CN116164969A

CN116164969A - 临界转速检测方法、装置和存储介质

Info

Publication number: CN116164969A
Application number: CN202310452938.6A
Authority: CN
Inventors: 徐建伟; 蒋牧龙; 陈泓宇; 何启源; 严继松; 欧阳宁东; 陈比望; 刘坤; 周赞; 李开明
Original assignee: Engineering Construction Management Branch Of China Southern Power Grid Peak Load Regulation And Frequency Modulation Power Generation Co ltd; Dongfang Electric Machinery Co Ltd DEC
Current assignee: Engineering Construction Management Branch Of China Southern Power Grid Peak Load Regulation And Frequency Modulation Power Generation Co ltd; Dongfang Electric Machinery Co Ltd DEC
Priority date: 2023-04-25
Filing date: 2023-04-25
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2043-04-25
Also published as: CN116164969B

Abstract

本申请实施例提供了一种临界转速检测方法、装置和存储介质，所述方法包括：对于每条所述坐标轴，根据所述坐标轴对应的距离传感器所获取的距离值，计算目标时间点上所述坐标轴对应的热运动量；根据同一坐标轴下的所述距离传感器所获取的距离值以及所述热运动量，计算所述转动轴在所述坐标轴方向上的轴心偏移量；基于所述转动轴在每条所述坐标轴方向上的轴心偏移量，计算在所述目标时间点上所述转动轴相对于所述原点的偏移位置。在本申请实施例中，根据速度信息以及偏移位置计算总支撑刚度，并将总支撑刚度代入有限元模型求解临界转速，能够保证临界转速的计算准确性。

Description

临界转速检测方法、装置和存储介质

技术领域

本申请涉及水轮发电机组运行参数检测领域，尤其涉及一种临界转速检测方法、装置和存储介质。

背景技术

对于包括水轮发电机组在内的旋转机械，临界转速是使转子发生强烈振动的转速。如果在临界转速下运行时间过长，会导致机组产生物理形变，从而影响水轮发电机组的正常运行。因此，需要准确测量临界转速，并根据临界转速控制轴的转速，以避免事故的发生。

现有技术中，由于缺乏准确的支撑刚度边界条件，难以精确计算临界转速。

发明内容

本申请实施例提供一种临界转速检测方法、装置和存储介质，用于实现对水轮发电机组运行过程中临界转速的准确检测。

本申请实施例提供一种临界转速检测方法，所述方法包括：

获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

获取所述轴在所述目标采样时刻的偏移位置，并根据所述偏移位置确定第一运动矢量，所述第一运动矢量反映了轴心在所述目标采样时刻相对所述原点的偏移状态；

基于每个所述速度传感器检测的速度信息，计算第二运动矢量，所述第二运动矢量反映了原点在所述目标采样时刻相对地面的偏移状态；

根据所述第一运动矢量与第二运动矢量确定总运动矢量，并根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度；

将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取轴系于所述目标采样时刻的临界转速，所述轴系包括所述轴、所述待测轴承、支撑机架以及支撑混凝土。

本申请实施例还提供一种临界转速检测装置，包括：

轴承合力单元，用于获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

第一矢量单元，用于获取所述轴在所述目标采样时刻的偏移位置，并根据所述偏移位置确定第一运动矢量，所述第一运动矢量反映了轴心在所述目标采样时刻相对所述原点的偏移状态；

第二矢量单元，用于基于每个所述速度传感器检测的速度信息，计算第二运动矢量，所述第二运动矢量反映了原点在所述目标采样时刻相对地面的偏移状态；

支撑刚度单元，用于根据所述第一运动矢量与第二运动矢量确定总运动矢量，并根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度；

临界转速单元，用于将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取轴系于所述目标采样时刻的临界转速，所述轴系包括所述轴、所述待测轴承、支撑机架以及支撑混凝土。

