汽轮发电机组轴系扭振疲劳损伤的估算系统

摘要

本发明公开了一种汽轮发电机组轴系扭振疲劳损伤的估算系统，涉及汽轮发电机领域。本系统是汽轮机轴系（100）、传感器（200）、调制解调器（300）、采集器（400）和终端计算机（500）依次连接；终端计算机（500）的估算模块是模型离线处理模块（510）和数据实时在线处理模块（520）分别与疲劳损伤分析模块（530）交互，疲劳损伤分析模块（530）和结果显示模块（540）交互。本估算系统能实现快速的汽轮发电机组轴系在线扭振疲劳损伤分析，其估算模块可灵活嵌入现有电厂安全监测系统中，不仅适用于对电厂汽轮机组轴系扭振疲劳损伤进行监测，也适用于对一般大型旋转机械轴系进行扭振疲劳损伤进行监测。

说明书

技术领域

本发明涉及汽轮发电机领域，尤其涉及一种汽轮发电机组轴系扭振疲劳损伤的估算系统，具有快速、精确和在线估算的特点。

背景技术

汽轮发电机组单机功率的迅猛增长，轴系变得相对细长；与此同时输电系统的大容量化、长距离化及电力系统结构的复杂化，电力负荷的多样化，新型输配电和控制技术的应用等，都极易诱发机网之间的各种耦合振动共振现象。大型机组转子轴系的扭振直接导致其危险部位的扭振发生过度疲劳损伤，对轴系发电机组安全性产生严重影响，国内外已经有案例表明由于机网次同步扭振最终导致了发电机转子发生不可修复的损坏，给电厂业主带来严重的损失。如能准确地评估汽轮机组轴系扭振疲劳损伤并及时采取有效措施，将可避免灾难性后果的发生。目前对于汽轮机轴系寿命的评估，传统方法是采用全寿命分析法（S-N曲线法）。全寿命分析法需要通过应力分布确定对象的危险部位，并获得其载荷谱，而后根据Miners损伤线性累计理论计算分析对象所受疲劳损伤值，从而得出分析对象的疲劳寿命消耗。全寿命分析法中非常关键的环节是获取危险部位的载荷谱，这直接关系到最终疲劳损伤结果的准确性。

由于转子体高速旋转，因此技术上较难直接、实时和就地测量获得其应力应变值，一般情况下需要通过建立扭振数学模型。考虑到结构件的复杂性和应力集中的放大效应，可以认为轴系准确建模是进行扭振分析的关键之一，其精确性和简单实用性将大大提高这些模型的研究效率和研究准确度。

目前工程常用的轴系模型可分为两类：分布质量模型和集中质量模型。分布质量模型是汽轮发电机组轴系的精确描述，使用偏微分方程形式表示,但该模型求解偏微分方程计算复杂，计算速度较低；同时，基于该模型的强迫振动计算，在方法上很难实现。因此，在扭振的理论研究或者定性分析中，应用分布质量简化模型或低阶集中质量模型的比较多；而在以实际轴系为背景或在线计算扭振响应时，一般选择多段集中质量轴系模型。集中质量模型物理概念清晰，使用简单，但为了提高精度，需要增加轴系的分块数，这将引起仿真速度的降低；而为了提高仿真速度，就必须减少轴系分块数，精度将大大降低，同时集中质量模型很难刻画联轴器等特殊结构部件的受力分布特征。在线扭应力分析中，要求轴系模型计算速度快，这样才能满足实时要求，同时也要求计算尽可能精度高，这是集中质量模型难以做到的。

除上述模型方法以外，还可以采用有限元模型，但是由于有限元模型一般耗费计算机资源，因此，在线扭应力分析系统中较少使用。本发明中通过传感器实时监测机头扭角历程，利用模型离线处理模块通过对汽轮发电机组轴系进行全尺寸有限元建模分析，得到机头模态扭角和关键部件相对扭角的关系；通过对关键部件精细有限元分析得到关键部位应力集中系数和扭角-应力关系；结合数据实时在线处理模块及疲劳损伤分析模块，经过数据关系处理后能较精确地在线估算汽轮发电机组轴系的扭振疲劳寿命。

