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专利名称：一种烟气轮机叶片振动实时在线监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密仪器设计技术领域，尤其涉及一种烟气轮机叶片振动实时在线监测装置。
背景技术：
烟气轮机(以下简称烟机)是重油催化装置的主要能量回收设备。它主要用来回收催化裂化装置的高温、高压再生烟气。高温再生烟气高速进入烟机，经叶片降压膨胀，将烟气热能和压力能转化为转子的机械能，同电机一起驱动主风机运行及发电机发电，从而达到从废烟气中回收能量的目的。叶片作为主要的做功元件，其工作条件相当苛刻，长期在高温(550 700°C )下运行，并且由于烟气中所含催化剂颗粒的冲刷或沉积的影响，容易发生叶片断裂及涂层剥落等事故，导致动不平衡引起烟机轴振动加大。这不仅对整机性能的影响很大，还会威胁机组的安全运行。目前国内针对烟机叶片振动监测的研究主要是通过监测转子的振动来实现，由于缺少叶片振动的直接信息，其可靠性、准确性和稳定性受到极大制约。

发明内容
本发明的目的在于设计一种新型的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，解决上述问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下—种烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，包括叶尖定时传感器、角基准传感器、转速同步传感器、预处理系统、数据综合处理卡和计算机，所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均连接所述预处理系统，所述预处理系统连接所述数据综合处理卡，所述数据综合处理卡连接所述计算机。被监测烟气轮机包括叶片、主轴、主轴箱盖和烟机过渡衬环，所述主轴上开有键槽；所述叶尖定时传感器设置在所述烟机过渡衬环上，所述叶尖定时传感器的前端与所述叶片的叶尖相对但不接触；所述角基准传感器和所述转速同步传感器均设置在所述主轴箱盖上，所述角基准传感器的前端和所述转速同步传感器的前端均与所述键槽在所述主轴上的的旋转面相对但不接触。所述叶尖定时传感器为二个，二个所述叶尖定时传感器之间成夹角设置。所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均通过高温同轴电缆连接所述预处理系统。所述高温同轴电缆包括芯线、内屏蔽层、外屏蔽层、可变电容和运算放大器，所述内屏蔽层包裹所述芯线，所述外屏蔽层包裹所述内屏蔽层，所述外屏蔽层接地，所述芯线通过所述可变电容接地，所述运算放大器的芯线极与所述芯线连接，所述运算放大器的电路地极连接电路地，所述运算放大器的屏蔽层极连接所述内屏蔽层。
所述高温同轴电缆还包括电路，所述电路与所述芯线相接，并且所述电路连接电路地。所述数据综合处理卡包括计算机、FPGA和DSP处理系统、叶根同步锁存器、叶尖定时锁存器、转速同步锁存器、叶根同步传感器、计数器和震荡器，所述计算机连接所述FPGA和DSP处理系统，所述叶根同步锁存器、所述叶尖定时锁存器、所述转速同步锁存器均与所述FPGA和DSP处理系统连接，所述计数器与所述叶尖定时锁存器连接，所述振荡器与所述计数器连接；所述叶根同步传感器连接所述叶根同步锁存器，所述叶尖同步传感器连接所述叶尖同步锁存器，所述转速同步传感器同时连接所述计数器和所述转速同步锁存器。所述计数器为24位高速计数器，所述震荡器为100兆赫兹振荡器。所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均为双屏蔽电容式脉冲传感器。