[其他]可编程序的流体喷射叶片激振系统

说明书

本申请涉及测定涡轮机一排或多排旋转叶片的共振特性的一种改进方法。

在高速涡轮机，例如汽轮机或燃气轮机中，多级涡轮的每一级都包括许多周向分布的叶片以形成一涡轮，多级涡轮沿一旋转轴轴向布置。高压流体轴向流过涡轮机，冲击涡轮的叶片，此高压流体的力使涡轮转动。叶片的自然共振频率可能与轴的某些转速和总体谐振吻合或者为其所激发。以轴的转动频率的倍数频率所激发的叶片共振所产生的应力会使一个或者多个叶片折断并引起重大事故，因而导致停机，需要大修。

为了避免共振，需要调谐汽轮机低压段中的叶片以避免在工作转速的倍数频率激振。这种调谐是在叶片设计过程中通过精细的分析而实现的。在涡轮机运转之前要进行细致的测试以保证新的叶片在正常运转中不会共振。一排涡轮机叶片的转动测试包括流体喷射下叶片的激振，用应变仪测量若干叶片的振动响应以测定共振频率，即最大响应出现时的激振频率。这样一种稳定的流体喷射只激发轴转速的整倍数的频率。轴转速必须加以变化以便改变激振频率。然后进行严格的质量控制以保证叶片的制造符合设计要求。这些质量控制措施取决于试验室测试以确定制造公差并保证叶片的调谐。但是因为对制造的叶片进行个别的评定可能是很费时的，所以在普通转动条件下对所有叶片进行实验室测试以验证叶片的正确的调谐，一直不是可行的方案。另一方面，在非工作环境中的叶片测试一直不是一种完美的替代方案，这是因为这种方案需要修正测试数据以便予言在转动条件下的振动响应。这种调整是必要的，因为在工作中的向心力会导致叶片应力，而共振频率会随着叶片应力的变化而改变。

在工作过程中最好也要监测转动的叶片以便及时发现涡轮机投入使用后产生的振动问题。这种运转中的检测是必要的，这部分是因为在实际使用前的检测，即使是转动测试，叶片所承受的力，温度和压力也与现场工作中所要碰到的有所不同。

为了检测出标志着结构变化的共振频率的飘移，连续监测叶片的振动也是重要的。例如，一条正在扩展的裂缝将引起叶片共振频率的下降。这就需要在叶片变得在轴的转速或其谐频下会发生共振之前就检测出这种变化。否则振动的叶片就会承受破坏性应力。其它因素也会使叶片的共振频率随时间而发生变化。例如，翼面区域的腐蚀也会改变共振频率，把叶片组固定在一起的或把其固定在涡轮轴上的铆接或焊接接头可以改变共振频率。

转动叶片的最常见频率（modal    frequency）也取决于叶片在转子上的固定叶片的装配槽中的装配情况。因为向心力会使联结更为紧密，所以高速转动的动态效果一般会改善叶片的固定状况。这种在工作转速下的动态加载是难于模拟的。因为向心力既加强叶片的刚度也加强了叶片与转子间的联结，所以叶片的频率响应是工作转速的一种很强的作用。如果所使用的是静态测试数据，则必须测定共振频率随转速产生的变化。

虽然静态测试加之适当的修正数据可能为新叶片提供有意义的资料，但是人们知道转子的装配槽的腐蚀会影响叶片的固定，也会改变叶片的刚度和阻尼特性。因此，工厂测试数据并不一定相应于在旧涡轮机中发现的叶片特性。而且，也是因为使用时间产生的效果会改变转子装配槽的原有公差，所以对静态测试数据的类似调整不会导致改型叶片的正确动态特性。不进行直接的测定，就无法充分确定这些易变的物理变化。

虽然以前进行评定的方法已成功地消除了某些严重的振动问题，但是为了进一步避免上述问题，还是需要进行可靠的，全面的监测。过去，监测运转中的叶片振动的能力很有限，但是由于叶片振动监测的最新进展，现在快速，高寿和低成本的监测系统已能对涡轮机所有的叶栅提供并随时更新叶片振动的情况。转让给本发明受让人的4，573，358号美国专利中公开了一种这样的典型系统。

由于叶片振动监测改进系统的问世，为了检查出结构上的变化，最好定期测量运转中设备的叶片共振。过去这一直是不能做到的，因为叶片振动的现场监测一直局限于被动的评定，也就是局限于检查出自然出现的响应于轴的转动频率或其谐频的共振。当然，被动评定的缺点在于：标志结构缺陷的共振频率的飘移，在严重的损坏之前可能发现不到。现场监测不到叶片共振飘移的一个原因在于：一直找不到一种在正常运转中在可变的频率下激振涡轮机叶片的方法。很明显，这样一种方法，与一种适当的叶片振动监测系统相结合，就会在最接近实际的条件下获得可靠的和精确的数据。