从目前公开文献及专利来看，专利“CN101750216A次同步振荡引起的汽轮发电机轴系疲劳损伤在线分析方法”与本发明不同：在汽轮机组轴系建模时采用连续质量模型，通过建立汽轮发电机额定负荷下相电压、相电流与轴系危险部位瞬态扭矩关系表及有限元软件分析危险部位应力与扭矩关系实现疲劳损伤分析；专利“CN104236705A汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法及系统”及专利“CN101222133A汽轮发电机组轴系扭振保护装置”与本发明不同：在轴系建模中均采用集中质量模型，通过传递矩阵根据计算扭力矩变化得到轴系扭应力响应实现最终疲劳损伤分析；专利“CN104810798A汽轮发电机组轴系扭振保护方法及保护装置”与本发明不同：通过轴系结构有限元分析确定薄弱环节位置，结合材料参数及影响系数，采用名义应力法和局部应变法结合，计算薄弱环节的疲劳强度。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种汽轮发电机组轴系扭振疲劳损伤的估算系统，具有快速、精确和在线估算的特点。

本发明可应用于电厂汽轮机轴系状态监测系统中，以实现快速、精确和在线估算汽轮发电机组轴系扭振疲劳损伤程度。

本发明的目的是这样实现的：

通过传感器测得机头实时扭角信号，经过解调器、数据采集器进入终端计算机，在计算机中对机头实测扭角信号进行分解，并结合全尺寸轴系有限元扭振模态分析及非线性接触和塑性分析，实现基于实时录波数据的轴系扭振损伤在线评估。

本系统包括研究对象汽轮机轴系，设置有传感器、调制解调器、采集器和终端计算机；

汽轮机轴系、传感器、调制解调器、采集器和终端计算机依次连接；

终端计算机的估算模块包括模型离线处理模块、数据实时在线处理模块、疲劳损伤分析模块和结果显示模块；

其交互关系是：

模型离线处理模块和数据实时在线处理模块分别与疲劳损伤分析模块交互，疲劳损伤分析模块和结果显示模块交互。

估算模块包括模型离线处理模块510、数据实时在线处理模块520、疲劳损伤分析模块530和结果显示模块540

全尺寸建模及有限元分析模块511和危险部位建模及非接触分析模块512

本发明具有下列优点和积极效果：

①提出了一种较好结合全尺寸有限元轴系模型和录波数据的扭振疲劳损伤分析系统：通过机头模态扭角和关键部件相对扭角的关系及实时监测机头扭角历程，结合关键部件精细有限元分析，经过数据关系处理后能较精确地在线估算汽轮发电机组轴系的扭振疲劳寿命。

②建立全尺寸建模及有限元分析模块可以更准确地获得轴系的振型曲线及模态频率，建立危险部位建模及非接触分析模块可更准确的得到关键部位（如轴颈）在轴端单位扭角下的扭应力的对应关系。振型曲线和模态频率可通过试验或其他理论分析进行相互验证，应力集中处的扭应力或集中系数可通过查询相关机械手册得到验证，从而较好地保证了有限元结果分析的准确性和精确度。

③对于某一特定结构的轴系，经过模型离线处理模块后得到不同模态下机头扭角-危险部位扭角关系及危险部位扭角-应力关系，与数据实时在线处理模块520中测得的获得不同模态下轴端扭振幅值（录波测量）与危险部位（轴颈）扭振幅值的一一对应关系。后继通过录波评估轴系扭振疲劳损伤过程即不再需要重新运行轴系全尺寸瞬态有限元分析以及非线性瞬态分析（如轴系含有套装式联轴器且该部件为危险部件的情况），从而可在极大节省分析时间的同时仍然具有较高的分析精确度，简化整个扭振损伤评价过程。由于有限元分析过程只需要进行一次即可，因此本方法非常适合对快速性和精确性都有较高要求的在线扭振安全性监测系统。

