一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111380468 A(43)申请公布日 2020.07.07

(21)申请号 202010324867.8(22)申请日 2020.04.23

(71)申请人 贵州电网有限责任公司

地址 550002 贵州省贵阳市南明区滨河路

17号

申请人 贵州创星电力科学研究院有限责任

公司(72)发明人 张世海　邓彤天　李志凌　文贤馗　

徐章福　兰中秋　冉景川　钟晶亮　马新惠　王　王锁斌　王涵　熊波　(74)专利代理机构 贵阳中新专利商标事务所

52100

代理人 胡绪东

权利要求书2页 说明书6页 附图3页

(51)Int.Cl.

G01B 11/02(2006.01)G01B 11/27(2006.01)G01B 7/02(2006.01)G01B 7/312(2006.01)

CN 111380468 A(54)发明名称

一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置及方法(57)摘要

本发明公开了一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置及方法，包括键相传感器和轴位移传感器，键相传感器和轴位移传感器均分别与两前置器相连，两前置器的输出端与数据采集设备相连，数据采集设备与计算机连接，键相传感器安装在转子或转子延伸轴圆周表面上的测量槽旁，且键相传感器的探头正对测量槽，轴位移传感器正对汽轮发电机组的转子端面，并与转子端面垂直。本发明能测量的汽轮发电机转子偏心和相位，掌握转子弯曲情况，指导汽轮发电机组进行闷缸、机组盘车、冲转等操作；能够判断汽轮机进水、汽轮发电机组轴系摩擦等原因转子弯曲状态，通过对转子偏心的准确测量，实现定性判断转子弯曲的程度和定量判断轴系弯曲的周向位置。

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1.一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，其特征在于：包括键相传感器(5)和轴位移传感器(4)，键相传感器(5)和轴位移传感器(4)均分别与两前置器(3)相连，两前置器(3)的输出端与数据采集设备(2)相连，数据采集设备(2)与计算机(1)连接，键相传感器(5)安装在转子(7)或转子(5)延伸轴圆周表面上的测量槽(6)旁，且键相传感器(5)的探头正对测量槽(6)，轴位移传感器(4)正对汽轮发电机组的转子端面，并与转子端面垂直。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，其特征在于：两前置器(3)通过TSI系统(8)连接到数据采集设备(2)。

3.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，其特征在于：转子端面包括转子轴端面、靠近转子轴端部安装的环形测量端面(9)、推力轴承的推力面或转子轴上有凸肩。

4.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，其特征在于：键相传感器(5)和轴位移传感器(4)采用电涡流传感器、光学传感器或磁阻式传感器。

5.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，其特征在于：轴位移传感器(4)采用胀差传感器。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤(1)，以键相信号的上升沿出现时刻为起始时间t0，以下一次键相信号的上升沿出现时刻为终止时间t1，时间间隔Δt，见式(1)：

Δt＝t1-t0      (1)步骤(2)，求出Δt时间段内各轴承转子轴向位移信号序列D中的最大值Dmax和最小值Dmin，见式(2)、式(3)：

Dmax＝max(D)     (2)Dmin＝min(D)     (3)步骤(3)，计算Dmax和Dmin之差ΔD，见式(5)：ΔD＝Dmax-Dmin     (5)步骤(4)，找出Dmax出现的时刻tmax，以t0为起点，计算时间间隔tD：tD＝tmax-t0      (6)步骤(5)，根据传感器系数k，计算出轴向位移变化量d，见式(7)：d＝kΔD      (7)步骤(6)，计算偏心角θ，偏心角为轴向位移传感器处转子端面与垂直方向的夹角，见式(7)：θ＝arcsin(d/2R)     (7)式中，R为轴向位移传感器在转子端面上的投影到转子中心的距离；步骤(7)，计算转子最大挠度bmax，如式(8)中所示：bmax＝l×sinθ     (8)式中，l为转子长度，则转子上最大偏心为emax＝2bmax；步骤(8)，转子顺时针方向旋转，α表示沿顺时针方向从位移传感器在端面上的投影指向键相传感器且与键相传感器的夹角，转子偏心的相位即转子最高点在周向的位置β如式(9)中所示：

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转子逆时针方向旋转，α表示沿顺时针方向从位移传感器在端面上的投影指向键相传感器且与键相传感器的夹角，转子偏心的相位即转子最高点在周向的位置β如式(10)中所示：

β表示以键相槽为起点，沿转子旋转的反方向标记β的角度值，即是转子偏心对应的最大值出现的位置。

7.根据权利要求6所述的一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置及方法，其特征在于：该方法还包括采集设备采样率r见式(11)

r＝p×n     (11)式中，p为转子旋转一圈的采样点数，单位为(S/r)，r≥128，n为汽轮发电机组实际转子转速，单位为(r/s)。

8.根据权利要求6所述的一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置的测量方法，其特征在于：步骤(6)中偏心角θ用于判断汽轮发电机组启动允许条件，其启动允许条件见式(12)：

