專利名稱：測定功率的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測定功率的方法和裝置，機械能以此功率在一臺固定機器與一沿定向軸貫穿該機器的、以一角速度圍繞該軸旋轉的天軸間被置換，其中能量在天軸上沿軸向流動。
本發明同樣也涉及對由一臺機器輸出給天軸的功率的測定并且涉及對一臺機器由天軸接收到的功率的測定。
現有技術以各種方式公開了測定功率的方法和裝置，機械能以此功率在一臺固定機器與一旋轉的天軸間被置換。尤其公開了一相應適用的裝置，其中對功率的測定化為對扭矩的測定，該扭矩在一個加入到天軸上的并將天軸扭曲的試件上起作用。該試件例如可以是天軸一個相應變細的并配備有相應傳感器的段。
有關現有技術，請參見與美國專利5215145相關的EP0609726A2、GB2262345A、EP0412780A2，以及“日本專利文摘”的摘要，第11卷，第35期(P-542)。這些文獻中的每一份都涉及一種測定功率的測量方法和測量裝置，機械能以此功率流過旋轉的軸。該裝置含有多個設置在軸上的軸標記、多個固定的、分別歸屬于一個軸標記的傳感器以及對信號進行計算的裝置，這些信號由傳感器輸出并通過這些信號計算出功率。在任何情況下，在軸標記間的軸都是簡單的和無定形的，即是圓柱形的。另外僅以相互很小的間隔設置軸標記。這種配置實現了從理論上可以預測在給定功率情況下出現的扭曲并利用這種預測可對功率進行直接和絕對的測量。這些優點使裝置的進一步設計失去了靈活性。另外每種已知的裝置和每種已知的方法必須能適應旋轉軸相對小的扭曲，該扭曲將導致所進行測量的精度大大受到影響。
在本發明的應用領域中尤其要考慮對由多臺機器構成的機組的監視，其中機組的機器沿一共用的旋轉軸順序設置。作為這種機組例如可以是單軸蝸輪機組，該機組通常包含多臺蒸汽輪機，在某些情況下該機組也可以是一臺燃氣輪機，以及一發電機組。就此應用，請再次參見EP0609726A2。在這樣的一個機組中非常重要的一點是，對機械能的制備和排出在各個機器上的分布進行精心的調整，以便對機器均勻地加載并避免超負荷的出現。其中在過度加載和無計劃的空轉時都會造成超負荷；最后的標準尤其適用于蒸汽輪機，該蒸汽輪機在蒸汽加載不足的情況下不再作為蝸輪機，而是作為壓縮機工作并且該蒸汽輪機將很有可能要承受極限溫度負荷。
據此，本發明的任務在于，提出一種測定功率的方法及裝置，機械能以此功率在一臺固定的機器與一沿定向軸貫穿該機器的、并繞該軸旋轉的天軸間被置換，其中能量在天軸上順軸向流動，其中本方法和裝置的特征在于簡便并且工作安全、可靠，以及以其相應的設計結構適用于監視較大型的機組。
就方法而言，本發明的目的是這樣實現的，即提供一種用于測定功率的方法，機械能以此功率在一臺固定的機器和一沿定向軸貫穿該機器的、以一角速度圍繞該軸旋轉的天軸間被置換，其中能量在天軸上沿軸向流動，其中對天軸在機器上的扭曲角度進行測定，并根據角度與預定校準系數的乘積求出功率。
本發明的一個重要特征在于，不必采用已知的功率測量裝置而僅采用本來已有的機器或機組部件，其中這些部件為實現本發明目的無需作改造。據此，天軸的扭曲是通過基于機械能在機器內部的置換而得到的，并就其細節未做詳述的天軸應力來產生的。本發明有利地利用了下述事實，相對不太采用通過天軸的扭曲，而更多的是用貫穿機器的必要的天軸長度進行補償。