在一些实施例中，所述支撑刚度单元还包括：

矢量夹角子单元，用于确定所述轴承合力与所述总运动矢量的矢量夹角；

计算子单元，用于根据所述轴承合力、所述总运动矢量与所述矢量夹角计算总支撑刚度。

在一些实施例中，待测轴承上有多个轴瓦，所述轴承合力单元还包括：

分力子单元，用于获取所述待测轴承在目标采样时刻轴承上各个轴瓦所承受的作用力；

合力子单元，用于根据所述作用力确定所述待测轴承在所述目标采样时刻所承受的轴承合力。

在一些实施例中，每条所述坐标轴与所述待测轴承的交点处均设置有距离传感器，所述第一矢量单元还包括：

热运动量子单元，用于根据所述距离传感器获取的距离值，计算所述目标采样时刻所述坐标轴对应的热运动量；

偏移量子单元，用于根据同一坐标轴下的所述距离传感器所获取的距离值以及所述热运动量，计算所述轴在所述坐标轴方向上的轴心偏移量；

偏移位置子单元，用于根据所述轴心偏移量获取目标采样时刻轴心相对于所述原点的偏移位置。

在一些实施例中，所述目标采样时刻为目标运动周期包括的多个采样时刻中的任一采样时刻，所述临界转速检测装置还包括：

在一些实施例中，所述待测轴承为所述发电机组包括的多个轴承中的任一轴承，所述临界转速检测装置还包括：

第一判断单元，用于判断所述待测轴承是否为所述发电机组的最后一个轴承；

若否，将下一个轴承作为待测轴承；

跳转到步骤：获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

若是，则根据全部临界转速确定所述发电机组在目标采样时刻的机组临界转速。

第二判断单元，用于判断所述目标采样时刻是否为所述目标运动周期的最后一个采样时刻；

若否，将下一个采样时刻作为目标采样时刻；

若是，则根据全部临界转速确定所述发电机组在目标运动周期的机组临界转速范围。

在一些实施例中，所述临界转速检测装置还包括：

模型确定单元，用于根据所述机组临界转速确定所述轴的运行转速模型；

状态控制单元，用于根据所述运行转速模型控制所述轴的运行状态。

在本申请实施例提供的临界转速检测方法中，通过分析速度信息以及偏移位置，计算总运动矢量以及总支撑刚度，最后代入有限元模型求临界转速的方法，能够准确计算出瞬时的临界转速，以便技术人员根据临界转速控制水轮发电机组的运行状态。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是本申请实施例提供的临界转速检测方法的场景示意图；

图1b是本申请实施例提供的临界转速检测方法的流程示意图；

图2a是本申请实施例中通过公式（1）计算热运动量的示意图；

图2b是本申请实施例中通过公式（2）计算热运动量的示意图；

图3是本申请实施例中速度传感器的设置示意图；

图4是本申请实施例中水轮发电机组轴支撑结构示意图；

图5a是本申请实施例提供的一种具体实施例的场景示意图；

图5b是本申请实施例提供的一种具体实施例的流程示意图；

图6是本申请实施例的临界转速检测装置的示意图；

图7是本申请实施例提供的临界转速检测系统的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，本申请实施例的实施例部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。另外，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或多于两个，“至少一个”是指一个、两个或两个以上。术语“第一”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“上级”仅用于描述目的，不能理解为暗指所描述的对象相对更为重要。在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”“在一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”“包含”“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先介绍理解本申请相关名词的基本概念：

水轮发电机组：水轮发电机按布置方式不同分为立式与卧式。对于较小型水轮机，转速较高，特别是冲击式水轮机，多采用卧轴发电机。大型水轮机的转速都比较低，为了能发出50Hz的交流电，水轮发电机采用多对磁极结构，对于每分钟120转的水轮发电机，转子为25对磁极。三峡电站某700MW水轮发电机的转子转速为75r/min（每分钟75转)，使用40对磁极。由于磁极很多，体积庞大，故采用立轴结构。本申请中的水轮发电机组主要考虑立轴结构。

导轴承：在本申请中，由于水轮发电机是重型设备，在运动时轴承负载很大，通常采用负载能力强的滑动轴承，大型水轮发电机组中多用浸油式滑动轴承。导轴承主要承受转子机械不平衡力和由于转子偏心所引起的单边磁拉力，其主要作用是防止轴的摆动。导轴承由轴瓦、支柱螺栓、轴承座等主要部件组成。在水轮发电机组运行过程中，轴是运动部分，其他是静止部分。轴瓦是与轴接触的部分，通过支撑螺栓固定在轴承座上，轴瓦与轴之间设置有间隙，间隙中通常填充润滑油，轴瓦是运动过程中轴产生力的直接受力部分。

刚度：材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。刚度越大，表示该材料抗形变能力越强。

临界转速：在一个转动系统中，转子各微段的质心不可能严格处于回转轴上，因此，当转子转动时，会出现横向干扰，在某些转速下还会引起系统强烈振动，出现这种情况时的转速就是临界转速。为保证系统正常工作或避免系统因振动而损坏，转动系统的转子工作转速应尽可能避开临界转速，若无法避开，则应采取特殊防振措施。

有限元法：有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法(FEM，Finite ElementMethod)。是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。

本申请实施例提供临界转速检测方法、装置和存储介质。

其中，该临界转速检测方法可以集成在电子设备中，该电子设备可以为终端设备或者主控面板。

在一些实施例中，所述终端可以为独立的设备，例如手机、平板电脑、智能蓝牙设备、笔记本电脑，或者个人电脑（Personal Computer，PC）等设备，所述设备可以同时作为存储器与处理器。其中，所述设备作为存储器用于存储指令，所述设备同时作为处理器从所述存储器中加载指令，以执行本申请的临界转速检测方法；所述设备与具有检测功能的临界转速检测设备连接，通过将所述指令传输给临界转速检测设备以便其解析所述指令并执行相应的检测动作。