④在电厂中，使用模型离线处理模块对汽轮机轴系进行分析后，对得到的机头扭角与危险部位扭角关系、危险部位应力-扭角关系、危险部件修正后的S-N曲线建立相应数据库，再通过简化的代码或参数将其嵌入扭振监测系统相关功能模块中，实现在线监测可形成简化代码或参数嵌入扭振监测系统相关功能模块。

总之，本估算系统能实现快速的汽轮发电机组轴系在线扭振疲劳损伤分析，其估算模块可灵活嵌入现有电厂安全监测系统中，不仅适用于对电厂汽轮机组轴系扭振疲劳损伤进行监测，也适用于对一般大型旋转机械轴系进行扭振疲劳损伤进行监测。

附图说明

图1是汽轮发电机组轴系扭振疲劳损伤的估算系统结构示意图；

图2是终端计算机的估算模块结构图；

图中：

100—汽轮机轴系；

200—传感器；

300—调制解调器；

400—采集器；

500—终端计算机，

510—模型离线处理模块，

511—全尺寸建模及有限元分析模块，

512—危险部位建模及非接触分析模块，

520—数据实时在线处理模块，

530—疲劳损伤分析模块，

540—结果显示模块。

（图3.1-3.3是某汽轮发电机轴系利用模型离线处理模块的实例）：

图3.1是该汽轮发电机轴系全尺寸建模图；

图3.2是该汽轮发电机轴系前三阶模态扭振曲线；

图3.3是该汽轮发电机各轴颈修正后的S-N曲线；

（图4.1-4.2是某汽轮发电机轴系利用数据实时在线处理模块的实例）：

图4.1是该汽轮发电机机头扭角速度积分曲线；

图4.2是该汽轮发电机机头扭角速度信号；

（图5是某汽轮发电机轴系利用疲劳损伤分析模块的实例）：

图5是该汽轮发电机#9轴颈一阶扭应力谱。

具体实施方式

下面结合附图和实例详细说明：

一、汽轮发电机组轴系扭振疲劳损伤的估算系统（简称系统）

1、总体

如图1，本系统包括研究对象汽轮机轴系100，设置有传感器200、调制解调器300、采集器400和终端计算机（PC）500；

汽轮机轴系100、传感器200、调制解调器300、采集器400和终端计算机500依次连接。

2、功能部件

1）汽轮机轴系100

选取一般电厂所用的汽轮机轴系。

2）传感器200

选用电厂通用的测量机头扭振信号的传感器；

其功能主要是测取轴系在旋转时由于扭振引起的角速度的变化。

3）调制解调器300

选用普通常用的调制解调器即可；

其功能是将传感器获得的电压或者电流信号进行预处理，形成数据采集器可识别的信号。

4）采集器400

如选用NIUSB-6251采集器：一款USB高速M系列多功能DAQ设备，经优化在高采样率下也能保持超高精度；16路模拟输入(16位)，每通道1.25M/s采样率(总计1MS/s)，2路模拟输出(16位，2.8MS/s)；24路数字I/O（每8共享一个时钟）；32位计数器；用于自动检测和配置的即插即用USB，高达1MHz的USB总线关联数字I/O。

其功能是将来自调制解调器的信号进行采集和数字化，并输出给终端计算机。

5）终端计算机500

其硬件配置是选用普通商用计算机；

其软件设计是提供一种估算模块。

其功能是导入采集器400采集的扭振信号数据，经相应的处理、计算和分析，最终输出和显示扭振疲劳累积信息。

如图2，估算模块包括模型离线处理模块510、数据实时在线处理模块520、疲劳损伤分析模块530和结果显示模块540；

其交互关系是：

模型离线处理模块510和数据实时在线处理模块520分别与疲劳损伤分析模块530交互，疲劳损伤分析模块530和结果显示模块540交互。

（1）模型离线处理模块510

模型离线处理模块510较耗费计算机时间，但该模块得到的机头扭角与危险部位扭角关系、危险部位应力-扭角关系及该危险部件修正后的S-N曲线均可形成相应的数据库直接或进过编程后导入疲劳损伤分析模块530中进行使用；在疲劳损伤分析模块530进行实时的分析中，模型离线处理模块510中得到的数据均有效。