一种采用所述监测装置进行监测的方法，包括如下步骤，步骤一根据被测烟机的型号及叶片的工作环境因素设计传感器尺寸和参数，确定传感器的设置位置及传感器夹角，所述被测烟机的型号及叶片的工作环境因素包括过渡衬环外径、叶顶间隙、叶片数、旋转半径、进气压力、排气压力温度；步骤二 将所述烟机过渡衬环打孔，把所述叶尖定时传感器安装在所述烟机过渡衬环上；把所述主轴箱盖打孔，将所述转速同步传感器和所述角基准传感器安装在所述主轴箱盖上，传感器与所述叶片的叶尖之间留有间隙；步骤三将传感器通过所述高温同轴电缆与所述数据综合处理卡连接，所述数据综合处理卡通过网线与计算机连接；步骤四所述被测烟机开机后，采集所述叶尖振动的初始数据，实现叶片振动的实时监测。本发明为基于叶尖定时法的烟气轮机叶片在线监测与评价系统，要求系统能监测共振和颤振时所有叶片的振动参数，并能对烟气轮机叶片进行诊断与评价。它也可以应用于石油、化工、航空等行业的旋转叶片实时在线监测。本专利设计一种基于叶尖定时原理的叶片振动在线监测新手段，该技术能够实现对各个叶片振动情况的实时监测，监测内容包括叶片发生共振、颤振时的振幅、频率等。与常规手段相比，本专利的监测信息更加直接、丰富，使得叶片故障诊断的精确性得到极大的提闻。本发明针对现有烟气轮机叶片振动监测方法与系统方面存在的缺陷，提供了一种基于叶尖定时原理的叶片振动实时监测系统。该系统将两个叶尖定时传感器以一定的角度安装在烟机过渡衬环上，采集烟机叶片通过传感器所激发脉冲信号的到来时刻。由于叶片的振动，叶尖端部会产生相对于转动方向会向前或向后偏移，使得叶片每次到达传感器的实际时间与无振动时的时间期望不相同，脉冲到达时间会随着叶片振动发生改变，通过不同的时间算法对该信号序列进行处理，可以得到同步共振、异步颤振等参数信息。本发明主要装置的功能如下叶尖定时传感器用于监测与采集叶片端部的到来时刻的时间序列，为满足叶片工作环境要求，本专利设计了耐高温双屏蔽电容式传感器；高性能数据综合处理卡由FPGA、DSP和PCI接口采集融为一体，实现了更好实时性和更好的集成度；高温同轴电缆为适用于烟机叶片环境而开发，能满足烟机工作环境下的温度要求并具、有屏蔽静电的作用；叶片振动监测系统软件利用各种算法对振动数据处理以获取叶片振动的信息，主要功能分为在线分析和离线分析，在线分析能实现叶片振动位移棒形图的实时显示、单叶片振动位移及频谱的实时显示、转子转速等，力学分析能实现振动位移回显、单传感器叶片振动位移FFT分析、多传感器组合的叶片振动位移/频谱分析和其他辅助功能。本发明所谓的FPGA和DSP处理系统，是指现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,简称 FPGA)和数字信号处理(Digital SignalProcessing,简称DSP)处理系统。本发明所谓的PCI 接口中的 PCI 是指，Peripheral Component Interconnect 的缩写，是一种由英特尔(Intel)公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。本发明的有益效果如下(I)本发明的传感器采用双屏蔽电容式脉冲传感器，采用单芯双屏蔽线作为输出信号的传输线，利用驱动电缆技术有效地降低了环境干扰引入的随机误差，利用电荷放大 电路提取电容脉冲信号，基本消除了系统误差，提高了系统的测量精度。(2)本发明具有闻频响、闻精度和很强的抗电磁干扰能力、抗污染等，可以达到在线监测的目的。


图I为本发明的结构示意图；图2为本发明中高温同轴电缆的结构示意图；图3为本发明数据综合处理卡的的设计结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。一种烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，包括叶尖定时传感器、角基准传感器、转速同步传感器、预处理系统、数据综合处理卡和计算机，所述叶尖定时传感器为二个，二个所述叶尖定时传感器之间成夹角设置；所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均通过高温同轴电缆连接所述预处理系统，所述预处理系统连接所述数据综合处理卡，所述数据综合处理卡连接所述计算机；被监测烟气轮机包括叶片、主轴、主轴箱盖和烟机过渡衬环，所述主轴上开有键槽；所述叶尖定时传感器设置在所述烟机过渡衬环上，所述叶尖定时传感器的前端与所述叶片的叶尖相对但不接触；所述角基准传感器和所述转速同步传感器均设置在所述主轴箱盖上，所述角基准传感器的前端和所述转速同步传感器的前端均与所述键槽在所述主轴上的的旋转面相对但不接触。