采用光纤传感技术的机架底脚载荷测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发电机领域，尤其涉及涡轮驱动发电机机架底脚载荷的监测。
【背景技术】
[0002]用于能量转换的涡轮驱动发电机(或称涡轮发电机)包括机架结构，通常情况下，该机架结构安装在为发电机提供必要的结构支撑的混凝土基础上。沿机架的各部分通常有一个或多个底脚，用于帮助把发电机机架的载荷传递到基础上。通常情况下，发电机底脚支撑的重量通过垫片组、座板和灰浆层传递到基础上。在安装和维护过程中，通过改变垫片组的厚度，能够使发电机和涡轮之间对正位置。在安装过程中浇铸到基础上的座板为发电机提供稳固的支撑底座。通常情况下，可延至机架全长的机架底脚一致地承担载荷，使用不同厚度的垫片组的目的仅是为了实现发电机与涡轮的最终对位。因此，定子铁心重量和电气载荷由发电机的中央部分承担，而机架端部支撑轴承中的转子。
[0003]为了最大限度地减小发电机轴的轴承跨距并提高刚度，转子轴承可由机架结构每端的相应托架支撑，而不是由外部轴承支座支撑。这种轴承布置形式意味着发电机端部的机架底脚应为转子轴和轴承提供稳固的支撑。过去，曾经在机架筋板(或角撑板)上使用机电式应变计，以测量每个底脚上的载荷分布，并针对动态轴承负荷使底脚的位置最佳化。使用基于机架挠度的载荷分布模式来正确分布机架底脚上的载荷。具体而言，在位于机架结构的角落附近的一块或多块角撑板上使用了一个或多个机电式应变计；正是这些竖向角撑板在角落处承担机架的重量。
[0004]以上述方式使用机电式应变计存在一些可靠性和操作限制。首先，通常情况下，标准的机电式应变计通过吸水水泥固结到角撑板基底上，而吸水水泥有时可能失效。即使很仔细地在应变计上涂一层密封剂以防止湿气侵入，但是水泥的固结寿命也可能仅有短短的12-18个月。因此，对于过去利用机架底脚承担载荷的发电机来说，需要拆下老旧的应变计，并安装新的应变计，以便将来监测机架底脚上的载荷。
[0005]而且，即使对于有经验的技术人员来说，标准机电式应变计的安装也很费时。有经验的现场工作人员安装标准应变计所需的时间大约为每个应变计需要I小时。因此，例如，典型的四极发电机安装工作可能包括在角撑板上正确安装多达64个应变计，因而需要很长的安装时间。
[0006]而且，从设计上来说，通常情况下，每个标准应变计需要3根线才能进行测量。对于一台四极发电机，可能需要从发电机向应变计的模拟连接器连接多达256根线。完成这些连接也需要大量时间，然后才能实现最终的测量。
[0007]因此，需要以快速、高效、精确、并能确保长期稳定结果的方式对发电机机架底脚载荷进行测量。
【发明内容】
[0008]本发明的多个方面涉及基于光纤光栅(FBG)传感器的应变测量模块。该模块包括具有第一端和第二端的光信号路径，光信号路径中的第一光纤光栅布置在第一端和第二端之间，光信号路径中的第二光纤光栅布置在第一光纤光栅和第二端之间。该模块还包括配置为基本上围住第一和第二光纤光栅的外壳；其中，外壳具有配置为通过机械方式附接至发电机的角撑板的表面上的外表面。而且，在第一和第二光纤光栅附近可布置有温度传感器。
[0009]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种包括多个模块的应变测量装置。每个模块包括具有第一端和第二端的光信号路径，以及在光信号路径中处于第一端和第二端之间的至少一个光纤光栅。每个模块还包括配置为基本上围住所述至少一个光纤光栅的外壳；其中，外壳具有配置为通过机械方式附接至发电机的角撑板的表面上的外表面。多个模块布置为相邻模块的连续链形式，该连续链具有起始模块和终止模块，从而提供一条光信号路径。光源与起始模块的第一端耦合，并配置为提供入射光谱。检测器与起始模块的第一端耦合，并配置为从多个模块中与各个光栅对应的每个模块接收相应的反射信号。从起始模块开始直到终止模块为止，多个模块中的每个模块的第二端通过一条跨接光纤光耦合至连续链中的相邻模块的第一端。