模型离线处理模块510包括全尺寸建模及有限元分析模块511和危险部位建模及非接触分析模块512；

*全尺寸建模及有限元分析模块511

全尺寸建模及有限元分析模块511包括以下步骤：

①对研究对象进行全尺寸建模及模态分析511a；

②提取各阶模态扭振曲线511b；

③得到机头扭角与危险部位扭角关系511c；

具体地，对轴系固有扭振特性的全尺寸有限元分析，是实现快速在线评估轴系扭振疲劳损伤的基础，模型应尽量保证建立模型与实际轴系模型的相似性；对研究对象建立汽轮机组轴系有限元数值模型，在尽量保证建立模型与实际轴系模型扭振特征相似情况下，对实际轴系模型进行少许简化，得到全尺寸汽轮机组轴系模型；

具体地，用商用软件进行全尺寸有限元技术进行轴系扭振分析得到轴系扭振曲线，从该曲线中可以得到机头模态扭角和关键部件（即危险部位）相对扭角的关系。

*危险部位建模及非接触分析模块512

危险部位建模及非接触分析模块512包括以下步骤：

①对危险部件进行精密建模及非接触分析得到该部位应力-扭角关系512a；

②提取该部件应力集中系数512b；

③得到该危险部件修正后的S-N曲线512c；

具体地，对于套装联轴器这类特殊部件，由于存在工艺上的特殊性（过盈配合），无法从标准手册中查到应力集中系数，采用非线性有限元（包括接触和塑性）分析不仅能获得比较准确的应力集中系数值，也可以得到应力与扭角的映射关系；得到应力-扭角的映射关系512b及较准确的应力集中系数可用以修正其S-N曲线512d。

（2）数据实时在线处理模块520

数据实时在线处理模块520：中得到的机头扭角历程数据可实时导入疲劳损伤分析模块3中进行使用。包括以下步骤：

①提取采集器中采集到的机头扭角数据521；

②计算TSR录波机头角速度偏差522；

③积分并进行去趋势分析及模态分解得到机头扭角历程523；

数据实时在线处理模块520得到的机头扭角历程数据可实时导入疲劳损伤分析模块530中进行使用。

具体地，将实时录波数据处理，对TSR录波信号进行积分，得到机头扭角随时间的变化曲线，即机头扭角历程；由于TSR录波数据为扭角速度随时间的变化，在寿命评估中需要将其转化为扭角-时间的变化关系，以便得到轴颈端面的扭矩，因此通过对TSR录波信号进行积分得到机头扭角历程。

具体地，由于轴系刚性转动，对TSR录波信号进行积分得到的扭角随时间变化曲线并不是在0点附近波动；为得到真实可靠的扭角振动数据，需对TSR数据积分后进行去趋势波动分析，消除轴系刚性转动对扭角的影响。

具体地，由于机头扭角随时间变化信号包含了各种频率成份，不能够直接将扭角变化曲线推导到轴系各部位上，因此需要进行模态分解，利用各模态振动下机头模态扭角和关键部件（即危险部位）相对扭角的关系得到危险部位相对扭角。

（3）疲劳损伤分析模块530

模型离线处理模块510和数据实时在线处理模块520

疲劳损伤分析模块530主要通过模型离线处理模块510和数据实时在线处理模块520得到的机头扭角与危险部位扭角关系、危险部位应力-扭角关系、危险部件修正后的S-N曲线及机头扭角历程的数据进行分析，结合疲劳损伤分析方法对各危险部件进行疲劳损伤分析。

