一种汽轮机转子和静子之间径向间隙的实时动态测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及热力设备性能状态监测与诊断领域，是一种汽轮机转子和静子之间径 向间隙的实时动态测量方法。
【背景技术】
[0002] 汽轮机是一种将蒸汽热能转换为机械能的高速旋转机械。为保持汽轮机转动部件 和静止部件之间不发生碰磨，必须使汽轮机转动部件和静止部件之间留有一定的间隙。汽 轮机通流部分径向间隙的大小是影响汽轮机通流部分工作安全可靠性的重要指标。如果该 间隙过小，很有可能导致动静之间发生碰磨，造成汽轮机动静叶片磨损，使机组的工作效率 降低，严重时将迫使机组事故停机，如果间隙过大，将使汽轮机的漏汽损失增大，汽轮机的 运行经济性降低。因此，汽轮机通流部分动静之间径向间隙不论是过大过小对机组的运行 都是不利的。显然，运行中对汽轮机通流部分转子和静子之间径向间隙进行快速准确的实 时动态测量对于汽轮机的安全经济运行意义重大。
[0003] 中国国内刊号23-1251/TH《汽轮机技术》1997年03期公开了蒋耀明等人《透平机械 的动态间隙测量》一文，文中给出了一种测量透平机械动静之间径向间隙的方法，但该种方 法首先需要将传感器连接在每只叶片上，进行静态标测。动态测量时，则需要将探头两端的 散热装置加冷却循环水，确保测试的溫度和压力。显然此种方法动态测量结果的精度不仅 受静态标测的影响，而且还受散热装置的换热情况的影响。此外，此种方法测量工作介质主 要针对的是燃气轮机，对于蒸汽轮机，由于中低压通流部分蒸汽溫度较低，其测量精度已远 不能满足汽轮机的要求。
[0004] 中国发明专利申请号201210589363.4提出了《一种利用径向间隙传感器获取离散 轴向间隙数据的设备和方法》，该方法需要在定子上安装至少一个径向间隙传感器，用W收 集径向间隙数据来确定轴向间隙数据。显然该方法有两个明显的缺陷，一方面在汽轮机定 子中可安装的传感器数量有限，并不能覆盖差动轴向运动的整个范围，运将使测量精度降 低。另一方面，测试过程中，只要任何一个传感器的数据失真，将导致整个测试结果精度降 低。
[0005] 迄今为止，尚未见有关汽轮机转子和静子之间径向间隙的实时动态测量方法的文 献报道和实际应用。
【发明内容】
[0006] 针对现有的大型汽轮机运行中通流部分径向间隙难W实现准确实时动态测量的 问题，本发明提出一种能对运行中汽轮机的径向间隙进行快速、高精度的检测来实现对转 子汽封间隙和叶顶汽封间隙精确动态测量的方法，从而更加真实地检测当前汽轮机的运行 状态，保证机组安全经济运行，节省停机大修时间。
[0007] 本发明采用的技术方案是:一种汽轮机转子和静子之间径向间隙的实时动态测量 方法，其特征在于:采用两个测距装置发射出调制光，通过合作目标反射回接收器，所述测 距装置为高频相位式激光测距仪，所述合作目标为角反射镜，该测量方法包括W下步骤：
[0008] 1)建立汽轮机转子中屯、无偏移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相对空间位置 坐标系的模型一，确定转子和静子之间径向间隙；
[0009] 2)建立汽轮机转子中屯、发生任意方向偏移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相 对空间位置坐标系的模型二，确定发射器至转子表面的距离；
[0010] 3)建立汽轮机转子只有横向位移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相对空间位 置坐标系的模型=，计算转子中屯、发生偏移时单向转子偏屯、量和单向转子表面竖向位移 量；
[0011] 4)建立汽轮机转子只有竖向位移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相对空间位 置坐标系的模型四，计算转子中屯、发生偏移时单向转子偏屯、量和单向转子表面横向位移 量；
[0012] 5)将所述模型=和所述模型四中计算的单向转子偏屯、量和单向转子表面位移量 代入所述模型二中，计算所述任意位置的转子偏屯、量。
[0013] 所述测距装置放置于汽缸外，所述合作目标安装于所述转子表面。
[0014] 所述步骤1)中，所述坐标系为W转子中屯、为原点，两个测距装置分别位于汽缸水 平和垂直的中分表面的二维坐标系，激光发射点A、B沿X轴、y轴方向到所述转子表面的距离 记作^和心，转子无偏屯、、无振动时激光发射点到所述角反射镜的标准距离记作xo、yo,转子 无偏屯、、无振动时所述转子表面到缸体的距离为Lo,根据速度、时间和距离公式得
