肖威，趙偉民

（1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046；2.中國石油管道局第五工程公司 第五工程處，河北 任丘 062552）

1 引言

汽輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需要監(jiān)測機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)，測量轉(zhuǎn)子及動(dòng)葉等回轉(zhuǎn)部件的振動(dòng)頻率，根據(jù)其振動(dòng)頻率，監(jiān)控了機(jī)組運(yùn)行的安全性與可靠性，并且在一定的范圍內(nèi)可以判斷機(jī)組發(fā)生振動(dòng)的原因。在預(yù)起機(jī)時(shí)，監(jiān)控頻率可以發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)裝配與設(shè)計(jì)的問題，并得以修復(fù)解決。事故產(chǎn)生的基本原因是：激振力頻率與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片的自振頻率一致或相近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，從而損壞葉片破壞機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。另外，當(dāng)汽輪機(jī)組長期運(yùn)行，葉片根部貼合狀態(tài)發(fā)生變化、葉片本體內(nèi)部出現(xiàn)裂紋或其他疲勞損傷、葉片圍帶水蝕不規(guī)則損傷后，葉片的靜頻就會(huì)發(fā)生變化。因此在機(jī)組大修或事故緊急停機(jī)時(shí)，有必要對(duì)葉片的靜頻進(jìn)行測量，可以為當(dāng)前事故分析提供參考，并為機(jī)組后期的安全運(yùn)行提供保證。同樣，對(duì)于新設(shè)計(jì)的葉片，除進(jìn)行自身靜頻設(shè)計(jì)計(jì)算外，也必須測量葉片的自振頻率。因此，頻率測量和頻譜分析在汽輪機(jī)葉片機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測、事故分析和運(yùn)行檢修中具有重要的意義。

2 測量葉片靜頻的基本原理和基本方法

物體在外力的沖擊作用后作自由振動(dòng)，其振動(dòng)波形由各階自由振動(dòng)的波形疊加而成。測量汽輪機(jī)葉片的頻率通常利用示波器、信號(hào)發(fā)生器，測量葉片在外力沖擊后的振動(dòng)信號(hào)，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的頻率，在示波器上觀察李薩如圖形，由信號(hào)發(fā)生器的頻率決定葉片的低階自整頻率。高階頻率一般通過共振法來測量，實(shí)際使用時(shí)，通過示波器觀察振幅的變化，振幅達(dá)最大時(shí)的激振力頻率即為葉片的自振頻率。還有采用專用的頻譜分析儀來進(jìn)行測量的。

2.1 自振法測量葉片靜頻

自振法是一種簡便的測量方法，如圖1 所示。

圖1

用橡膠小錘輕擊葉片，相當(dāng)于對(duì)葉片激振，使被測葉片自由振動(dòng)；使用拾振器獲取葉片振動(dòng)電信號(hào)輸入示波器，通過調(diào)節(jié)與示波器連接的音頻信號(hào)發(fā)生器，得到規(guī)則穩(wěn)定的圓或者橢圓，此時(shí)音頻信號(hào)發(fā)生器的頻率就是被測葉片的自振頻率（音頻信號(hào)發(fā)生器的調(diào)節(jié)值通過數(shù)字頻率器顯示）。自振法測量葉片頻率適合用來測頻率低的葉片，例如長葉片，薄葉片。因?yàn)榧ふ袷侨斯さ南鹉z小錘。

2.2 共振法測量葉片靜頻

對(duì)于短葉片或者厚葉片，因其頻率高，振幅較小，信號(hào)消失很快，一般選擇共振法測量，如圖2 所示。

圖2

顯而易見，通過激振器使葉片發(fā)生較強(qiáng)的振動(dòng)，通過功率放大器放大信號(hào)便于示波器識(shí)別。其他原理與自振法相同。

3 便攜式頻譜分析儀

隨著科技的進(jìn)步和制造業(yè)的發(fā)展，一種方便快捷讀取頻率的設(shè)備已被廣泛投入應(yīng)用——便攜式頻譜分析儀。所有信號(hào)通過安裝于便攜式頻譜分析儀內(nèi)的放大器、濾波器和數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過放大、濾波、轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)中，省去了人為調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器與示波器觀察李薩如圖形的繁瑣操作，并能直接讀出頻率值。

