮机。
文档编号G01H1/00GK101300465SQ200680040636
公开日2008年11月5日 申请日期2006年8月2日 优先权日2005年8月31日
发明者乔基姆·贝蒂厄斯, 托马斯·博格, 汉斯-冈瑟·齐柏林, 雷芒德·特罗科尔 申请人:西门子公司