專利名稱：用于近程傳感器的熱致自調節(jié)裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到近程傳感器，特別涉及到用于控制這種傳感器位置的一種熱致自調節(jié)裝置。
渦輪機和類似的機器可能包括一組或多組與旋轉軸部件相連接的葉柵。葉片一般說來設計復雜，結果產生了多種振動模式。已經發(fā)現(xiàn)需要提供監(jiān)視葉片振動的裝置，用以預防和避免由于所不希望有的振動模式引起渦輪機損壞。這種裝置披露于先有的美國專利號4518917和4573358中。
一般說來，在′917和′358號專利中披露的裝置采用近程傳感器來監(jiān)測葉片振動。已經得知渦流型傳感器特別適用。這類傳感器是眾所周知的，其工作原理是當一個交流勵磁線圈接近一金屬物體時，該線圈的阻抗會發(fā)生變化。一種可能適合于與本發(fā)明使用的傳感器在美國專利號4563643中描述過。
正如上述′358號專利中特別說明的，渦輪機葉片的振動可以通過在葉輪四周徑向安裝的葉梢傳感器進行在線監(jiān)測。在進行這種監(jiān)測時，已發(fā)現(xiàn)葉梢與傳感器之間的間隙是使傳感器能夠分辨出各個葉片振動的關鍵參數(shù)。最小間隙是由若干實際條件決定的，例如(1)傳感器安裝結構的固有橢圓度;(2)葉片長度的不規(guī)則性;(3)當渦輪機從室溫下的平衡狀態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)運行溫度時，葉片和傳感器安裝結構的熱膨脹率的差別;(4)由于重力以及由支持點和重力產生的不對稱性而引起傳感器安裝結構的不均勻徑向膨脹。如果有必要，這些條件中的第一條可以分別通過傳感器的初始定位和葉梢的微調來滿足。相應地，與本發(fā)明有關，通過在渦輪機工藝中眾所周知的技術，是可能將前兩個考慮減至最低限度。因此本發(fā)明涉及到條件(3)和(4)。
葉片和傳感器安裝結構的熱膨脹率不同對葉梢傳感器間隙確定了一個下限，它限制了磁式傳感器和渦輪機葉片振動監(jiān)測系統(tǒng)的使用。這是因為較輕的葉片先于整體的傳感器安裝結構達到運行溫度。然而，業(yè)已周知，為了監(jiān)測的目的，一般應該使葉梢和傳感器之間的間隙減小到最低限度，以消除小間距汽輪機葉片之間的相互影響，并且當葉片通過傳感器時，使傳感器信號的斜率最大。
在汽輪機正常起動過程中，間隙寬度的一般變化情況如下。當汽輪機在室溫下，葉梢和傳感器之間存在一個間隙g。汽輪機被徐徐加熱，使葉片迅速升溫和膨脹，其速度比整體的傳感器安裝結構的膨脹要快得多，這樣就使間隙減小到某一較小值g′，g′比g要小得多。正是這個初始起動周期決定了g的值，也決定了最小間隙值，如果上述條件(1)和(2)實際上被排除的話。然后，較重的傳感器安裝結構慢慢地加熱，使得氣隙增大，直到傳感器和葉片之間的間隙又重新為初始值g。因此最小的運行間隙是由輕質的葉片和整體的傳感器安裝結構之間的最大熱不均衡所決定的。
前述所考慮的問題在汽輪機工藝中是眾所周知的，在初始起動、穩(wěn)態(tài)運行和停機過程中汽輪機結構的線性位移和(或)每一點的位置是容易通過已知的經驗和比較技術確定的。顯然，葉梢與傳感器之間的初始間隙必須足夠大，以便在汽輪機機體本身有任何線性移動之前，葉片由于熱膨脹能夠獲得其最大長度。此后，機體向外膨脹，初始間隙重新恢復。