在一些实施例中，所述终端可以为主控面板，所述主控面板用于实现人机交互，所述主控面板与具有临界转速检测功能的临界转速检测设备连接。所述主控面板可以包括微处理器、控件以及显示屏等，所述控件用于响应于用户的操作生成相关的操作指令，以便所述临界转速检测设备根据所述操作指令执行相应的动作，例如，启动/关闭所述临界转速检测设备；所述显示屏用于显示所述临界转速检测设备工作时产生的各种参数；所述微处理器可以存储本申请的临界转速检测方法，并生成相应的临界转速检测指令，以便所述临界转速检测设备解析所述指令并执行相应的检测动作，此外，可以接收、分析所述临界转速检测设备工作时获取的数据，并将结果传输到所述显示屏。

在一些实施例中，该临界转速检测方法还可以集成在多个电子设备中，比如，临界转速检测方法可以集成在多个终端中，由多个终端共同实现本申请的临界转速检测方法，其中各个终端可以实现所述临界转速检测方法不同的功能。

以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的序号不作为对实施例优选顺序的限定。

实施例1

参考图1a，示出了本实施例中临界转速检测方法的应用场景示意图。如图1a所示，本实施例可以包括临界转速检测设备100，所述临界转速检测设备100包括轴110、轴承120、距离传感器组130、力传感器组140、速度传感器组150以及处理器160。

具体地，在实施本申请的临界转速检测方法时，所述轴110与配套的轴承120转动连接；以所述轴承120的径向切面的圆心为原点建立直角坐标系，所述直角坐标系包括两条坐标轴，每条所述坐标轴与所述轴承120的交点均设置有距离传感器，四个距离传感器共同组成距离传感器组140；每条坐标轴与轴承120的重合位置设置有一个速度传感器，两条坐标轴对应的两个速度传感器共同组成速度传感器组150；在轴承的各个轴瓦上的力传感器共同组成力传感器组130；力传感器组130、距离传感器组140以及速度传感器组150将测得的数据发送给处理器160进行分析处理，生成相应的临界转速检测结果。

本实施例中，将从处理器的角度进行描述，该处理器可以集成在临界转速检测设备中，在收集到力传感器组、距离传感器组以及速度传感器组传输的数据后，首先获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；然后，获取所述轴在所述目标采样时刻的偏移位置，并根据所述偏移位置确定第一运动矢量，所述第一运动矢量反映了轴心在所述目标采样时刻相对所述原点的偏移状态；进一步，基于每个所述速度传感器检测的速度信息，计算第二运动矢量，所述第二运动矢量反映了原点在所述目标采样时刻相对地面的偏移状态；再根据所述第一运动矢量与第二运动矢量确定总运动矢量，并根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度；最后将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取所述轴系于所述目标采样时刻的临界转速。

如图1b所示，本实施例中临界转速检测方法应用于发电机组，所述发电机组包括待测轴承，所述临界转速检测方法的流程可以包括步骤S110 ~S150，其中，所述待测轴承与配套的轴转动连接，以所述待测轴承的径向切面的圆心为原点建立直角坐标系，所述直角坐标系包括两条坐标轴，每条所述坐标轴上各设置有一个速度传感器：

S110、获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力。

目标采样时刻为安装在所述待测轴承上的传感器进行数据检测的时刻，通常为一个具体的时间点；由于传感器需要一定的时间来完成数据的检测，该目标采样时刻可以为传感器开始检测的时间点，也可以是传感器完成检测的时间点，通常来说，两个时间点非常接近，选择任意一个作为目标采样时刻对后续的运算不会产生显著影响。在一些实施例中，需要获取多个采样时刻的数据时，可以按照同一标准确定目标采样时刻，例如，都选择开始检测的时间点作为目标采样时刻。

在水轮发电机组运行过程中，轴承为了限制轴的偏移，会主要承受转子机械不平衡力和由于转子偏心所引起的单边磁拉力，本申请将转子对轴承施加的各种力合成为轴承合力。

在一些实施例中，所述待测轴承上有多个轴瓦，所述获取所述待测轴承在所述目标采样时刻所承受的轴承合力，包括以下计算步骤S111~S112：

S111、获取所述待测轴承在目标采样时刻轴承上各个轴瓦所承受的作用力；

通常来说，可以在轴承的各个轴瓦上安装力传感器来测量目标运动周期中所述轴承上各个轴瓦所承受的作用力；所述力传感器可以是压力传感器，压力传感器将水轮发电机组运动中轴瓦所受到的力信号转化为数字信号，输出给处理器；在一些实施例中，所述力传感器可以设置在轴瓦与轴承座的连接处，以便更为精准地测量力信号。