其中A ti为激光在X方向完成一个往返行程的时间，S; A t2为激光 在y方向完成一个往返行程的时间，S; C为光速，m/s。
[0015] 所述步骤2)中，发生位移后的转子中屯、为化，设转子位移为任意方向且大小为e， 其中Xi为位移e在X轴上的投影位移，yi为位移e在y轴上的投影位移;在转轴发生位移后由于 曲面引起的X方向和y方向的附加距离可记作Ax、Ay,其中，A X为转轴在发生yi竖向位移 后引起的附加距离，Ay为转轴在发生Xi横向位移后引起的附加距离。
[0016] 所述步骤3)中，由圆的函数x2+y2 = r2求得y方向上的激光在转子上的反射点/i为 .!.'1=%^^>式中：/1为激光在转子表面的反射点；'为汽轮机转轴的半径，111;由义方向上 的横向位移引起y方向上的间隙变化为：A y = r-/ 1，式中:/功激光在转子表面的反射点。
[0017] 所述步骤4)中，转子由y方向上的竖向位移引起X方向上的间隙变化为： 文i Ax = r-x^，式中为激光在转子表面的反射点。
[001引所述步骤5)中，由激光发射点A沿X轴方向到所述转子表面的距离Lx、转轴在发生yi 竖向位移后引起的附加距离Ax、和转子无偏屯、、无振动时激光发射点到所述角反射镜的标 准距离XO可得到e在X轴上的投影位移Xi为:Lx-X日-A X = Xi，e在y轴上的投影位移yi为:^-y0-
A y = yi;将所述 A x = r-x' 1 代入所述Lx-XO- A X = Xi得： 、
将所述
1代入所述 联立所述 和
，'
求得Xi和yi;从而求得汽轮机转子和静子间的最大间隙和最 小间隙，所述最大间隙为i。所述最小间隙为i。。
[0019] 本发明根据高频相位式激光测距仪的测试原理和特点并结合相对坐标系采用双 测尺测距定位方法得到的一种汽轮机转子和静子之间径向间隙的实时动态测量方法，所具 有的优点体现在：
[0020] 1.依靠两个高频相位式激光测距仪与运动转子建立四个相对坐标系并采用双测 尺测距定位方法来反映转子在不同时刻的位置，实现对运行中汽轮机转子运动轨迹的非接 触式测量，从而达到对运行中大型汽轮机通流部分转子和静子之间径向间隙的快速准确实 时动态在线监测；
[0021] 2.与现有的测距应用最广的电容电感测距方法相比，不仅降低了测量元件在汽轮 机内部的安装难度，而且减少了汽轮机内高溫高压蒸汽环境对传感器的影响，大大提高了 测量的精度;与现有的声波测距方法相比，不仅具有延迟时间短、反应快、易实现的特点，而 且避免了汽轮机内部高速蒸汽汽流对声波的干扰，使测量精度得到大幅提高，并能够实现 对汽轮机转子和静子之间径向间隙的实时动态监测；
[0022] 3.能够保证机组安全经济运行，节省停机大修时间。
【附图说明】
[0023] 图1为汽轮机转子中屯、无偏移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相对空间位置 坐柄系不意图；
[0024] 图2为汽轮机转子中屯、发生任意方向偏移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相 对空间位置坐标系的示意图；
[0025] 图3为汽轮机转子中屯、只发生横向位移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相对 空间位置坐标系的示意图；
[0026] 图4为汽轮机转子中屯、只发生竖向位移时，测距装置、合作目标、转子及缸体相对 空间位置坐标系的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施事例对本发明作进一步详细说明。
[0028] 参照图1~图4,本发明提供的一种汽轮机转子和静子之间径向间隙的实时动态测 量方法，包括W下内容：
[0029] a.测距装置选取环节
[0030] 选取两个高频相位式激光测距仪对汽轮机通流部分径向间隙进行测量。通过高频 相位式激光测距仪利用发射器射出的调制光通过合作目标反射回接收器的反射光的相位 差来实现距离测量。采取一种既能够满足精度又能满足测量距离的分散直接测尺组合方法 将两个不同频率的激光组合分别测量间隙，其中低频激光进行粗测，高频激光进行精测。
[0031] 得到调制器发出低频率为fi的激光，则波长为
(1-1)
[0033] 式中:Al为相位式激光测距仪发射出低频率激光的波长，m;fi为相位式激