烟气轮机叶片振动的非接触式在线监测关键技术研究

论文摘要

大型旋转机械是国民经济和国防事业中应用非常广泛的重要装置,占据非常重要的地位。叶片振动超标是造成大型旋转机械故障的主要原因之一,特别是工作在严酷环境的石化、炼油行业的关键设备——烟气轮机,其运行事故更是层出不穷,在线监测系统急需开发。为了保证烟气轮机组安全、高效、长期运行,保障企业的安全生产,减少事故带来的巨大经济损失,本文受国家自然科学基金“旋转叶片振动参数叶尖定时测量的关键技术研究”、“新世纪优秀人才支持计划”和中石化项目“烟气轮机叶片实时在线监测系统研究”等资助,对烟气轮机叶片振动的非接触式在线监测关键技术做了深入研究。本文主要对适于烟机情况的相关技术和振动参数分析算法做了深入研究,为实现包括恒速监测/变速测试情况下异步/同步等各种振动参数的完整测量提供了理论基础。主要内容如下:1、建立了双屏蔽式电容传感器的数学模型和电路模型,分析了带宽对传感器定时精度的影响并做了计算机仿真分析,从而对传感器的系统带宽进行了优化设计,并取得了满意的结果;2、合理选择了定时系统的性能参数,并设计了在FPGA片上对叶尖定时信号的智能化处理以及在DSP内对振动数据真伪的判别和“变圈”数据的处理,最后完成了振动数据实时预处理的流程。3、基于“5+2”测量方案,补充完善了“5+2”频率辨识的算法并将之应用到同步共振的频率辨识上,并另辟思路简明扼要地完成了傅立叶系数法求共振幅值的理论推导和应用性研究。4、在异步振动频率的测量方面,对小角度延时采样的测频方法做了理论推导和应用研究,不但大大扩展了测频范围而且可使传感器数量剧降为两只;在同步共振振幅和阶次的测量方面,提出二等夹角法的测量原理并进行了理论推导和应用研究,可在扩展测量振动阶次的同时把传感器降为三只。5、为利用单传感器实现同步共振的振幅和阶次的测量,建立了速矢端迹法的叶片振动模型和测量模型并对理论公式做了推导,由计算机进行仿真;对共振位移曲线,采用Levenberg-Marquardt法进行非线性最小二乘拟合可得共振转速的中心频率,为叶片共振频率的测量提供客观准确的理论依据。6、利用轴系振动抑制技术消除了实验中发现的转速不稳的影响,并在此基础上依据大量的实验数据,对上述大部分算法进行了实验验证,实验结果表明了算法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章、绪论
• 1.1 大型旋转机械的重要地位及故障分析
• 1.2 涡轮机旋转叶片振动在线监测系统的提出
• 1.3 涡轮机叶片振动在线监测方法的分析和归类
• 1.4 烟气轮机叶片振动在线监测系统
• 1.5 本文研究的主要内容与创新点
• 1.6 本章小结
• 第二章、烟气轮机叶片振动在线监测系统总述
• 2.1 研究目标的性能要求
• 2.2 研究系统的结构设计与测量原理
• 2.2.1 叶尖定时叶片测振原理
• 2.2.2 传感器功能简述
• 2.2.3 信号数字化处理与振动数据预处理简述
• 2.2.4 PCI接口采集卡功能简述
• 2.2.5 叶片振动监测系统软件功能简述
• 2.3 叶片振动的相关理论知识简介
• 2.3.1 叶片的类型
• 2.3.2 叶片振动的基本形式
• 2.3.3 叶片频率的估算
• 2.3.4 叶片的振型
• 2.3.5 叶片振动的坎贝尔图
• 2.3.6 本文中叶片振动的界定说明
• 2.4 本章小结
• 第三章、电容式叶尖定时传感器
• 3.1 叶尖定时传感器工作环境的考察
• 3.1.1 烟机的转子主要工作环境参数
• 3.1.2 工质的成分分析及其影响
• 3.1.3 结论
• 3.2 叶尖定时传感器的性能要求及选型
• 3.2.1 叶尖定时传感器的性能要求
• 3.2.2 叶尖定时传感器的选型
• 3.3 高定时精度的电容传感器设计
• 3.3.1 双屏蔽式电容传感器的工作原理
• 3.3.2 预处理电路建模与参数优化
• 3.3.3 传感器的定时精度仿真分析
• 3.3.4 传感器材料选用与加工工艺
• 3.3.5 后续处理电路设计简述
• 3.3.6 实验结果
• 3.4 本章小结
• 第四章、信号数字化处理与振动数据预处理
• 4.1 叶尖定时测振技术的实现方案
• 4.2 计时存在的问题与解决方法
• 4.3 信号数字化处理
• 4.3.1 计时系统的性能要求
• 4.3.2 脉冲信号的数值化处理
• 4.3.3 多路计时模块
• 4.4 振动数据的预处理
• 4.4.1 原始振动数据简介
• 4.4.2 数据的优化与补偿处理
• 4.4.3 数据变圈处理
• 4.5 振动数据的实时预处理流程设计
• 4.6 本章小结
• 第五章、振动参数分析算法研究
• 5.1 叶片振动测量的特点和基础假设
• 5.1.1 叶片振动的特点与假设
• 5.1.2 测量原理的特点与假设
• 5.2 基于叶尖定时的振动分析算法研究
• 5.2.1 异步振动的参数分析算法
• 5.2.1.1 振动幅度参数的获取
• 5.2.1.2 差频法
• 5.2.1.3 多速率采样频率辨识法
• 5.2.1.4 延时采样频率测量法
• 5.2.2 同步振动的参数分析算法
• 5.2.2.1 “5+2”频率辨识法
• 5.2.2.2 傅立叶系数测量振幅法
• 5.2.2.3 二等夹角法
• 5.2.2.4 速矢端迹法
• 5.3 本章小结
• 第六章、实验数据处理与结果分析
• 6.1 主体实验方案介绍
• 6.2 转速不稳的影响与轴系振动的抑制
• 6.2.1 转速不稳的影响
• 6.2.2 轴系振动的抑制技术
• 6.3 振动幅值的测量
• 6.4 傅立叶频谱的处理
• 6.5 “5+2”异步振动的频率辨识实验
• 6.5.1 4560RPM转速的实验数据处理示例
• 6.5.2 实验数据处理与总结
• 6.6 同步共振参数的测量
• 6.6.1 同步共振的频率辨识
• 6.6.2 同步共振幅值测量
• 6.7 速矢端迹法实验数据处理与分析
• 6.7.1 共振中心转速频率的捕捉
• 6.7.2 叶片同步共振参数测量结果
• 6.8 本章小结
• 总结与展望
• 1.全文总结
• 2.技术展望
• 参考文献
• 发表论文及参加科研情况
• 致谢
• 附录