本發(fā)明的目的是提供一種無源的傳感器裝置，它能使傳感器進行連續(xù)徑向調節(jié)，以消除上述影響，并有可能在汽輪機的正常運行期間減小汽輪機葉片和傳感器之間的最小間隙。
以此為目標，本發(fā)明屬于一種用于近程傳感器的熱致自調節(jié)裝置，如在權利要求1中所確定的。
該裝置最好這樣來安置，當被加熱到任一給定溫度時，熱敏感元件能使傳感器在小室里朝向汽輪機葉片的運動軌跡而相對移動一段距離，這段距離與機體壁被加熱到這一給定溫度而產生的線性向外位移大體上相等。因此，傳感器與葉片運動軌跡之間的空間關系在不同溫度下保持相同。
熱敏感器件最好包含一個熱膨脹元件，該元件在膨脹時將傳感器推向運動物體的軌跡。該元件的特性是由線性膨脹系數(shù)和小室的縱向尺寸決定的，以致于當傳感器加熱到一定溫度時，該尺寸的總增量與機體壁被加熱到同一溫度所產生的線性向外位移大體上是一樣的。
圖1是一種可能采用本發(fā)明的汽輪機部分截面圖;
圖2是表示本發(fā)明的熱致自調節(jié)裝置及其與汽輪機葉片運行關系的示意性截面圖;
圖3是沿圖2中3-3線剖開的橫截面圖。
盡管本發(fā)明一般應用在機體內的不良環(huán)境中，用于檢測沿一軌跡運動的物體的接近程度，特別適用于各種旋轉葉片結構，但是，下面將根據汽輪機低壓缸最后一組葉柵的監(jiān)測作為例子來描述本發(fā)明，該汽輪機的一部分如圖1所示。汽輪機包含許多葉片，從30至39;其中偶數(shù)葉片通過轉子葉輪41至44與轉子40相連接。偶數(shù)葉片在各個葉柵中對于轉子對稱地延伸，被稱為動葉片;奇數(shù)葉片與汽輪機汽缸內側相連接并在周圍延伸，稱為定葉片。
在典型的運行過程中，過熱的干蒸汽進入第一級(由葉片38和39組成)，并通過下面各級，蒸汽在后面各級膨脹并產生溫度和壓力的變化。蒸汽通過氣流導管46流出最后一級(由葉片30和31組成)。
葉片30和在該葉柵中的所有其它葉片一樣，是獨立式葉片，傳感器可放置在氣流導管經加工而成的開口中，以便靠近葉梢。圖1表示的典型的傳感器48就是這樣安置的。本發(fā)明涉及到諸如傳感器48或其它類似的傳感器的安置，而且要意識到，本發(fā)明若與前述′358號專利的汽輪機葉片振動檢測裝置相結合是特別有用的。在這樣的應用中，象傳感器48那樣的許多傳感器均勻布置在汽輪機一個葉柵的周圍。
本發(fā)明的熱致自調節(jié)裝置在附圖2中以參考號10概括地表示出。圖2是表示葉片30和傳感器48相互關系的示意性截面圖。葉片的旋轉中心位于傳感器表面48a的左邊，并且葉片30沿箭頭30a的方向有一條運動軌跡。在汽輪機運行時，運動軌跡30a與傳感器表面48a之間的距離或間隙如圖2中寬度g所示。
傳感器48可以這樣安裝，如′917號專利所示，裝在汽輪機機體壁內直接加工而成的開口中，或者安裝在如前述′358號專利所示的為一特定機器專門制作的一個護圈中。在每一種情況下，此裝置被裝設在汽輪機壁12上所限定的一個向內開口的小室14中，其位置靠近葉片30的運動軌跡30a。在圖2中可以看出，小室14是細長的，并向離開軌跡30a的方向延伸，穿過壁12。小室14的構造，要使其能在其中容納近程傳感器48并能適應傳感器48在小室14內朝向或遠離軌跡30a的移動。
小室14最好具有圓形橫截面形狀，如在圖3中特別表示的那樣。在小室14內遠離葉片30的運動軌跡30a之處，有一個環(huán)形支座16將小室14分成兩部分，14a部分具有相對較大的直徑，而14b部分具有相對較小的直徑。