θ≤1.2θ       (12)0式中，θ偏心角为矢量，包含偏心的相位信息。0为原始偏心角，

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一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置及方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置及方法，属于汽轮发电机组转子偏心及其相位测量技术领域。

背景技术

[0002]汽轮发电机组是热力发电厂中的重要设备，承担着将热能转化为电能的作用。汽轮发电机组偏心是机组安全运行的一重要数据，是汽轮发电机组转子的弯曲程度的重要参考，是启停机过程中监视的重要参数之一，更是汽轮发电机组启动的重要依据。目前汽轮发电机组的偏心探头一般设置在机头位置且正对转子表面，这种设置受机组顶轴油压波动的影响，转子顶起高度会发生随机变化，而顶起高度的随机变化被偏心探头测得，使得测量到的偏心失真。

[0003]随着汽轮发电机组设计理念的发展，部分机组取消了主油泵，取消了原来汽轮机前箱类小轴的设计，使得传统偏心传感器已无安装位置，而为了弥补偏心探头的缺失，厂家直接将1号轴承x方向或y方向振动探头当做偏心探头使用，使用轴振探头替代偏心探头的测量，如图6所示，主要存在两方面的问题，一是即使转子发生了一定的弯曲变形，由于测量点在支撑轴承处，在轴承的支撑作用下，该处的振动探头测得的由于转子弯曲变化引起的实际偏心变化很小，不能完全反映出转子弯曲变形的情况；二是由于轴承处存在顶轴油压的影响，转子在轴瓦中旋转，当顶轴油压波动时，必然会引起转子顶起高度的变化，从而导致轴振探头测得的转子偏心发生变化，导致偏心测量不准，这就使得偏心部分失去了原来的意义。由于偏心是机组启动的重要依据，目前偏心测量存在的问题给机组安全运行带来较大的风险，这是现场急需解决的问题，如中国专利申请(申请号为20161055958)公开的一种汽轮发电机组轴系偏心及其相位测量装置及方法中存在上述问题，而且该专利中公开的具体的偏心及其相位测量方法，根据偏心的定义，传感器正对转子表面，直接测量转子的晃度得到偏心，这种方式存在上面提到的两种问题。

[0004]而中国专利申请(申请号为201410829194.6)公开了一种汽轮机转子偏心方位角在线监测装置及其监测方法，包括偏心方位角测量仪、标识电涡流传感器和监测电涡流传感器，所述偏心方位角测量仪上通过前置器连接有标识电涡流传感器和监测电涡流传感器，所述标识电涡流传感器探头设置在转子轴旋转时能够旋转到基准部的位置，安装于在轴承箱固定件上，所述监测电涡流传感器探头对准转子轴轴承轴颈处，探头与转子轴面保持电涡流传感器量程范围内的距离。采用监测电涡流传感器测得探头与转子轴表面的间隙，通过标识电涡流传感器算出不同间隙的位置，将所得不同角度的位移信号发送到偏心方位角测量仪上，获得最大弯曲位置的检测，实现了测量精度高，校准方法简单方便和数据准确，有效解决了现有技术中存在的检测最大值结果不准确、操作繁琐不方便的问题。该专利同样存在中国专利申请(申请号为20161055958)中的问题。

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发明内容

[0005]本发明要解决的技术问题是：提供一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置及方法，解决目前汽轮发电机组偏心测量受转子顶起高度波动影响并测量不准确的问题，解决目前部分机组用一号轴承轴振探头替代偏心探头导致的偏心不能正常反应转子弯曲程度的问题。对汽轮发电机组故障诊断提供可靠数据。[0006]本发明采取的技术方案为：一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，包括键相传感器和轴位移传感器，键相传感器和轴位移传感器均分别与两前置器相连，两前置器的输出端与数据采集设备相连，数据采集设备与计算机连接，键相传感器安装在转子或转子延伸轴圆周表面上的测量槽旁，且键相传感器的探头正对测量槽，轴位移传感器正对汽轮发电机组的转子端面，并与转子端面垂直，数据采集设备的分辨率大于等于16bit，通道数大于等于2。[0007]优选的，上述两前置器通过TSI系统连接到数据采集设备。[0008]优选的，上述转子端面包括转子轴端面、靠近转子轴端部安装的环形测量端面、推力轴承的推力面或转子轴上有凸肩。[0009]优选的，上述键相传感器和轴位移传感器采用电涡流传感器、光学传感器或磁阻式传感器。