所述高温同轴电缆包括芯线、内屏蔽层、外屏蔽层、可变电容和运算放大器，所述内屏蔽层包裹所述芯线，所述外屏蔽层包裹所述内屏蔽层，所述外屏蔽层接地，所述芯线通过所述可变电容接地，所述运算放大器的芯线极与所述芯线连接，所述运算放大器的电路地极连接电路地，所述运算放大器的屏蔽层极连接所述内屏蔽层。所述高温同轴电缆还包括电路，所述电路与所述芯线相接，并且所述电路连接电路地。所述数据综合处理卡包括计算机、FPGA和DSP处理系统、叶根同步锁存器、叶尖定时锁存器、转速同步锁存器、叶根同步传感器、计数器和震荡器，所述计算机连接所述FPGA和DSP处理系统，所述叶根同步锁存器、所述叶尖定时锁存器、所述转速同步锁存器均与所述FPGA和DSP处理系统连接，所述计数器与所述叶尖定时锁存器连接，所述振荡器与所述计数器连接；所述叶根同步传感器连接所述叶根同步锁存器，所述叶尖同步传感器连接所述叶尖同步锁存器，所述转速同步传感器同时连接所述计数器和所述转速同步锁存器。所述计数器为24位高速计数器，所述震荡器为100兆赫兹振荡器。所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均为双屏蔽电容式脉冲传感器。一种采用所述监测装置进行监测的方法，包括如下步骤，步骤一根据被测烟机的型号及叶片的工作环境因素设计传感器尺寸和参数，确定传感器的设置位置及传感器夹角，所述被测烟机的型号及叶片的工作环境因素包括过渡衬环外径、叶顶间隙、叶片数、旋转半径、进气压力、排气压力温度；步骤二 将所述烟机过渡衬环打孔，把所述叶尖定时传感器安装在所述烟机过渡衬环上；把所述主轴箱盖打孔，将所述转速同步传感器和所述角基准传感器安装在所述主轴箱盖上，传感器与所述叶片的叶尖之间留有间隙；步骤三将传感器通过所述高温同轴电缆与所述数据综合处理卡连接，所述数据综合处理卡通过网线与计算机连接；步骤四所述被测烟机开机后，采集所述叶尖振动的初始数据，实现叶片振动的实时监测。如图I所示，所述的叶尖定时传感器包括第一叶尖定时传感器102与第二叶尖定时传感器103安装在烟机过渡衬环101上，用于采集叶尖定时信号；该叶尖定时信号通过高温同轴电缆104传输到叶尖定时信号预处理系统105上；转速同步传感器108和角基准传感器109安装在主轴箱盖112，受到键槽110的激励产生角基准信号和转速同步信号；这些信号经高性能数据综合处理卡106采集处理，与叶片运动状态相关的信息在计算机107上由图形界面显示。图2为本发明实施例的高温同轴电缆设计原理图；为尽量消除环境静电的影响，采用驱动电缆技术，主要结构如下芯线201、内屏蔽层202、外屏蔽层203。
图3为高性能数据综合处理卡系统设计示意图，为更好的实时性和集成度，其将FPGA、DSPJP PCI 接口融为一体。以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于包括叶尖定时传感器、角基准传感器、转速同步传感器、预处理系统、数据综合处理卡和计算机，所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均连接所述预处理系统，所述预处理系统连接所述数据综合处理卡，所述数据综合处理卡连接所述计算机。
2.根据权利要求I所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于被监测烟气轮机包括叶片、主轴、主轴箱盖和烟机过渡衬环,所述主轴上开有键槽；所述叶尖定时传感器设置在所述烟机过渡衬环上，所述叶尖定时传感器的前端与所述叶片的叶尖相对但不接触；所述角基准传感器和所述转速同步传感器均设置在所述主轴箱盖上，所述角基准传感器的前端和所述转速同步传感器的前端均与所述键槽在所述主轴上的的旋转面相对但不接触。