傳感器48最好具有圓柱形狀以及圓形截面，如圖3中可看到的那樣。傳感器48裝設有一個法蘭盤或環(huán)形圈18，它環(huán)繞著傳感器48的圓柱表面擴展。法蘭盤18的外徑略小于小室14a部分的內徑，而傳感器48主圓柱本體的外徑又略小于小室14b部分的內徑，所有這些可見于圖2。
在支座16和法蘭盤18之間裝有一個熱膨脹元件20。在法蘭盤18的另一側，由一系列螺旋形彈簧22所形成的彈簧元件被插入法蘭盤18與一個環(huán)形的刻有螺紋的套管24之間，套管24擰入壁12中。套管24有一個內孔24a，其形狀適應于靠近傳感器表面48a的傳感器48的圓柱表面。
熱膨脹元件20最好具有一個圓環(huán)的形狀，如圖3中所見;從圖2中可以看到，在元件20熱膨脹時，支座16和法蘭盤18之間將出現(xiàn)同樣的膨脹以推動法蘭盤和傳感器對抗彈簧22的偏壓并向葉片30的運動軌跡30a移動。裝設彈簧裝置22就是為了保持法蘭盤18與元件20緊密銜接并且當元件20冷卻從而尺寸縮小時促使傳感器48收縮。盡管如圖2所示，彈簧裝置22由許多彼此隔開的小螺旋彈簧所組成，但維修人員將會意識到，裝置22還是以單一的螺旋彈簧構成為好，該螺旋彈簧與傳感器48同軸調整定位。
元件20最好應具有這樣的熱脹系數(shù)，其值大約為鋼的熱脹系數(shù)的120倍。照這樣，長約1.3厘米的元件20足以提供一個無源的向心位移，它剛好補償傳感器安裝結構12的徑向熱膨脹。如上所述，確定在汽輪機受熱過程中不同時間時，壁12的實際位置，這完全是有關工藝領域維修人員技術范圍內的事;而且在穩(wěn)態(tài)運行期間，壁12精確位置是已知的或者可以由有關工藝領域中的技術人員使用經驗數(shù)據和(或)比較數(shù)據計算出來。因此，元件20用于補償壁12的線性位移所需要的總膨脹量是一已知量，或一個可用常規(guī)技術計算出的量。如果元件20結構材料的熱脹系數(shù)已知，則它所需要的室溫范圍可容易地算出。
關于元件20的結構材料，一些已知的塑料和陶瓷材料是適用的，唯一的真正判據是上述材料能耐受汽輪機運行時所遇到的溫度。如果需要將不良的環(huán)境限制在機體范圍以內，可采用已知的技術將元件20密封安裝在支座16和法蘭盤18上，這種技術不屬于本發(fā)明的一部分。此外，元件20可以作成一個環(huán)形波紋管，而不是如圖2所示的一個實心元件。
在起動過程中，葉梢與傳感器之間的間隙的變化情況如下。在室溫下葉梢與傳感器之間的間隙是距離g。當汽輪機徐徐加熱時，汽輪機的葉片伸長，在葉梢和傳感器表面48a之間的間隙減小到距離g′，g′大于零但比g小得多。當整體的傳感器安裝結構12慢慢變熱并膨脹而離開葉片30的運動軌跡30a時，熱脹元件20就在小室14內膨脹，且將法蘭盤18和傳感器48推向軌跡30a。元件20的結構材料是這樣選擇的，使得在任一給定溫度下，從其初始長度開始的總膨脹量與壁12被加熱到這一給定溫度所產生的線性向外移動是精確一致的。因而，即使在不同的溫度下，傳感器48的表面48a與葉片30的運動軌跡30a之間的空間關系也總是保持一致。最后的效果是，在正常的穩(wěn)態(tài)運行期間，運動軌跡30a與表面48a之間的間隙保持在較小的值g′。
