專利名稱：測量作用在渦輪殼體上的管道力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在渦輪裝配過程中和起動與停止的瞬間作用在蒸汽渦輪殼體上的管路負載改變的檢測。
背景技術(shù)：
在渦輪起動過程中，因為通過連接管路的蒸汽流動使該管路產(chǎn)生熱膨脹或收縮，因此，作用在該殼體上的反作用負荷改變。這種負荷改變可使該殼體偏轉(zhuǎn)和移動(集中地稱為“偏移”)。該渦輪殼體的偏移可造成密封損壞，因為徑向蒸汽流動對密封的摩擦增加蒸汽的泄漏流量和降低渦輪的效率。
蒸汽渦輪內(nèi)的密封一般包括在靜止零件上的許多齒，這些靜止零件與轉(zhuǎn)子孔和渦輪葉片蓋上的接合區(qū)交錯排列。為了減少蒸汽泄漏，該靜止和回轉(zhuǎn)密封件之間的徑向間隙設(shè)計得盡可能窄。該殼體的偏移可造成回轉(zhuǎn)零件與該靜止密封接觸?；剞D(zhuǎn)零件和靜止密封之間的接觸會損壞密封，造成蒸汽泄漏增加。
在裝配或渦輪工作過程中，由于管路連接，在該殼體上可能產(chǎn)生過大的力。如果在裝配蒸汽渦輪過程中，不遵循推薦的安裝過程，則可能在該渦輪殼體上產(chǎn)生過大的冷力。在渦輪起動和停止的瞬態(tài)過程中，由于管路系統(tǒng)和該蒸汽渦輪的熱膨脹，在該渦輪殼體上可以產(chǎn)生過大的和變化的力。管路和殼體之間的膨脹差異將力，力矩和扭矩加在該殼體上，這會使該殼體的外殼偏轉(zhuǎn)和移動。
在渦輪瞬態(tài)工作過程中，過大的管路負荷也可使該渦輪殼體偏轉(zhuǎn)和移動。在瞬態(tài)過程中足夠大的管路負荷可造成回轉(zhuǎn)零件(例如渦輪葉片蓋)和靜止密封之間的徑向可控制的間隙消失。徑向可控制間隙的消失的后果是該回轉(zhuǎn)室和靜止密封之間可能產(chǎn)生摩擦。徑向摩擦將增加通過該密封的蒸汽泄漏。因此，過大的管路負荷可以損壞回轉(zhuǎn)和靜止零件之間的密封，使渦輪的性能變壞。
測量內(nèi)互相連接的管路加在渦輪殼體上的力、力矩和扭矩的當前的方法不精確，而且實行起來成本昂貴。例如，安裝在與殼體連接的單個-管路上的應變儀系統(tǒng)的精度和精確性有限。未經(jīng)處理的應變儀信號一般需要溫度、濕度、壓力改變，管路橫截面不均勻，扭轉(zhuǎn)和其他因素的修正因子。另外應變儀測量由單個管路加在渦輪殼體上的力、并且不能直接測量殼體的偏移。該殼體的偏移是由于使該殼體作非線性變形的多根管路的力引起的。要從單個應變儀測量中推導該渦輪殼體的偏移必需進行復雜的分析。
長期以來就需要能精確測量由互相連接的管路作用在該殼體上的力、力矩和扭矩產(chǎn)生的渦輪殼體的偏移的技術(shù)。需要這種技術(shù)來確認在渦輪裝配以及起動和停止瞬態(tài)過程中，管路不將過大的力、力矩和扭矩作用在該渦輪殼體上。為了辨識過大的管路力的出現(xiàn)，也需要這種技術(shù)。一旦辨識出這些過大的管路力，則必需采取校正動作。該所希望的技術(shù)應檢測何時將過大的管路力和扭矩加在該渦輪殼體上，從而可造成渦輪中的回轉(zhuǎn)零件和靜止密封之間的徑向可控制的間隙消失。
發(fā)明概述在一第一實施例中，本發(fā)明為通過監(jiān)視在每一個外殼支承反作用力的改變，來監(jiān)視渦輪殼體偏移的方法。本發(fā)明由下列部分構(gòu)成安置在每一個外殼臂鍵支承的相對側(cè)面上的每一個外殼臂下面的三個靈敏的間隙測量傳感器；監(jiān)視在測量和該外殼臂支承下側(cè)之間的間隙改變的每一個間隙傳感器；收集有關(guān)每一個支承臂的所有間隙測量的連續(xù)數(shù)據(jù)；利用該間隙改變數(shù)據(jù)確定每一個外殼臂下側(cè)的平面斜率的改變。其中，所有外殼臂支承的平面斜率的改變表示該殼體的偏移。
附圖簡述