包括以下步骤：

①由得到机头扭角与危险部位扭角关系511d和积分并进行去趋势分析及模态分解得到机头扭角历程523，计算危险部位扭角历程531；

②根据对危险部件进行精密建模及非接触分析得到该部位应力-扭角关系512b一一对应和危险部位扭角历程531，得到危险部位扭应力谱532；

③雨流法进行谱分解533；

④根据得到该危险部件修正后的S-N曲线，进行疲劳损伤分析534。

具体地，获得关键部件危险位置处的应力谱后，即可根据Miners损伤线性累计理论，依据部件材料的S-N曲线（或P-N曲线，即扭功率-周次曲线），采用雨流法计算分析对象所受扭应力谱下的疲劳损伤值。

（4）结果显示模块540

结果显示模块540主要通过对疲劳损伤分析模块530中的疲劳损伤分析结果进行整理，进一步形成图表形式展现。

研究对象汽轮机轴系100经过模型离线处理模块510、数据实时在线处理模块520和疲劳损伤分析模块530对其各个危险部位进行疲劳损伤分析后得到的数据进行整理，包括以下步骤：

①提取各危险部位最终疲劳损伤百分数541；

②以图表形式展现542。

3、工作原理

通过传感器200测量得到工作对象汽轮机轴系100的扭振信号；扭振信号经过调制解调器300的预处理，形成采集器400可识别的信号；再导入采集器400中进行采集和数字化，并输出给终端计算机500；终端计算机500对导入的扭振信号数据结合软件代码设置相应处理、计算和分析模块，最终输出和显示扭振疲劳累积信息。

如图2，在终端计算机500中设置有模型离线处理模块510、数据实时在线处理模块520、疲劳损伤分析模块530和结果显示模块540。

其中模型离线处理模块510将一次性为疲劳损伤分析模块530提供数据输入，从而为在线实时损伤分析节省大量计算时间保证其实时性和精确性；利用模型离线处理模块510包括：全尺寸建模及有限元分析模块511和危险部位建模及非接触分析模块512两个子模块；利用全尺寸建模及有限元分析模块511对研究对象进行全尺寸建模及模态分析511a后，可提取各阶模态扭振曲线511b，最终得到机头扭角与危险部位扭角关系511c；利用危险部位建模及非接触分析模块512对危险部件进行精密建模及非接触分析得到该部位应力-扭角关系512a，提取该部位的应力集中系数512b，根据应力集中系数得到该危险部位修正后的S-N曲线512c；数据实时在线处理模块520提取采集器400中采集到的机头扭角数据521，计算TSR录波机头角速度偏差522，对其积分并进行去趋势分析得到机头扭角历程523；由机头扭角历程及机头扭角与危险部位扭角关系可计算出所关注的危险部位扭角历程531，结合该危险部位应力-扭角关系可得到该危险部位扭应力谱532，雨流法进行谱分解533，基于Miners损伤线性累计理论，根据该危险部位修正后的S—N曲线进行疲劳损伤分析534。

模块510与模块520相互独立，两模块的数据结果均可通过软件代码的数据输入和输出，其与模块530、模块540关系及流程参见图2，图中511c、512a、512c均可利用离线方式计算分析获得形成固定的数据关系或者参数，一旦放入在线分析计算机后则不需要再耗费大量计算机资源进行重新计算，在线计算机中只需要进行机头扭角的信号分析、雨流法谱处理和S-N曲线疲劳累积计算，完全可满足在线实时分析的要求。模型离线处理模块510、数据实时在线处理模块520、疲劳损伤分析模块530和结果显示模块540

不仅限于本实例，对大型旋转机械，可首先利用模型离线处理模块510，进行有限元建模处理后得到可监测部位扭角与危险部位扭角关系、危险部位应力—扭角关系和各危险部位修正后的S-N曲线，根据离线处理所得到的结果通过建立相应数据库，再通过简化的代码或参数将其嵌入扭振监测系统相关功能模块中，实现在线监测。