根據本發(fā)明的概念和原理，熱膨脹元件20可采用下列材料構成一種雙金屬彈簧或波紋管，一種耐高溫的塑料圓筒，或任何其它熱膨脹材料。在這方面，膨脹度是由材料的熱膨脹系數(shù)和元件的長度所控制的。此外，本發(fā)明還考慮到利用旋轉雙金屬彈簧，通過一螺紋給進裝置產生傳感器的向心推進，以實現(xiàn)傳感器48的位移。還可以預料，用一個受外部控制的加熱器與熱膨脹元件相配合。這個加熱器可以由一個反饋信號控制，以便在各種汽輪機運行條件下都能保持預定的間隙，因而可以獲得對葉梢與傳感器之間間隙的自動控制。所有前述內容都在本發(fā)明的考慮范圍以內，它簡明地提供了一種可與傳感器配合使用的熱敏感元件，以使傳感器在小室內向著葉片30的運動軌跡移動。
權利要求
1.一種用于近程傳感器(48)的熱致自調節(jié)裝置(10)，用來在機體內的不良環(huán)境下檢測物體(30)沿軌跡(30a)的運動，上述裝置包括在上述機體壁(12)上的設備，它限定了一個向內開口的小室(14)，其位置靠近上述軌跡(30a)；上述小室(14)是細長的，開向離開該軌跡(30a)的方向延伸，貫穿上述壁(12)；小室的形狀可在其中容納一個近程傳感器(48)，其特點在于，上述傳感器(48)被放置在該小室(14)內，以便于向著或遠離上述軌跡(30a)而移動，并且熱敏感元件(20)可與傳感器(48)配合使用，在受熱時使傳感器在小室(14)內向著上述軌跡(30a)移動。
2.根據權利要求1做成的一種裝置，其特點在于，熱敏感元件(20)當被加熱到任一給定溫度時，能使傳感器(48)在小室(14)內朝向軌跡(30a)相對移動一段距離，這段距離與壁(12)被加熱到這一給定溫度而產生的線性向外位移大體相等，因而傳感器(48)與軌跡(30a)之間的空間關系在不同溫度下保持相同。
3.根據權利要求1或2做成的一種裝置，其特點在于，元件(22)可與傳感器(48)配合使用以便在小室內在遠離上述軌跡(30a)的方向上彈性地推動傳感器使其恢復原來位置。
4.根據權利要求1做成的一種裝置，其特點在于，上述熱敏感元件(20)包括一個熱膨脹元件(20)，在膨脹時將傳感器(48)推向上述軌跡(30a)，該元件(20)的特性由線性膨脹系數(shù)和小室(14)的縱向尺寸所決定，因而當傳感器(48)加熱到一給定溫度時，在上述長度上的總增量與機體壁(12)被加熱到同一給定溫度而產生的線性向外位移大體上是相等的。
5.根據權利要求4做成的一種裝置，其特點在于，上述傳感器(48)裝設有一個由其側面向外延伸的法蘭盤(18)，在受熱膨脹時，上述元件(20)可推壓該法蘭盤(18)。
6.根據權利要求5做成的一種裝置，其特點在于，上述傳感器(48)為一圓柱體形，且上述法蘭盤(18)由一個環(huán)形圈所組成，圍繞該圓柱體的表面擴展;上述元件(20)最好以環(huán)形結構構成。
7.根據權利要求3做成的一種裝置，其特點在于，上述彈性元件由螺旋彈簧元件(22)組成。
全文摘要
一個葉梢傳感器(48)安裝在一個用于鄰近傳感器(48)的熱致自調節(jié)裝置中，該傳感器用來檢測汽輪機葉梢(30)在汽輪機機體內的運動，該傳感器可向著或遠離葉梢的運動軌跡(30a)而移動。一個熱膨脹元件(20)可與傳感器(48)配合使用，當傳感器受熱時，使其在小室內向著運動軌跡(30a)移動。一個彈簧(22)用來使傳感器與熱膨脹元件(20)在該元件膨脹和收縮的過程中保持接觸。
文檔編號F01D25/00GK1031894SQ8810497
公開日1989年3月22日 申請日期1988年8月13日 優(yōu)先權日1987年8月14日
發(fā)明者米奇爾·特沃杜奇爾伯 申請人:西屋電氣公司