功率測量的條件是，其置換將被測量的機械能沿特定的方向在天軸上流動，并且沒有被分成相互反向流出的分流。如果是此情況時，則依照本發明僅能測量分流的差，此差當然對機器的運行也有一定的意義并且必要時也可以補充進行附加的測量，這些附加的測量可以對被置換的總能量作出結論；本發明的主要應用領域是機器，或者是沿一定方向流入能量的機器，或者按一定方向流出能量的機器。在一帶有多臺蝸輪機和一發電機組的蝸輪機組中，所有的機器都與唯一一根天軸相配合，就是此情況，這是因為所有蝸輪機都向天軸輸入機械能并且僅有發電機組由天軸接收能量。所以明確地給出了能量的流向。在一臺不是此情況的機器中當然始終存在建立能量平衡的可能，根據此能量平衡可以對每臺機器作出有關在該機器與天軸間置換的功率的有效的結論。
對于一臺位于天軸端部的機器，由機器伸出的天軸端處于定義空轉狀態，在旋轉方向給定的情況下也可以應用本發明來確定，機器是由天軸接收功率，還是向天軸輸出功率。為此必須確定由天軸扭曲產生的偽標量的方向并與偽矢量的方向相關進行設定，偽矢量是由天軸的旋轉方向確定的。據此確定出一個方向，確切地說是對現有偽標量進行補充的偽矢量的定向。與此相符，該方向在任何情況下都與天軸的旋轉軸平行。如果此方向指向天軸空轉端，則機器由天軸接收能量；如果此方向背離空轉端，則機器輸出能量。
依照本發明加以考慮的校準系數是一個或多或少構成在機器內部的天軸的材質扭變模數、天軸的幾何參數以及天軸旋轉的角速度的綜合函數。這種對校準系數的分析測定在天軸，例如在一種定壓結構的蝸輪機中那樣為一種復雜設計結構時，將會造成極大的困難。但校準系數在通常情況下可以毫無問題地根據機器和天軸的試運行進行確定，優選作為運行參數的并針對所有在正常運行時可以估計到的工作狀況的函數。對天軸扭曲的以后的測量可以作為相對測量進行，該測量與其用于檢驗機器和天軸的工作是否完好的應用并不矛盾。
本發明對功率的測定的優選過程如下，對應于基準時間點確定兩個軸標記的角位置，這兩個軸標記分別在天軸上的機器旁邊并將機器括定在其兩者之間，并求出這兩個角位置的差角。可以用簡單的方法，例如頻閃觀測法實施對角位置的測量；此方法僅要求付出很小的代價，而且絕不復雜。
對功率的測定優選周期地進行并因此可提供判斷機器和天軸是否工作正常的重要結論。
此外測定角的優選方法是，基本連續地確定角對時間的系數并通過對導數按時間的積分求出角。在如上所述根據軸標記的角位置確定角時，則同樣優選的是，基本連續地確定角位置對時間的導數并通過角位置對時間的導數的差和對時間求積分的組合求出角。是否首先求出對時間的導數的差并接著進行積分，還是首先分別對角位置對時間的導數進行積分并接著根據積分求差，僅僅是個次要問題。
另外優選通過測量由天軸的旋轉給定的相應軸標記的旋轉時間來確定角位置對時間的導數。其中充分利用了下述情況，即當軸在軸標記的旋轉時間內被扭曲時，軸標記的旋轉時間發生變化，因而該變化是天軸扭曲瞬時變化的量度并隨之也是角位置對時間的導數的量度。根據旋轉時間很容易通過與天軸的角速度相乘獲得角度數據。如果周期地重復進行這樣一種測量，就會得出作為結果的瞬時有序的旋轉時間的順序，該順序對由天軸扭曲決定的角位置瞬時變化進行調諧。
原則上并且不受角度具體測定的影響，優選對大量時間連續的求出的角度取平均值并因此實現對測量誤差的一定補償。此點在采用此方法用于監視機械能在一個帶有多臺機器的機組中的制備和提取的分布時尤為重要，這是因為通常在相對較長的時間內進行并且將該時段相對粗線條的分割，尤其分成幾秒鐘長度的周期，這對于保證準連續的監視已足夠了。