三、实例

1、利用模型离线处理模块510的子模块全尺寸建模及有限元分析模块511对某汽轮机组轴系全尺寸建模及轴系模态仿真。

图3.1为本发明采用三维实体模型建立汽轮机组轴系有限元数值模型，实例机组为某电厂1000MW机组（四缸四排气），包括高亚转子、中压转子及两根低压转子；分析表明，短叶栅对整个轴系扭振振型分布影响有限，在依据振型对关键部件进行损伤分析过程中，其对轴系不同轴段在扭振过程中的变形分布可以忽略，因此本算例中对叶栅采用等效惯量简化，整个轴系单元共用了187903个节点、801645个单元；轴系各段的材料属性设置为：高中压缸：密度7800kg/m³，杨氏模量2.1×10¹¹Pa，泊松比0.3；低压A、B压缸：密度7800kg/m³，杨氏模量2.04×10¹¹Pa，泊松比0.3；发电机转子：密度7800kg/m³，杨氏模量2.2×10¹¹Pa，泊松比0.3。

采用ANSYS软件计算得到的前三阶扭转频率分别为：13.262Hz、23.772Hz、26.72Hz，与之对应的振型模态如图3.2所示。电厂提供的实测三阶模态频率为：13.34Hz、23.83Hz、26.77Hz，最大误差小于1%；这一结果数据表明，采用三维实体模型对大型汽轮发电机组轴系建模具有相当高的精度，表明前述简化是可以接受的，该模型可在一定程度上保证后续实时录波的模态分解和危险部位扭应力谱计算的正确性。

2、利用模型离线处理模块510的子模块危险部位建模及非接触分析模块512对危险部位建立精细有限元建模及变形分析。

根据图3.2，对其中九个轴颈进行分析，分别得到其轴颈与联轴器所对应的坐标位置和扭角差，如表1所示。

表1关键点扭角（rad）

以#9轴颈为例，通过建立其精细有限元模型（建模细节不进行详述），得到#9轴颈的应力集中系数及应力与扭角的关系。分析9个轴颈得到修正后的S-N曲线如图3.3所示。

3、利用数据实时在线处理模块520对由传感器200测得的经由调制解调器300、采集器400处理后得到的机头扭角信号进行在线处理，求得机头扭角历程。

录波数据为扭角速度随时间的变化，如图4.1。在寿命评估中需要将其转化为扭角-时间的变化关系，以便得到轴颈端面的扭矩。对TSR录波信号进行积分，得到扭角随时间的变化曲线。由于轴系刚性转动，积分后曲线并不是在0点附近波动，直接积分结果如图4.1实线所示。为得到真实可靠的扭角振动数据，需对TSR数据积分后进行去趋势波动分析，消除轴系刚性转动对扭角的影响。

机头扭角随时间变化信号包含了各种频率成份，不能够直接将扭角变化曲线推导到轴系各部位上，需要进行模态分解，利用各模态振动下各点的位移特征计算轴系危险部位的相对扭角。

进行去趋势分析及模态分解后得到机头扭角速度信号如图4.2。

4、利用疲劳损伤分析模块530对各危险部位进行疲劳损伤分析。

图4.1中的实时录波数据去趋势分析和模态分解后的机头扭角历程曲线与表1结合，通过瞬态分析得到一阶扭应力谱如图5所示。结合得2#到9#轴颈的S-N曲线图。进一步采用雨流法可以完成轴系的疲劳损伤评估，得出此次冲击对9#轴颈的损伤约为0.00024%。

5、结果显示模块540

对2#到9#轴颈损伤百分数进行图表显示。

对于本实例，上述过程中，除了轴系全尺寸有限元模态分析和轴颈的精细有限元分析比较耗费时间以外，后继基于录波曲线的数据处理完全可以满足在线系统的要求。