圖1為蒸汽渦輪殼體的一半部分的圖；圖2為由一個外殼臂、一個鍵和一個外殼標準支承組成的一個外殼臂支承結(jié)構(gòu)的區(qū)域放大側(cè)視圖，在該標準支承上安裝著用于監(jiān)視在該鍵的每一側(cè)上的外殼臂間隙變化的測頭；圖3為安裝在該鍵的二個側(cè)面上，用于提供平面的斜率改變信息的外殼臂間隙改變監(jiān)視工具放大的平面圖；圖4為在渦輪工作過程中收集的、和與該渦輪殼體有關(guān)的示例性外殼臂偏移數(shù)據(jù)的圖。
發(fā)明的詳細說明開發(fā)了一種可以精確地、可靠地和以較低的成本測量渦輪殼體的偏移的方法。該方法對于監(jiān)視由互相連接的管路加在該殼體上的力，力矩和扭矩引起的殼體偏移(例如殼體的扭轉(zhuǎn)和移動)特別有用。由于管路和其他力源產(chǎn)生的反作用力引起的渦輪外殼的偏移可通過使用靈敏的間隙測量工具，測量每一個外殼臂支承的斜率改變，來監(jiān)視。為了監(jiān)視殼體偏移和加在該殼體上的管路負荷，監(jiān)視和測量該外殼臂和外殼標準支承之間的間隙的改變是一種廉價和可靠的方法。
要被測量的該間隙的改變存在于安裝在該外殼標準支承上的測頭和每一個外殼臂支承的下側(cè)之間。在該鍵的一個側(cè)面上的二個位管和在與該鍵相對一側(cè)的一個位置上測量的間隙改變，提供了該外殼臂支承的下側(cè)的平面斜率的改變的信息。該外殼臂表面斜率的改變，表示管路力，力矩和扭矩如何使該殼體變形。
測量的外殼臂斜率的改變還提供了可用于辨識引起殼體偏移的特定的管。將外殼臂平面斜率的改變與時間的關(guān)系作成圖形可顯示由互相連接的管路產(chǎn)生的加在殼體上的力、力矩和扭矩隨時間的改變的信息。
這里所述的方法不需要直接測量管路力或負荷。該方法可以測量在外殼臂上的該殼體外殼的最終偏移。該外殼臂的相對偏移表示由與該殼體連接的互相連接的管路所加的所有力，力矩和扭矩的總和。因此，通過監(jiān)視該外殼臂和該外殼標準支承之間的間隙的改變，可以確定在該渦輪外殼上的互相連接的管路的力，力矩和扭矩。
圖1表示一個蒸汽渦輪殼體10的示例性設(shè)計的橫截面。該殼體包括外殼臂支承12(見圖2)，它們每一個由一個鍵22和一個外殼標準支承性支承。每一個外殼包括4個支承臂12(GER＝發(fā)電機右端，GEL＝發(fā)電機左端，TER＝渦輪右端，TEL＝渦輪左端)。鍵22分別通過表面26和24將垂直負荷從該外殼臂支承12傳送至該外殼標準支承14。該鍵還通過側(cè)表面20將軸向負荷從該外殼臂支承12傳送至該外殼標準支承14。與該殼體連接的蒸汽管路包括的再熱蒸汽管路13，主要蒸汽管路15，低壓蒸汽進入管路17和冷的再熱蒸汽管路19。
圖2為該支承臂和鍵的一部分的示意性側(cè)視圖。圖3為該外殼臂標準支承14的示意性從頂部向下看的視圖。每一個外殼臂標準支承14具有一個鍵槽20，當對準時，可允許插入一個矩形鍵22。該鍵放在該外殼標準支承14的槽的下表面24上。該鍵22的上表面26形成該外殼臂12的一個支承。該鍵的高度設(shè)計成可在該外殼臂支承和該外殼標準支承之間形成一個子間隙28。這個間隙大約為0.20-0.45英寸(0.508-0.635cm)。
安置在該間隙28中的非接觸式的測量測頭30(例如電容測頭)，可靈敏地連續(xù)測量該測頭和該外殼臂支承的下側(cè)之間的間隙改變。三個非接觸式間隙測定測頭30可以安置在該間隙28中，在該外殼標準支承14的表面上，其中二個測頭在該鍵的一個側(cè)面上，而一個測頭在相對的側(cè)面上。該間隙測量測頭30以已知的距離彼此隔開安置，并圍繞著該外殼臂鍵22排列。在該外殼臂之間的間隙中的三個測頭提供足夠的確定該平面斜率變化的數(shù)據(jù)。為此需要軸向斜率改變的數(shù)據(jù)時，可以使用安裝在該鍵相互側(cè)面上的測頭中的二個測頭裝置。