S112、根据所述作用力确定所述待测轴承在所述目标采样时刻所承受的轴承合力。

在水轮发电机组运行过程中，轴会对轴承产生作用力，产生的作用力主要是通过轴承上的各个轴瓦来接收的。实际上，在某一个运行时刻，由于轴承内部填充有冷却油，在运动中轴瓦与轴之间会产生一个油膜，可将轴瓦以及油膜视为连接轴承以及轴的预紧弹簧，由此产生的力

，即轴对轴瓦的作用力，其中i的值为1到n之间的任一值，n为轴承上轴瓦的总数量。将每块轴瓦所承受的作用力投影到建立的直角坐标系上，可以获得/>

在X轴方向上的分力/>

以及在Y轴上的分力/>

，将X轴上的所有分力累加可以得到轴承合力F在X轴方向上的分力/>

，以及将Y轴上的所有分力累加可以得到在Y轴方向上的分力/>

，将/>

与/>

合成即可得到轴承合力F，F表示在当前时刻轴对轴承的总作用力。例如，在某实施例中轴承上一共有16个轴瓦，通过将/>

~/>

投影到坐标轴上，将投影得到的分力求和可以得到/>

与

，进一步将/>

与/>

进行合成得到目标采样时刻的轴承合力F。

S120、获取所述轴在所述目标采样时刻的偏移位置，并根据所述偏移位置确定第一运动矢量，所述第一运动矢量反映了轴心在所述目标采样时刻相对所述原点的偏移状态。

当水轮发电机组运行时，除了轴因各种力的作用发生微小偏移以外，由于温度带来的形变作用，轴与轴承之间的间距也会发生相应的变化，从而导致轴心在运行过程中相对于由轴承纵切面的圆心定义的原点会发生偏移。本申请将轴在目标采样时刻由于各种要素产生的偏移进行合成，从而确定该目标采样时刻的偏移位置。

在一些实施例中，每条所述坐标轴与所述待测轴承的交点处均设置有距离传感器，所述获取所述轴在所述目标采样时刻的偏移位置，包括以下偏移位置计算步骤S121~S123：

S121、根据所述距离传感器获取的距离值，计算所述目标采样时刻所述坐标轴对应的热运动量；

其中，所述距离传感器可以是光学距离传感器、超声波距离传感器等类型，用于即时获取距离传感器感应探口到轴之间的距离值。距离传感器通常以一定的采样频率进行数据获取，距离传感器的采样频率可以根据目标运动周期的采样时刻进行设置。

热运动量用于反映在目标时间点的温度作用下所述轴与所述轴承座的相对直径变化，具体的，如图2a所示，轴位于轴承座中间，在静止状态下轴径切面的轴心与轴承座径切面的圆心重合，轴承座的内圈与轴心之间具有一定的间隙，图像仅用于展示轴与轴承座的相关位置关系，不代表真实的比例，实际的间隙大小与轴直径的比例要远小于图中所示的比例；轴承座本体可以视为一个圆环柱，相应的轴承座的径切面可以视为一个圆环；轴的几何结构可以视为一个圆柱，相应的轴的径切面可以视为一个圆；上述圆环的内径要大于圆的直径，以预留足够的空间以供轴进行转动；

用于表示在目标时间点上所述圆环的内径，当t为0时，/>

用于表示初始状态下圆环的内径；/>

用于表示在目标时间点上所述圆的直径，当t为0时，即/>

用于表示初始状态下圆的直径。从而，热运动量定义为t时刻轴承座内径的变化量减去轴直径的变化量，即下列公式(1)：

=[/>

-/>

]-[/>

-/>

](1)

而在实际的水轮发电机组运行中，轴与其相应的轴承座所组成的轴系的结构、轴直径以及轴承座的直径相对于温度造成的变化量量级差距较大、温度造成的形变可能不均匀等原因，难以按照公式(1)通过直接的方法计算所述热运动量。因此，本申请采取了以所述轴承座的径向切面的圆心为原点建立直角坐标系，所述直角坐标系包括两条坐标轴，每条所述坐标轴与所述轴承座的交点均设置有距离传感器，根据距离传感器测得的距离值的方法间接计算热运动量。具体地，如图2b所示，在直角坐标系的X轴与圆环内圈相交的位置上安装有两个距离传感器，可以记为距离传感器1与距离传感器2；在目标时间点上，将距离传感器1测得的距离值记为

，将距离传感器2测得的距离值记为/>

，通过上述距离值即可间接得到目标时间点上X轴方向的热运动量，y轴的热运动量可以相应地获取。

在一些实施例中，所述距离值包括初始距离以及目标时间点运动距离，其中，初始距离是在机组刚完成安装时进行检测获得的距离值；在一些实施例中，所述初始距离也可以是水电机组完成整修，对转动轴进行复位处理后进行检测获得的距离值；上述两种检测时间点均在机组开始运行之前，不受机组运行后产生的温度变化、受力变化等要素的干扰。