就裝置而言，本發明的目的通過采用測定功率的裝置得以解決，機械能以此功率在一臺固定的機器與一沿軸貫穿該機器的、以一角速度圍繞軸旋轉的天軸之間被置換，其中能量在天軸上順軸向流動，其特征在于設置在機器旁的并將該機器括在中間的測定機器上的天軸扭曲角度的測量裝置，以及一個用于求出作為角度與預定校準系數乘積的功率的，與測量裝置通聯的計算裝置。
有關本裝置的說明，請首先參見本發明方法的實施。
測量裝置優選含有設置在天軸上的軸標記以及固定設置在機器旁的并與軸標記聯通的傳感器。
對于軸標記和傳感器有各種各樣的實施方式；其關鍵僅在于，軸標記和傳感器的設計應能在預定時間內用傳感器實現軸標記的位置測定或當軸標記通過傳感器時，傳感器輸出一個信號。作為第一種情況的例子，提出了一種采用顏色記號作為軸標記的并且帶有攝像機的頻閃觀測器作為傳感器的配置，對第二種情況的實施列舉了一種采用設置在天軸上的并隨天軸旋轉的磁鐵和一電感線圈作為傳感器的配置；另一種選擇是將設置在天軸上的突起作為軸標記和一靠近式探測器作為傳感器。有關傳感器與計算裝置的通聯方式在此不再贅述；該通聯應滿足各具體情況的要求。
在裝置中的計算單元的優選設置應使利用其在天軸空轉旋轉時，即無機械能置換時可以測定軸標記的零位置，并接著當天軸在天軸和機器間進行機械能置換情況下旋轉時可以測定出以零位置為基準的相對角位置。該相對測定直接提供了有關天軸扭曲的結論并隨之重現被置換的機械能對天軸狀況的作用。
測量裝置的優選設置位置是設置在機器旁的軸套，裝在軸承上的天軸就設置在該軸套內。該實施的特征在于付出的設備代價非常少并因而特別有利。
此外優選設置計算裝置，該計算裝置用于所求出的功率與預定額定值進行比較并且當功率偏離額定值時輸出一個信號。不言而喻，預定額定值可以是多個額定值中的一個，其中每個值都分別是與某運行狀況相符的額定值。采用此方式尤其可以簡單地對表示機器故障的偏差進行檢定。
在蝸輪機，例如燃氣輪機或蒸汽輪機或發電機組等機器上采用此裝置是特別重要的。
對多臺沿天軸順序設置的機器采用此裝置是特別重要的，其中對每臺機器配備測定天軸扭曲角度的測量裝置并且其中分別為每臺機器和天軸設置確定機械能置換功率的計算裝置。這樣一種裝置將對由多臺機械構成的機組的運行監視作出重大貢獻，這是因為該裝置特別適用于對機械功率的制備和提取在機組上的分布進行監視。用這樣一種裝置可以簡便地判定出具體機器的不能承載的負荷并通過輸出相應的信號實現快速消除。
本裝置另一優選設計是，分別在兩臺機器間僅備有唯一一個測量裝置，該測量裝置被用于測定兩臺機器的功率。
在附圖中示出本發明的實施例。為了特別突出某些特征，附圖中部分采用了圖解方式，部分采用了失真表述方式，附圖中
圖1為機器和天軸并包括有一測定功率的裝置，利用此功率能量在前兩者間置換；圖2為用于說明某些特征的天軸的一部分；圖3為帶有多臺機器以及一個可對每臺機器作出有關機器與天軸間所置換能量的報告的裝置的天軸。
圖1示出一臺在此未詳細加以說明的機器1，天軸6沿軸線5貫穿該機器，其中機器1是固定的并且天軸6以角速度圍繞軸5旋轉，并且其中在機器1和天軸6間進行能量置換。
天軸6被安裝在軸承16內，軸承16分別成對地設置在機器1的左、右兩側并由一所屬的軸承套11或12環圍。在圖中僅示意示出軸承套11和12。
為測定機器1和天軸6之間能量置換功率，在天軸6上設置有兩個軸標記8，其中每個軸標記8都在軸套11或12內并且軸標記8將機器1括在其兩者之間。此外在每個軸套11或12上還安裝有一個固定的傳感器9，傳感器9與相應的軸標記8連通并將一有關軸標記角位置的專門的報告輸送給計算裝置10。