在第一次起動渦輪之前，測量和記錄渦輪裝置周圍的溫度。另外，將三個標定的非接觸式間隙測量測頭30插入該間隙28中。二個測頭可以安放在該鍵22的一個側(cè)面，而另一個測頭安放在該鍵的相對的側(cè)面上。該三個測頭形成與該間隙28相關(guān)的平面。利用從該三個測頭的初始讀數(shù)建立該外殼臂支承的基線斜率。這個基線斜率用作所有將來測量的基礎(chǔ)，使得可以連續(xù)地監(jiān)視斜率改變的大小和方向。
該測頭與一個數(shù)據(jù)采集裝置32(例如蒸汽渦輪的計算機控制器)連接。在包括起動，穩(wěn)態(tài)，負荷改變，停止和渦輪停止后的冷卻的渦輪工作過程中，每一個該間隙測量測頭30檢測該間隙28的寬度的變化。收集從傳感器得出的數(shù)據(jù)，將時間標明和存儲在該數(shù)據(jù)采集裝置的電子存儲器中。存儲該時間和間隙數(shù)據(jù)，并送至該控制器，以便接著確定該間隙寬度的改變。該數(shù)據(jù)提供有關(guān)間隙28的尺寸(例如寬度)的精確的絕對信息。數(shù)據(jù)是從安置在每一個該渦輪外殼臂的標準支承14上的三個或多個間隙傳感器上收集的。從該多個傳感器收集的數(shù)據(jù)時間上是相關(guān)的。
利用從該三個測頭給出的初始讀數(shù)來建立該外殼臂支承的基線斜率。這個基線斜率用作所有將來測量的基礎(chǔ)，使得可以連續(xù)地監(jiān)視斜率改變的大小和方向。以后，該外殼臂支承的平面斜率改變表示該殼體的偏移。該外殼臂支承的平面斜率的突然改變表示在該殼體上存在改變的管路力，力矩和扭矩。
由于管路系統(tǒng)負荷造成該殼體的偏移改變在每一個渦輪支承上的反作用力，并且本身表示在每一個臂上的外殼臂斜率的改變。利用該三個傳感器中的每一個傳感器測量該間隙的變化，可以檢測該外殼臂支承斜率的改變。與測頭之間的已知間隔有聯(lián)系的該數(shù)據(jù)形成確定該外殼臂的斜率改變的足夠數(shù)據(jù)。該外殼臂支承斜率的改變表示該外殼臂偏移的大小和方向，因而也是由該管路系統(tǒng)所加的力、力矩和扭矩引起的渦輪殼體偏移的大小和方向。
圖4為表示從一個渦輪隨著時間推移和該渦輪工作上時收集的示例性數(shù)據(jù)的圖形40。該數(shù)據(jù)可以周期性地(例如每一秒或每一分鐘)收集，并存儲在該數(shù)據(jù)采集裝置孔中。該數(shù)據(jù)采集裝置的一個處理器可以連續(xù)地分析該數(shù)據(jù)，以確定每一個外殼臂支承的平面斜率的改變。通過監(jiān)視在該渦輪工作過程中的這些斜率的改變，可以檢測該殼體的偏移的改變。該殼體偏移的改變可以表示要加在該渦輪殼體上的過大的管路負荷。
該圖40包括二個HP入口外殼臂支承以及其他起動參數(shù)(例如速度(RPM)，負荷(MW)，輸入蒸汽溫度(F)，HP輥筒溫度(F)和軸向外殼膨脹(密耳))的斜率改變的線圖形42。該線圖表示與初始的莖線值比較，斜率隨時間而改變。斜率的快速改變(例如在右臂斜率增加，而左臂斜率減小的點44)表示管路系統(tǒng)將一個扭轉(zhuǎn)力加在該殼體上。該間隙平面的斜率的改變很好地說明管路連接負荷已經(jīng)改變，特別是當其他渦輪狀態(tài)(例如，速度(RPM)，負荷(MW)，輸入蒸汽溫度(F)，HP轉(zhuǎn)筒溫度(F)和軸向外殼膨脹(密耳)改變時更如此。外殼臂斜率改變的原因可以不是由于管路負荷使該殼體偏移。外殼臂斜率改變可以由下列因素引起(i)互相連接的管路力，力矩和扭矩的改變，(ii)由于通過該渦輪的蒸汽流動造成的在該外殼上的蒸汽流動反作用力，(iii)在渦輪外殼上的冷凝器真空負載力改變，(iv)由于渦輪溫度改變和周圍溫度改變引起的外殼報熱扭曲，(v)當該臂的金屬溫度升高時，由彈性模量的減小造成的外殼臂軟化；和(vi)軸向膨脹作用，為了定量分析主要由互相連接的管路所加的負荷引起的殼體偏移，必需從該間隙數(shù)據(jù)中除去其他因素的作用。用于隔離不是管路負荷的因素的作用的一個工藝過程在下面提出，但該過程還未在實際中使用。