对于图2b中位于X轴方向的两个传感器而言，测量得到的初始距离可以分别记为

与/>

；目标时间点运动距离为目标时间点上两个传感器分别测得的距离值，可以分别记为/>

与/>

，这里的t不等于0。热运动量通过下列公式(2)计算：

=[/>

]-[/>

](2)

S122、根据同一坐标轴下的所述距离传感器所获取的距离值以及所述热运动量，计算所述轴在所述坐标轴方向上的轴心偏移量；

其中，所述轴心偏移量的绝对值为目标时间点上所述轴的轴心在直角坐标系中对所述坐标轴方向的投影距离，所述轴心偏移量可以有正负号，所述正负号用于表示轴心在所述坐标轴的投影位置位于正轴或者负轴上。

具体的，由于基准距离传感器为所述坐标轴对应的距离传感器中的任一个传感器，在本实施例中将距离传感器1设置为基准距离传感器，可以按照下列公式(3)计算得到目标时间点上轴心在X轴上的偏移量：

-/>

-/>

(3)

计算得到的轴心在X轴上的偏移量

可以有正负号，当符号为正时，表示轴心在X轴的投影位置位于X轴的正轴上，而符号为负时，表示轴心在X轴的投影位置位于X轴的负轴上。可以理解，在计算偏移量的公式(3)中可以将传感器2设置为基准距离传感器，此时X轴上的偏移量的计算公式为

-/>

-/>

此时，当偏移量的符号为正时，表示轴心在X轴的投影位置位于X轴的负轴上，而符号为负时，表示轴心在X轴的投影位置位于X轴的正轴上。基准距离传感器的选取由技术人员的意愿确定，不应理解为是对本申请的限制。Y轴的轴心偏移量可以根据Y轴上距离传感器测得的距离值，以及Y轴方向上的热运动量以同样的公式计算得到，在此不再赘述。

S123、根据所述轴心偏移量获取目标采样时刻轴心相对于所述原点的偏移位置。

具体的，例如在某一采样时刻上，以X轴负轴位置的距离传感器为基准距离传感器，计算获得的

为负值；以Y轴负轴位置的距离传感器为基准距离传感器，计算获得的轴心在Y轴上的偏移量/>

同样为负值；可以确定在目标时间点上所述轴相对于所述原点的偏移位置位于直角坐标系的第三象限，坐标为（/>

）。得到偏移位置后，在坐标轴上以原点为起点、偏移位置为重点建立矢量，所述矢量记为第一运动矢量，所述第一运动矢量反映了轴心在所述目标采样时刻相对所述原点的偏移状态。

S130、基于每个所述速度传感器检测的速度信息，计算第二运动矢量，所述第二运动矢量反映了原点在所述目标采样时刻相对地面的偏移状态。

其中，所述速度传感器可以为线速度传感器，通常具有频率响应好、输出灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强等优点；可以在建立的直角坐标系的两条坐标轴上各设置一个速度传感器，为了便于安装，优选地，如图3所示，可以将速度传感器设置在轴承座上；两个速度传感器以地面上的不动点作为参考系，所述不动点可以与静止状态下的原点、轴心位于一条空间直线上；检测得到的速度信息可以即时反映出轴承在两个坐标轴方向上相对于地面的运动速度，通过对两个方向上的运动速度进行时间积分后进行矢量合成，可以得到第二运动矢量，所述第二运动矢量反映了原点，即待测轴承位置上轴承径切面圆心在所述目标采样时刻相对地面的偏移状态。

S140、根据所述第一运动矢量与第二运动矢量确定总运动矢量，并根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度。

由于所述第一运动矢量反映了轴心在所述目标采样时刻相对所述原点的偏移状态，第二运动矢量反映原点在所述目标采样时刻相对地面的偏移状态，将两个运动矢量进行矢量合成得到的总运动矢量反映轴心相对于地面的偏移状态。

水轮发电机组轴支撑结构如图4所示，机架的一端连接在混凝土柱上，另一端连接轴承，水电机机组运行时，轴与轴承之间形成油膜，通过油膜为轴提供其稳定运转所需要的力，同样，这部分力通过轴承传递到机架，再传递到与机架连接的混凝土上。从图4中可看出，总支撑刚度主要由两部分组成，第一，轴承刚度，反映了在水轮发电机组运动中轴承抵抗形变的能力；第二，外结构刚度，反映在水轮发电机组运动中机架与混凝土抵抗形变的能力，包括支撑机架刚度以及支撑混凝土刚度。轴承刚度与外结构刚度二者的串联构成的刚度记为总支撑刚度，反映了整个水轮发电机组在运动中抵抗形变的能力。