[0010]优选的，上述轴位移传感器采用胀差传感器。

[0011]一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

[0012]步骤(1)，以键相信号的上升沿出现时刻为起始时间t0，以下一次键相信号的上升沿出现时刻为终止时间t1，时间间隔Δt，见式(1)：[0013]Δt＝t1-t0               (1)[0014]步骤(2)，求出Δt时间段内各轴承转子轴向位移信号序列D中的最大值Dmax和最小值Dmin，见式(2)、式(3)：[0015]Dmax＝max(D)               (2)[0016]Dmin＝min(D)               (3)[0017]步骤(3)，计算Dmax和Dmin之差ΔD，见式(5)：[0018]ΔD＝Dmax-Dmin               (5)[0019]步骤(4)，找出Dmax出现的时刻tmax，以t0为起点，计算时间间隔tD：[0020]tD＝tmax-t0               (6)[0021]步骤(5)，根据传感器系数k，计算出轴向位移变化量d，见式(7)：[0022]d＝kΔD                  (7)[0023]步骤(6)，计算偏心角θ，偏心角为轴向位移传感器处转子端面与垂直方向的夹角，见式(7)：[0024]θ＝arcsin(d/2R)             (7)[0025]式中，R为轴向位移传感器在转子端面上的投影到转子中心的距离；[0026]步骤(7)，计算转子最大挠度bmax，如式(8)中所示：[0027]bmax＝l×sinθ             (8)[0028]式中，l为转子长度，则转子上最大偏心为emax＝2bmax；

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步骤(8)，转子顺时针方向旋转，α表示沿顺时针方向从位移传感器在端面上的投

影指向键相传感器且与键相传感器的夹角，转子偏心的相位即转子最高点在周向的位置β如式(9)中所示：

[0030]

转子逆时针方向旋转，α表示沿顺时针方向从位移传感器在端面上的投影指向键

相传感器且与键相传感器的夹角，转子偏心的相位即转子最高点在周向的位置β如式(10)中所示：

[0032]

[0031]

β表示以键相槽为起点，沿转子旋转的反方向标记β的角度值，即是转子偏心对应

的最大值出现的位置。

[0034]一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置的测量方法，该方法还包括采集设备采样率r见式(11)[0035]r＝p×n                    (11)[0036]式中，p为转子旋转一圈的采样点数，单位为(S/r)，r≥128，n为汽轮发电机组实际转子转速，单位为(r/s)。[0037]步骤(6)中偏心角θ用于判断汽轮发电机组启动允许条件，其启动允许条件见式(12)：[0038]θ≤1.2θ                   (12)0[0039]式中，θ偏心角为矢量，包含偏心的相位信息。0为原始偏心角，[0040]本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：[0041](1)本发明采用键相传感器和轴向位移传感器测量的汽轮发电机转子偏心和相位，可以掌握汽轮发电机组转子弯曲情况，指导汽轮发电机组进行闷缸、机组盘车、冲转等操作；能够判断汽轮机进水、汽轮发电机组轴系摩擦等原因转子弯曲状态，通过对汽轮发电机组转子偏心的准确测量，既可以定性判断转子弯曲的程度，也可以定量判断轴系弯曲的周向位置，对汽轮发电机组故障迅速做出判断、故障处理方式提供依据；[0042](2)本发明专利的测量对象为转子端面，测量转子端面的瓢偏，通过转子的瓢偏计算出转子的最大偏心，计算更精确；本发明的方法计算得到的是转子的最大偏心，而传统方法测量得到的是转子上测量点的偏心，而不是转子的最大偏心。附图说明

[0043]图1为本发明的装置连接示意图；

[0044]图2为本发明的具体实施方式2示意图；[0045]图3为本发明的具体实施方式3示意图；

[0046]图4为汽轮发电机组转子顺时针方向旋转时的示意图；[0047]图5为汽轮发电机组转子逆时针方向旋转时的示意图；[0048]图6为汽轮机转子传统偏心测量示意图。

[0033]

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具体实施方式

[0049]下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。[0050]实施例1：如图1示，一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，包括键相传感器5和轴位移传感器4，键相传感器5和轴位移传感器4均分别与两前置器3相连，两前置器3的输出端与数据采集设备2相连，数据采集设备2与计算机1连接，键相传感器5安装在转子7或转子5延伸轴圆周表面上的测量槽6旁，且键相传感器5的探头正对测量槽6，轴位移传感器4正对汽轮发电机组的转子端面，并与转子端面垂直，数据采集设备的分辨率大于等于16bit，通道数大于等于2，键相传感器和位移传感器都固定在传感器支架上，支架固定在汽轮发电机组基础或台板上；[0051]优选的，上述转子端面包括转子轴端面、靠近转子轴端部安装的环形测量端面9、推力轴承的推力面或转子轴上有凸肩。[0052]优选的，上述键相传感器5和轴位移传感器4采用电涡流传感器、光学传感器或磁阻式传感器。