3.1 接觸法測量

接觸法測量，顧名思義，接收信號(hào)傳感器與被測部件是接觸的。一般選用壓電式加速度傳感器測量葉片靜頻。該傳感器的工作原理是基于壓電效應(yīng)工作的，但是頻率與加速度計(jì)的固定狀況有關(guān)，且加速度計(jì)出廠時(shí)給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實(shí)際使用的固定方法一般選擇用一塊小磁鐵將其吸在葉片汽道上，連接強(qiáng)度難以達(dá)到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會(huì)有所下降。

我們?cè)谂繙y量葉片靜頻時(shí)，曾經(jīng)使用過壓電式加速度傳感器。由于是用磁鐵將傳感器吸在葉片上測量，連接剛性不強(qiáng)，且測量批量大，壓電傳感器更換數(shù)只葉片后，靈敏性和穩(wěn)定性都為信號(hào)拾取造成障礙，不便于使用。

3.2 非接觸法測量

所謂非接觸法測量葉片靜頻，指的是通過電渦流傳感器測量葉片靜頻。

非接觸法測量葉片靜頻的基本原理是：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。

測量時(shí)，使電渦流傳感器的側(cè)頭平面與葉片汽道表面平行，間隙約1～2mm。用塑膠小錘輕擊葉片，使葉片振動(dòng)。振動(dòng)過程中葉片型面切割電渦流傳感器發(fā)出的磁感線，傳感器上導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生與葉片自振的渦旋狀感應(yīng)電流，此電流通過信號(hào)放大，可直接被示波器或者便攜式頻譜分析儀拾取，從而得到葉片的自振頻率。

用此種方法測量葉片頻率有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要接觸葉片，不會(huì)磁化葉片，也不需要大范圍移動(dòng)傳感器。我們是設(shè)計(jì)了專用磁力表架，通過旋轉(zhuǎn)表架的支桿，使傳感器移動(dòng)到適合的位置。一般同一類型的葉片，只需要在測量第一片時(shí)調(diào)整定位；（2）易于操作，穩(wěn)定性強(qiáng)。雖然自振頻率與測量位置沒有多少關(guān)系，但是信號(hào)的強(qiáng)弱和傳感器自身誤差也會(huì)對(duì)頻率有所影響，非接觸法能最大限度地保證傳感器狀態(tài)一致和測量位置一致；（3）經(jīng)濟(jì)適用，自身經(jīng)驗(yàn)表明，接觸式傳感器屬于易損件。一個(gè)月大約用4～6個(gè)；而電渦流傳感器，保養(yǎng)維護(hù)得當(dāng)?shù)脑挘p易不會(huì)損壞。

4 結(jié)論

通過幾種測頻方法的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用電渦流傳感器結(jié)合便攜式頻譜分析儀測量單只葉片頻率，簡單快捷且精度高、操作性好、穩(wěn)定性高。可有效地提高生產(chǎn)裝配效率，降低生產(chǎn)成本。

對(duì)于一些汽道高度大于300mm的葉片制造圖紙要求，單只葉片靜頻分散度不超過6%，這就對(duì)批量完工檢驗(yàn)葉片靜頻提出了要求。通過選擇電渦流傳感器與便攜式頻譜分析儀結(jié)合的方法測量葉片靜頻，既能滿足生產(chǎn)要求，又能控制葉片的制造質(zhì)量，且操作方便，現(xiàn)已經(jīng)在公司內(nèi)運(yùn)行。

［1］陳小強(qiáng)，楊建剛，沈德明.汽輪機(jī)葉片靜頻測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2003（5）：285-287.

［2］段巍，王璋奇.基于響應(yīng)面方法的汽輪機(jī)葉片靜動(dòng)頻率設(shè)計(jì)及敏感性分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（20）：12-17.