3.根据权利要求I或2所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于所 述叶尖定时传感器为二个，二个所述叶尖定时传感器之间成夹角设置。
4.根据权利要求I或2所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均通过高温同轴电缆连接所述预处理系统。
5.根据权利要求4所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于所述高温同轴电缆包括芯线、内屏蔽层、外屏蔽层、可变电容和运算放大器，所述内屏蔽层包裹所述芯线，所述外屏蔽层包裹所述内屏蔽层，所述外屏蔽层接地，所述芯线通过所述可变电容接地，所述运算放大器的芯线极与所述芯线连接，所述运算放大器的电路地极连接电路地，所述运算放大器的屏蔽层极连接所述内屏蔽层。
6.根据权利要求5所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于所述高温同轴电缆还包括电路，所述电路与所述芯线相接，并且所述电路连接电路地。
7.根据权利要求I或2所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于所述数据综合处理卡包括计算机、FPGA和DSP处理系统、叶根同步锁存器、叶尖定时锁存器、转速同步锁存器、叶根同步传感器、计数器和震荡器，所述计算机连接所述FPGA和DSP处理系统，所述叶根同步锁存器、所述叶尖定时锁存器、所述转速同步锁存器均与所述FPGA和DSP处理系统连接，所述计数器与所述叶尖定时锁存器连接，所述振荡器与所述计数器连接；所述叶根同步传感器连接所述叶根同步锁存器，所述叶尖同步传感器连接所述叶尖同步锁存器，所述转速同步传感器同时连接所述计数器和所述转速同步锁存器。
8.根据权利要求7所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于所述计数器为24位高速计数器，所述震荡器为100兆赫兹振荡器。
9.根据权利要求I所述的烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，其特征在于所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均为双屏蔽电容式脉冲传感器。
10.一种采用所述监测装置进行监测的方法，其特征在于包括如下步骤， 步骤一根据被测烟机的型号及叶片的工作环境因素设计传感器尺寸和参数，确定传感器的设置位置及传感器夹角，所述被测烟机的型号及叶片的工作环境因素包括过渡衬环外径、叶顶间隙、叶片数、旋转半径、进气压力、排气压力温度； 步骤二 将所述烟机过渡衬环打孔，把所述叶尖定时传感器安装在所述烟机过渡衬环上；把所述主轴箱盖打孔，将所述转速同步传感器和所述角基准传感器安装在所述主轴箱盖上，传感器与所述叶片的叶尖之间留有间隙； 步骤三将传感器通过所述高温同轴电缆与所述数据综合处理卡连接，所述数据综合处理卡通过网线与计算机连接； 步骤四所述被测烟机开机后，采集所述叶尖振动的初始数据，实现叶片振动的实时监测。
全文摘要
一种烟气轮机叶片振动实时在线监测装置，包括叶尖定时传感器、角基准传感器、转速同步传感器、预处理系统、数据综合处理卡和计算机，所述叶尖定时传感器、所述角基准传感器、所述转速同步传感器均连接所述预处理系统，所述预处理系统连接所述数据综合处理卡，所述数据综合处理卡连接所述计算机。本发明的传感器采用双屏蔽电容式脉冲传感器，采用单芯双屏蔽线作为输出信号的传输线，利用驱动电缆技术有效地降低了环境干扰引入的随机误差，利用电荷放大电路提取电容脉冲信号，基本消除了系统误差，提高了系统的测量精度。
文档编号G01H11/06GK102735326SQ20111009339
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月14日 优先权日2011年4月14日
发明者丁克勤, 乔松, 李娜, 段发阶 申请人:中国特种设备检测研究院