[0010]本发明的另一个方面涉及一种确定发电机的机架底脚载荷的方法，该发电机包括支撑在多个机架底脚上的发电机外壳和在发电机外壳与机架底脚之间延伸的角撑板。该方法包括:把至少一个机架底脚载荷模块附接至多块角撑板中的每一块，所述多个模块布置为相邻模块的连续链，该连续链具有起始模块和终止模块，从而提供一条光信号路径。每个模块包括:具有第一端和第二端的光信号路径；在光信号路径中处于第一端和第二端之间的至少一个光纤光栅；以及配置为基本上围住所述至少一个光纤光栅的外壳；其中，外壳具有配置为通过机械方式附接至发电机的角撑板的表面的外表面。该方法还包括:把光源与起始模块的第一端耦合，该光源配置为提供入射光谱；把检测器与起始模块的第一端耦合，该检测器配置为从多个模块中与各个光栅对应的每一个模块接收相应的反射信号；以及，从起始模块开始直到终止模块为止，使用一条跨接光纤把多个模块中每一个模块的第二端与连续链中相邻模块的第一端光耦合。
【附图说明】
[0011]虽然本说明书所附的权利要求书具体、明确地提出了本发明的权利要求，但是通过参照附图做出的以下说明，能够更好地理解本发明，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，其中:
[0012]图1是根据本发明的原理可用作应变计的一种光纤光栅的示意图；
[0013]图2是根据本发明的原理可用作应变计布置形式的多个光纤光栅的传感器布置形式的示意图；
[0014]图3示出了根据本发明的原理的可焊接光纤光栅部件；
[0015]图4A-4C示出了根据本发明的原理布置在一个模块中的多个光纤光栅；
[0016]图5A和5B分别是涡轮发电机的不同区域的透视图；
[0017]图6示出了根据本发明的原理具有机架底脚载荷模块的两块角撑板；
[0018]图7示出了根据本发明的原理具有多块角撑板和机架底脚载荷模块的发电机机架一角；
[0019]图8是根据本发明的原理感测机架底脚载荷模式的一种示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]在以下优选实施例的详细说明中，将参照构成本说明书的一部分的附图以示例性方式而非限定性方式说明可实施本发明的一个具体优选实施例。应理解，也可以利用其它实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下做出各种变化。
[0021]根据本发明的多个方面，一种基于光纤光栅(FBG)的传感器用作确定发电机(例如涡轮发电机)的机架底脚载荷的应变传感元件。三个FBG可串联使用，以构成一个基本的机架底脚载荷模块(FFL模块)。但是，应理解，FFL模块也可仅包括一个FBG。在发电机机架角落处的每块竖向角撑板上可固定两个模块，其中一个模块在角撑板的正面上，另一个模块在角撑板的背面上。因此，每块角撑板可装设有六个FBG传感器。有选择地使用发电机的四角之中的每个角处的角撑板。对于双极发电机，可使用每个角处的前三块角撑板，对于四极发电机，可以使用前四块角撑板。
[0022]图1是根据本发明的原理可用作应变计或传感器的一种光纤光栅的示意图。通常情况下，光纤光栅(FBG) 104形成在光纤102的芯层106中。芯层106被包层108围绕，如图1所示。这些光栅是无源光器件，可通过检测从FBG 104反射的信号或透过FBG 104的信号来对其进行监测。光栅104的布拉格波长λΒ(又称中心波长)如下确定:
[0023]λΒ= 2neA τ
[0024]其中，ne是光栅104在纤芯106中的有效折射率，A T 101是光栅周期。有效折射率代表光在芯层106中的传播速度与其在真空中的传播速度的比值。与光栅104的环境相关的可测的物理性质在此称为被测对象，被测对象的例子包括温度、应变、压力、张力、湿度等。当被测对象变化时，光栅周期101也随之变化，因而光栅104可指示被测对象在其局部环境中的这种变化。
[0025]在实际应用中，具有宽带光谱的光110作为输入耦合至光纤102，