在該外殼上的蒸汽反作用力與通過該渦輪的蒸汽流量成比例。蒸汽反作用力的方向也是可以預測的。一個函數(shù)(例如線性函數(shù))可以作為對通過該渦輪的蒸汽流動體積的函數(shù)的響應，模擬蒸汽反作用力?？梢岳眠@個函數(shù)來估計在該外殼上的蒸汽反作用力。另外，假設(shè)當蒸汽反作用力增加或減小時，該殼體外殼臂支承將線性地變形。通過假設(shè)蒸汽反作用力與蒸汽流量為線性關(guān)系，則可以計算該反作用力對外殼臂斜率的影響，并從該間隙測量測頭30的原始數(shù)據(jù)集中減去該影響。
冷凝器真空負荷力與真空負荷成比例，該真空負荷可以連續(xù)測量。可以確定真空負荷力對該外殼臂斜率的影響，并從測頭30的原始數(shù)據(jù)集中減去該影響。利用連續(xù)收集的外殼溫度數(shù)據(jù)，計算外殼熱扭曲和軸向膨脹對外殼臂斜率的影響。該外殼的計算機模擬可將該外殼扭曲對外殼臂斜率的影響從測頭30的原始數(shù)據(jù)集中減去。
利用從外殼臂和建立的材料性質(zhì)表得出的熱電偶數(shù)據(jù)，考慮外殼臂熱軟化的影響，以預測由于臂軟化引起的該外殼臂的偏移。連續(xù)地監(jiān)視該渦輪外殼的軸向膨脹、利用這個數(shù)據(jù)和外殼的計算機模型，可以計算軸向膨脹對外殼臂斜率的影響，并從原始數(shù)據(jù)集中減去，只留下由于管路力，力矩和扭矩引起的斜率改變。利用計算機模型，可以建立傳遞函數(shù)，來定量分析產(chǎn)生外殼臂斜率改變變化程度所需要的力的大小。利用渦輪外殼的計算機模型和連續(xù)收集的外殼溫度數(shù)據(jù)，可以將熱扭曲影響從該數(shù)據(jù)集中減去。
利用由熱電偶連續(xù)收集的外殼溫度數(shù)據(jù)和該渦輪外殼的計算機模型，可以將外殼熱扭曲對外殼臂斜率的影響從該數(shù)據(jù)集中減去。利用由熱電偶連續(xù)收集的排氣壓力數(shù)據(jù)和該渦輪外殼的計算機模型，可將真空負荷對外殼臂斜率的影響從該數(shù)據(jù)集中減去。利用由熱電偶連續(xù)收集的外殼臂和外殼臂的鍵的溫度數(shù)據(jù)，可以預測外殼臂的熱軟化(由于彈性模量改變造成)，將該熱軟化預測(由于彈性模量改變引起)從該數(shù)據(jù)集中減去。
雖然已結(jié)合目前認為是最實際和優(yōu)選的實施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于所述的實施例，相對，在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)，函蓋各種改進和等同的變化。
零件清單10 蒸汽渦輪殼體，12 外殼臂支承，13 熱的再熱蒸汽管路，14 標準支承，15 主要蒸汽管路，17 低壓蒸汽進入管路，19 冷的再現(xiàn)蒸氣管路，20 鍵槽，22 矩形鍵，24 支承中的槽的下表面，26 鍵的上表面，28 該上部和下部外部的臂之間的小間隙，30 間隙測量測頭，32 數(shù)據(jù)采集裝置，40 間隙平面數(shù)據(jù)圖，42 斜率改變的曲圖，44 線斜率的快速改變。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測具有至少一個外殼臂部分(12)，一個支承鍵(22)和一個外殼標準支承(14)的渦輪殼體(10)的扭曲的方法，它包括a.將多個靈敏的間隙傳感器(30)安置在支承該外殼部分(12)的外殼標準支承的表面(24)上；b.