當機器1內部出現機器1與天軸6間的能量置換時，天軸6被扭曲，這勢必導致軸標記8相對于天軸6在靜止或空轉狀態時軸標記8的布置，產生相對位錯。此點體現在天軸8角位置間的專門差的出現，該差由傳感器9通告給計算裝置10。在附圖1中僅示意示出計算裝置10的重要的功能組件，計算裝置10的減法器17求出通告的角位置的差并在一比較器18中將此差與一額定值進行比較，該額定值根據天軸6和機器1可能的工作狀況或者單獨地，或者與其它的額定值一起被存儲在存儲器19內，并把該比較的結果加給信號發送器20，當差值與額定值間有偏差時，信號發送器就會發出一個信號。計算裝置10另外還具有一個時鐘21，利用該時鐘既可以對角位置進行周期反復的測量，又可以當由于工作條件變化出現軸標記8間天軸6的扭曲變化時，對將改變的軸標記的旋轉時間的測量。在此種情況時有關軸標記8、傳感器9、計算裝置10以及它們之間的連接的細節只起著次要的作用；對于軸標記8和傳感器9可以考慮采用多種類型，尤其是計算裝置10可以是一個相應編程計算機。有關的教導請參見各種已有技術，就此本說明書不再贅述。
圖2最清楚地說明了扭曲的概念。圖中示出一段天軸6，設定該天軸逆時針圍繞定向軸5旋轉。還設定，機械能沿軸5給定的方向沿天軸6流動。在所示天軸6段的兩端，在該段上標有作為徑向箭頭的軸標記，機械能由天軸6被傳導到(圖中未示出的)機器1、2、3、4內。這將導致軸6扭曲，此點體現在，前面的軸標記8對應于其(虛線所示的)靜止位置向左扭曲。在靜止位置與實際位置間構成角7，該角是天軸6與機器1、2、3、4間能量置換的量度，在本圖中是天軸6的機械能輸出的量度。該角度7與扭矩成比例，該扭矩作用于天軸6并且該扭矩乘以天軸6旋轉的角速度得出能量置換功率值。原則上講，可以按照所有已知方法進行角度7的測量；由于實現容易，優選測量兩個軸標記8對應于任意固定的參考點的角位置并且接著構成該角位置的差角。有關此點的細節已作了說明，故在此不再贅述。
圖3示出一帶有燃氣輪機1，高壓蒸汽輪機2、低壓蒸汽輪機3和發電機4的機組，所有這四臺機器1、2、3、4設置在一共同的天軸6上。該天軸6是唯一一根連續的構件還是由多根構件共同耦合在一起所構成，并非特別重要。分別在兩臺機器1和2、2和3及3和4之間有唯一一個軸承12、13、14；另外在天軸6的每端與相應的機器1或4之間也設置有一個軸承11或15。每個軸承備有測量裝置8、9，尤其是分別備有一軸標記8和一傳感器9。用這5個加固的軸套11至15對每臺機器1、2、3、4求出機器與天軸6間置換的功率并因此可以得出有關對天軸6的機械能輸入以及由天軸6的機械能輸出在機器1、2、3、4上的分布。采用此方式可以保證每臺機器以對其有利的方式運行，并能可靠地判定可能出現的極限工作狀況。
權利要求
1.一種測定功率的方法，機械能以此功率在一臺固定的機器(1、2、3、4)與一沿定向軸(5)貫穿該機器的、以角速度圍繞軸(5)旋轉的天軸(6)之間進行置換，其中能量在天軸(6)上沿軸(5)向流動，其中對天軸(6)在機器(1、2、3、4)上扭曲的角度(7)進行測定，并根據角(7)與預定的校準系數的乘積求出功率。
2.如權利要求1所述的方法，其中以一個基準時間點為基準測定兩個軸標記(8)的角位置并求出這兩個角位置的差角(7)，所述兩個軸標記位于天軸(6)上的機器旁邊，從而將機器(1、2、3、4)括在其兩者之間。
3.如權利要求2所述的方法可周期性地反復進行。
4.如權利要求3所述的方法，其中基本連續地確定角(7)對時間的導數并通過該導數對時間求積分得出角度(7)。
5.如權利要求3所述的方法，其中基本連續地確定角位置對時間的導數并通過求差和角位置對時間的導數對時間求積分的組合求出角度(7)。