[0053]实施例2：如图2示，一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，包括键相传感器5和轴位移传感器4，键相传感器5和轴位移传感器4均分别与两前置器3相连，两前置器3的输出端通过TSI系统8与数据采集设备2相连，数据采集设备2与计算机1连接，键相传感器5安装在转子7或转子5延伸轴圆周表面上的测量槽6旁，且键相传感器5的探头正对测量槽6，轴位移传感器4正对汽轮发电机组的转子端面，并与转子端面垂直，数据采集设备的分辨率大于等于16bit，通道数大于等于2。[0054]优选的，上述转子端面包括转子轴端面、靠近转子轴端部安装的环形测量端面9、推力轴承的推力面或转子轴上有凸肩。[0055]优选的，上述键相传感器5和轴位移传感器4采用电涡流传感器、光学传感器或磁阻式传感器。

[0056]实施例3：如图3示，一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置，包括键相传感器5和轴位移传感器4，轴位移传感器4替换为胀差传感器，胀差传感器和轴位移传感器4均分别与两前置器3相连，两前置器3的输出端与数据采集设备2相连，数据采集设备2与计算机1连接，键相传感器5安装在转子7或转子5延伸轴圆周表面上的测量槽6旁，且键相传感器5的探头正对测量槽6，胀差传感器正对汽轮发电机组的转子端面，并与转子端面垂直，数据采集设备的分辨率大于等于16bit，通道数大于等于2，。[0057]优选的，上述转子端面包括转子轴端面、靠近转子轴端部安装的环形测量端面9、推力轴承的推力面或转子轴上有凸肩。[0058]优选的，上述键相传感器5和胀差传感器采用电涡流传感器、光学传感器或磁阻式传感器。

[0059]实施例4：如图1-5所示，一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：[0060]步骤(1)，以键相信号的上升沿出现时刻为起始时间t0，以下一次键相信号的上升沿出现时刻为终止时间t1，时间间隔Δt，见式(1)：[0061]Δt＝t1-t0               (1)[0062]步骤(2)，求出Δt时间段内各轴承转子轴向位移信号序列D中的最大值Dmax和最小

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值Dmin，见式(2)、式(3)：[0063]Dmax＝max(D)                (2)[00]Dmin＝min(D)                (3)[0065]步骤(3)，计算Dmax和Dmin之差ΔD，见式(5)：[0066]ΔD＝Dmax-Dmin               (5)[0067]步骤(4)，找出Dmax出现的时刻tmax，以t0为起点，计算时间间隔tD：[0068]tD＝tmax-t0               (6)[0069]步骤(5)，根据传感器系数k，计算出轴向位移变化量d，见式(7)：[0070]d＝kΔD                  (7)[0071]步骤(6)，计算偏心角θ，偏心角为轴向位移传感器处转子端面与垂直方向的夹角，见式(7)：[0072]θ＝arcsin(d/2R)              (7)[0073]式中，R为轴向位移传感器在转子端面上的投影到转子中心的距离；[0074]步骤(7)，计算转子最大挠度bmax，如式(8)中所示：[0075]bmax＝l×sinθ             (8)[0076]式中，l为转子长度，则转子上最大偏心为emax＝2bmax；[0077]步骤(8)，转子顺时针方向旋转，α表示沿顺时针方向从位移传感器在端面上的投影指向键相传感器且与键相传感器的夹角，转子偏心的相位即转子最高点在周向的位置β如式(9)中所示：

[0078]

转子逆时针方向旋转，α表示沿顺时针方向从位移传感器在端面上的投影指向键

相传感器且与键相传感器的夹角，转子偏心的相位即转子最高点在周向的位置β如式(10)中所示：

[0080]

[0079]

β表示以键相槽为起点，沿转子旋转的反方向标记β的角度值，即是转子偏心对应

的最大值出现的位置。

[0082]一种汽轮发电机组转子偏心及其相位测量装置的测量方法，该方法还包括采集设备采样率r见式(11)[0083]r＝p×n                (11)[0084]式中，p为转子旋转一圈的采样点数，单位为(S/r)，r≥128，n为汽轮发电机组实际转子转速，单位为(r/s)。[0085]步骤(6)中偏心角θ用于判断汽轮发电机组启动允许条件，其启动允许条件见式(12)：[0086]θ≤1.2θ              (12)0[0087]式中，θ偏心角为矢量，包含偏心的相位信息。0为原始偏心角，[0088]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵

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[0081]

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盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

图3

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说　明　书　附　图

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图4

图5

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说　明　书　附　图

图6

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