使每一個間隙傳感器監(jiān)測該外殼臂部分和該外殼標準支承之間的間隙(28)，其中，該間隙在該外殼臂部分的表面(26)和該外殼標準支承的相對表面(24)之間；c.在一段時間內(nèi)收集有關(guān)該間隙尺寸的數(shù)據(jù)(42)；d.根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)，在該段時間內(nèi)確定平面外殼臂斜率的改變(44)，其中，該外殼臂斜率表明在一定的時間段內(nèi)從該間隙傳感器收集的數(shù)據(jù)；和e.報告在該一定的時間段內(nèi)，該間隙的斜率的改變。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，還包括辨識表明在該殼體上的管路負荷明顯改變的該斜率快速改變(44)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，每一個間隙傳感器(30)為非接觸式電容測頭。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，在一個外殼臂支承和一個外殼標準支承之間的間隙(28)中，至少有三個間隙傳感器(30)，其中，該外殼臂部分被固定在該外殼上，并且該外殼標準支承被安裝在渦輪地基上。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征為，該間隙傳感器(30)被安置在該外殼臂支承和該外殼標準支承之間的鍵(22)的相對側(cè)面上。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，該外殼臂斜率的改變(44)為該外殼臂的平面斜率改變。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，該外殼臂斜率改變(44)為該渦輪殼體的外殼臂支承和外殼標準支承之間的一個平面的斜率改變。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，該多個間隙傳感器(30)為至少三個非接觸式的傳感器，并且該外殼臂支承斜率改變?yōu)橛稍撊齻€間隙傳感器確定的一個平面的斜率改變。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征為，該三個測頭(30)圍繞著一個外殼臂支承和一個外殼標準支承之間的鍵(20)安置。
10.一種監(jiān)測具有至少一外殼臂支承(12)，鍵(22)和外殼標準支承(14)的渦輪殼體(10)的扭曲的方法，所述方法包括a.將至少三個間隙傳感器(30)安置在該外殼標準支承的表面(24)上和該外殼臂支承下面；b.使每一個間隙傳感器監(jiān)測該外殼臂支承和該外殼標準支承之間的一個間隔(28)的；c.在一段時間內(nèi)收集有關(guān)外殼臂斜率改變(44)的數(shù)據(jù)；d.在該一定的時間段內(nèi)，檢測該外殼臂支承間隙斜率的改變；和e.根據(jù)該外殼臂支承的斜率改變，確定該殼體是否過度撓曲。
全文摘要
說明一種通過下列說明的監(jiān)視渦輪殼體(10)的偏移的方法將間隙傳感器(30)安置在一個外殼標準支承(14)表面上，和在該外殼臂支承(12)的相對表面下面；監(jiān)視該外殼標準支承表面和外殼臂支承之間的間隙(28)的每一個間隙傳感器；根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，確定在該時間段上的該外殼臂支承的平面斜率的改變(14)，其特征為，該斜率的改變表示該殼體偏移。
文檔編號G01M99/00GK1598477SQ200410078920
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者P·J·埃森佐普夫 申請人:通用電氣公司