在一些实施例中，根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度可以包括以下步骤S141~S142：

S141、确定所述轴承合力与所述总运动矢量的矢量夹角；

S142、根据所述轴承合力、所述总运动矢量与所述矢量夹角计算总支撑刚度。

S150、将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取轴系于所述目标采样时刻的临界转速，所述轴系包括所述轴、所述待测轴承、支撑机架以及支撑混凝土。

其中，所述有限元模型为运用有限元分析方法时候建立的模型，是一组仅在节点处连接、仅靠节点传力、仅在节点处受约束的单元组合体。通常来说，建立有限元模型的步骤包括以下几个方面：(1) 定义问题的几何区域：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域；(2) 定义单元类型；(3) 定义单元的材料属性；(4) 定义单元的几何属性，如长度、面积等；(5) 定义单元的连通性；(6) 定义单元的基函数；(7) 定义边界条件；(8)定义载荷。对于水轮发电机组而言，当发电机组整体的设计完成后，机组结构、材料属性、转子的质量分布、机架安装方式等属性是确定的，从而完成了有限元模型建立过程中：几何区域、材料属性、几何属性、连通性、基函数以及载荷的设置；对于水轮发电机组来说，单元类型可以是梁单元；进而可以将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，完成整个有限元模型的构建。对建立好的有限元模型进行求解以及后处理，可以得到轴系于所述目标采样时刻的临界转速，所述轴系包括所述轴、所述待测轴承，支撑机架以及支撑混凝土，当运行速度达到该临界转速时，会影响该轴系的运行稳定。

在一些实施例中，所述待测轴承为所述发电机组包括的多个轴承中的任一轴承，其中的每个轴承可以与轴、支撑机架以及支撑混凝土构成前文所述的轴系，进而所述方法可以包括以轴承序号为计数单位的轴承循环过程，用以获取所述发电机组在目标采样时刻上在所有的轴承位置上的临界转速，执行轴承循环的判断条件可以放在步骤S150之后，具体为下列步骤A1~A3：

A1、判断所述待测轴承是否为所述发电机组的最后一个轴承；

A2、若否，将下一个轴承作为待测轴承；

A3、若是，则根据全部临界转速确定所述发电机组在目标采样时刻的机组临界转速。

通常情况下，水轮发电机组设置有安装在同一轴上不同位置的多个轴承，根据发电机组的大小、安装场所等因素，轴承的数量可以是2~3个。需要检测发电机组在所有轴承位置的临界转速以保证整个机组正常运行。

在本发明实施例中，可以通过并联电路使安装在不同轴承上的传感器同时进行检测，后续返回数据时可以按照轴承在轴上的位置顺序依次返回，例如，由于水轮发电机组为立式结构，所述位置顺序可以是从上到下。其中，判断所述待测轴承是否为所述发电机组的最后一个轴承的方法可以是：设置一个虚拟计数器，每次传感器返回数据时，该虚拟计数器的值加一，当虚拟计数器的值达到水轮发电机组中的轴承总数时，即可判断所述待测轴承为所述发电机组的最后一个轴承。

水轮发电机组在目标采样时刻的机组临界转速可以设置为所有轴承在目标采样时刻的临界转速的最小值；也可以设置为一个数列，包括了所有轴承在目标采样时刻的临界转速。

在一些实施例中，所述目标采样时刻为目标运动周期包括的多个采样时刻中的任一采样时刻，进而所述方法可以包括以采样时刻为计数单位的采样循环过程，用以获取所述轴在整个目标运动周期的所有采样时刻上在待测轴承位置的临界转速，执行采样循环的判断条件可以放在步骤S150之后，具体为下列步骤B1~B3：

B1、判断所述目标采样时刻是否为所述目标运动周期的最后一个采样时刻；

B2、若否，将下一个采样时刻作为目标采样时刻；

B3、若是，则根据全部临界转速确定所述发电机组在所述待测轴承的临界转速范围。

其中，判断目标采样时刻是否为所述目标运动周期的最后一个采样时刻的方法可以是：设置一个虚拟计数器，每次传感器进行检测时，该虚拟计数器的值加一，当虚拟计数器的值达到目标运动周期中的采样时刻总数时，即可判断所述目标采样时刻为所述目标运动周期的最后一个采样时刻。

所述临界转速范围可以是一个区间，包括轴在一个目标运动周期内在待测轴承位置的临界转速最大值以及最小值；也可以是一个矩阵，矩阵的元素反映了轴在各个采样时刻的临界转速具体值。

