汽轮机末级带冠叶片叶尖间隙测量关键技术研究

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动叶片是汽轮机的核心做功元件,汽轮机末级带冠叶片长期处于湿蒸汽、高温氧化腐蚀、水滴冲击等恶劣环境下,其工作状态直接关系汽轮机的运行安全和效率。叶尖间隙测量是汽轮机叶片状态监测的核心内容,然而受限于带冠叶片的特殊结构及湿蒸汽等恶劣环境的影响,目前尚无有效测量方法能够满足汽轮机带冠叶片叶尖间隙在线测量需求。因此,本文提出了一种基于电涡流传感的汽轮机带冠叶片叶尖间隙在线测量方法,利用带冠叶片接缝处磁导率及电导率突变实现对间隙测量信号的调制,通过仿真设计并研制了抗恶劣环境、宽带宽的电涡流传感器,完成了测量系统搭建及实验。主要研究工作如下:(1)通过建模分析了自由叶片叶尖间隙在线测量方法的原理,指出了自由叶片能够测量叶尖间隙的关键在周向上形成了空间调制,利用空间调制有效消除了分布参数及电路漂移等的影响;同时分析了带冠叶片在几何上虽然未形成空间调制,但其叶顶接缝处存在电导率和磁导率的突变,形成了电导率和磁导率在周向上的空间调制,基于这一调制原理,发展出了一种带冠叶片叶尖间隙测量新方案,并指出了实现测量的关键技术。(2)提出了一种基于电涡流传感的带冠叶片叶尖间隙测量方法,分析了磁导率和电导率的突变对电涡流传感器线圈阻抗的影响规律,并通过Ansoft Maxwell软件构建了仿真模型,分析了不同接缝宽度、叶尖间隙对线圈阻抗的影响规律,验证了所提出测量方法的可行性。(3)发展了一种抗恶劣环境、宽带宽电涡流传感器设计方法,通过仿真分析,确定了传感器线圈和外壳的最优几何参数,采用高稳定电容与探头线圈并联组成LC谐振,提高了传感器响应带宽。研制了传感器并开展了可靠性测试实验,结果表明,设计的电涡流传感器具备高可靠性,满足现场应用要求。(4)搭建了带冠叶片叶尖间隙测量系统,针对带冠叶片的特殊结构特征,设计了标定装置,实现了叶尖间隙测量的高精度标定。在高速动平衡实验室的某型汽轮机上进行了测量实验,实现了带冠叶片叶尖间隙的在线测量。
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