6.如權利要求5所述的方法，其中通過對由天軸旋轉給定的相應軸標記(8)的旋轉時間的測量確定每個角位置對時間的導數。
7.如權利要求3至6中任一項所述的方法，其中對多個時間上順序的測定求出平均角(7)。
8.如上述任一項權利要求所述的方法，其中多臺機器(1、2、3、4)沿天軸(6)設置并對每臺機器(1、2、3、4)和天軸(6)確定功率。
9.一種測定功率的裝置，機械能以此功率在一臺固定機器(1、2、3、4)與一沿定向軸(5)貫穿該機器的、以一角速度圍繞軸(5)旋轉的天軸(6)之間被置換，其中能量在天軸(6)上沿軸(5)向流動，其特征在于在機器(1、2、3、4)旁邊并將機器括在其兩者間地設置有測量裝置(8、9)以及一個與測量裝置(8、9)聯通的計算裝置(10)，該測量裝置用于測定天軸(6)在機器(1、2、3、4)上扭曲的角度(7)，該計算裝置用于求出作為角度(7)與預定的校準系數乘積的功率。
10.如權利要求9所述的裝置，其中測量裝置(8、9)包含有設置在天軸(6)上的軸標記(8)以及固定設置在天軸(6)旁邊并與軸標記(8)聯通的傳感器(9)。
11.如權利要求10所述的裝置，其中設置有計算裝置(10)，該計算裝置用于確定當天軸(6)旋轉，沒有機械能置換時的軸標記(8)的零位置，并用于確定當天軸(6)接著在天軸與機器(1、2、3、4)間進行機械能置換情況下旋轉時，對應于某零位置的相對角位置。
12.如權利要求10或11所述的裝置，其中測量裝置(8、9)分別設置在一位于機器(1、2、3、4)旁邊的軸套(11、12、13、14、15)上，在軸套內天軸(6)被安裝在軸承(16)上。
13.如權利要求9至12中任一項所述的裝置，其中設置有計算裝置(10)，該計算裝置用于將求出的功率與預定的額定值進行比較并用于當功率與額定值有偏差時輸出一個信號。
14.如權利要求9至13中任一項所述的裝置，其中機器(1、2、3、4)是一臺蝸輪機(1、2、3)，尤其是一臺燃氣輪機(1)或一臺蒸汽輪機(2、3)，或一發電機(4)。
15.如權利要求9至14中任一項所述的裝置，其中對多臺沿天軸(6)順序設置的機器(1、2、3、4)設有用于測定天軸(6)在某臺機器(1、2、3、4)上扭曲的角度(7)的測量裝置(8、9)，并對每臺機器(1、2、3、4)和天軸(6)設置有用于測定機械能置換功率的計算裝置(10)。
16.如權利要求15所述的裝置，其中在每兩臺機器(1、2、3、4)間僅備有唯一一個測量裝置。
全文摘要
本發明涉及一種測定功率的方法和裝置,機械能以此功率在一臺固定的機器(1、2、3、4)與一根沿定向軸(5)貫穿該機器的、以一角速度圍繞軸(5)旋轉的天軸(6)間被置換。本方法的特征在于,對天軸(6)在機器(1、2、3、4)上扭曲的角度(7)進行測定,并由角度(7)與預定的校準系數的乘積求出功率。本裝置的特征在于,相應在機器(1、2、3、4)旁邊并將該機器括在其兩者間地設置有用于測定所述角度(7)的測量裝置(8、9)以及一與測量裝置(8、9)聯通的、用于推算功率的計算裝置。本發明特別適用于對帶有多臺設置在一根天軸(6)上的機器(1、2、3、4)的機組,尤其是對蝸輪機組的監視。
文檔編號G01L3/10GK1171841SQ95197125
公開日1998年1月28日 申請日期1995年12月14日 優先權日1994年12月27日
發明者邁因拉德·格洛杰 申請人:西門子公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