可以理解，在一些实施例中，本方法可以同时包括前文的两个循环过程，例如，在一个目标采样时刻检测各个轴承位置上的临界转速后，检测轴在下一个采样时刻于各个轴承位置的临界转速，直到完成目标运动周期中所有采样时刻的检测，执行循环的判断条件可以放在完成一次轴承循环的步骤B3之后，具体为下列步骤C1~C3：

C1、判断所述目标采样时刻是否为所述目标运动周期的最后一个采样时刻；

C2、若否，将下一个采样时刻作为目标采样时刻；

C3、若是，则根据全部临界转速确定所述发电机组在目标运动周期的机组临界转速范围。

根据前文有关临界转速范围以及目标采样时刻的机组临界转速，可以理解，所述轴在目标运动周期的机组临界转速范围同样可以有多种数据形式，例如，轴在目标运动周期的机组临界转速范围可以是一个区间，区间的最大/最小值分别为轴在目标运动周期内所有轴承位置上最大/最小的临界转速值；可以是矩阵，矩阵的行表示轴承数量，列表示采样时刻，矩阵的元素用以表示在列对应的采样时刻行对应的轴承位置的临界转速。所述轴在目标运动周期的机组临界转速范围的数据形式由技术人员的意愿确定，不应理解为是对本发明的限制。

在一些实施例中，所述根据全部临界转速确定所述发电机组在目标运动周期的机组临界转速范围之后，所述方法还可以包括以下自动调整所述水轮发电机组运行状态的步骤：

根据所述机组临界转速确定所述轴的运行转速模型；

根据所述运行转速模型控制所述轴的运行状态。

根据轴在目标运动周期的机组临界转速范围可以确定轴稳定运行的转速范围，并根据所述转速范围确定轴的运行转速模型，可以根据该模型实时调整轴的转速，保证水轮发电机组始终处于正常的运行状态。

在本申请实施例中，通过距离传感器、力传感器以及速度传感器进行数据检测，根据检测的数据计算总支撑刚度，并将总支撑刚度代入有限元模型的方法，能够在水轮发电机组运动的条件下，准确计算得到临界转速范围，为技术人员控制水轮发电机组正常运行提供精确的数据参考。

实施例2

参考图5a，示出了本实施例中轴承刚度检测方法的一种具体实施例的应用场景示意图。如图5a所示，本实施例应用于水轮发电机组500，所述水轮发电机组500包括处理器510、所述处理器至少连接一个距离传感器组520、一个力传感器组530以及一个速度传感器组540，所述距离传感器组520设置于轴承550上，用于获取所述水轮发电机组运行时的距离值。以所述轴承550的径向切面的圆心为原点建立直角坐标系，所述直角坐标系包括两条坐标轴，每条所述坐标轴与所述轴承550的交点均设置有距离传感器，所有距离传感器共同构成了距离传感器组520；每条坐标轴与轴承重合的位置设置有一个速度传感器，所有速度传感器共同构成了速度传感器组540。轴承550上有多个轴瓦，每个轴瓦上都安装有一个力传感器，所有力传感器共同构成了力传感器组530。

处理器510：控制所述距离传感器组520、力传感器组530、速度传感器组540开始数据采集；获取并解析由力传感器组530传输的力信号，所述轴承上各个轴瓦所承受的作用力；根据所述作用力获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；获取由距离传感器组520传输的距离值；根据所述距离值计算所述目标采样时刻所述坐标轴对应的热运动量；根据所述距离值以及所述热运动量计算所述轴的轴心偏移量；根据所述轴心偏移量获取目标采样时刻轴心相对于所述原点的偏移位置；根据所述偏移位置确定第一运动矢量；获取并解析由速度传感器组540传输的速度信息，计算第二运动矢量；根据所述第一运动矢量与第二运动矢量确定总运动矢量；根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度；将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取轴系于所述目标采样时刻的临界转速。

距离传感器组520：响应于处理器510的指令进行数据采集；将检测到的距离值传输给处理器510。

力传感器组530：响应于处理器510的指令进行数据采集；将检测到的力信号传输给处理器510。

速度传感器组540：响应于处理器510的指令进行数据采集；将检测到的速度信号传输给处理器510。

本实施例中，将从临界转速检测装置的角度进行描述。

如图5b所示，本实施例中临界转速检测方法的实施主体为处理器，所述临界转速检测方法的流程如下步骤S501~S509：

S501、控制所述距离传感器组、力传感器组以及速度传感器组开始数据采集；

S502、获取并解析由力传感器组传输的力信号，得到所述轴承上各个轴瓦所承受的作用力；

S503、根据所述作用力获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

S504、获取由距离传感器组传输的距离值；

S505、根据所述距离值计算所述目标采样时刻所述坐标轴对应的热运动量；

S506、根据所述距离值以及所述热运动量计算所述轴的轴心偏移量；

S507、根据所述轴心偏移量获取目标采样时刻轴心相对于所述原点的偏移位置；

S508、根据所述偏移位置确定第一运动矢量；

S509、获取并解析由速度传感器组传输的速度信息，计算第二运动矢量；

S510、根据所述第一运动矢量与第二运动矢量确定总运动矢量；

S511、根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度；

S512、将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取轴系于所述目标采样时刻的临界转速。

本实施例的临界转速检测方法中包括的步骤基本与实施例1中的步骤的具体执行方式一致，在此不再赘述。

由上可知，在本申请实施例中，通过距离传感器、力传感器以及速度传感器进行数据检测，根据检测的数据计算总支撑刚度，并将总支撑刚度代入有限元模型的方法，能够在水轮发电机组运动的条件下，准确计算得到机组各个轴承位置的临界转速范围，为技术人员控制水轮发电机组正常运行提供精确的数据参考。

为了更好地实施以上方法，本申请实施例提供了一种临界转速检测装置，该临界转速检测装置具体可以集成在电子设备中，该电子设备可以为终端、服务器等设备，所述电子设备与临界转速检测设备连接，通过指令控制所述临界转速检测设备执行预设的检测动作。在一些实施例中，所述终端可以为独立的设备，例如手机、平板电脑、智能蓝牙设备、笔记本电脑，或者个人电脑（Personal Computer，PC）等设备，所述设备可以同时作为存储器与处理器。其中，所述设备作为存储器用于存储指令，所述设备同时作为处理器从所述存储器中加载指令，以执行本申请的临界转速检测方法；所述设备与具有临界转速检测功能的临界转速检测设备连接，通过将所述指令传输给临界转速检测设备以便其解析所述指令并执行相应的检测动作。

在一些实施例中，所述终端可以为主控面板，所述主控面板用于实现人机交互，所述主控面板与具有临界转速检测功能的临界转速检测设备连接。所述主控面板可以包括微处理器以及多个控件、显示屏等，所述控件用于响应于用户的操作生成相关的操作指令，以便所述临界转速检测设备根据所述操作指令执行相应的动作；所述显示屏用于显示所述临界转速检测设备工作时产生的各种参数；所述微处理器可以存储本申请的临界转速检测方法，并生成相应的临界转速检测指令，以便所述临界转速检测设备解析所述指令并执行相应的检测动作。

比如，在本实施例中，将从临界转速检测装置的角度进行描述，以该临界转速检测装置具体集成在临界转速检测设备中为例，对本申请实施例的方法进行详细说明。

例如，如图6所示，该临界转速检测装置600可以包括轴承合力单元610、第一矢量单元620、第二矢量单元630、支撑刚度单元640以及临界转速单元650。

轴承合力单元610，用于获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

第一矢量单元620，用于获取所述轴在所述目标采样时刻的偏移位置，并根据所述偏移位置确定第一运动矢量，所述第一运动矢量反映了轴心在所述目标采样时刻相对所述原点的偏移状态；

第二矢量单元630，用于基于每个所述速度传感器检测的速度信息，计算第二运动矢量，所述第二运动矢量反映了原点在所述目标采样时刻相对地面的偏移状态；

支撑刚度单元640，用于根据所述第一运动矢量与第二运动矢量确定总运动矢量，并根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度；

临界转速单元650，用于将将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取轴系于所述目标采样时刻的临界转速，所述轴系包括所述轴、所述待测轴承、支撑机架以及支撑混凝土。

在一些实施例中，所述支撑刚度单元还包括：

若否，将下一个轴承作为待测轴承；

若否，将下一个采样时刻作为目标采样时刻；

在一些实施例中，所述临界转速检测装置还包括：

具体实施时，以上各个单元可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元的具体实施可参见前面的方法实施例，在此不再赘述。

由上可知，本申请提供的临界转速检测装置，通过距离传感器、力传感器以及速度传感器进行数据检测，根据检测的数据计算总支撑刚度，并将总支撑刚度代入有限元模型的方法，能够在水轮发电机组运动的条件下，准确计算得到临界转速范围，为技术人员控制水轮发电机组正常运行提供精确的数据参考。

本申请实施例还提供一种临界转速检测系统，该临界转速检测系统可以为终端、服务器等设备。

比如，终端可以是手机、平板电脑、智能蓝牙设备、笔记本电脑、个人电脑等设备；服务器可以是单一服务器，也可以是由多个服务器组成的服务器集群。

在本实施例中，将以本实施例的临界转速检测系统是服务器为例进行详细描述，比如，如图7所示，其示出了本申请实施例所涉及的服务器的结构示意图，具体来讲：

该临界转速检测系统可以包括一个或者一个以上处理核心的处理器701、一个或一个以上计算机可读存储介质的存储器702、电源703、输入模块704以及通信模块705等部件。本领域技术人员可以理解，图7中示出的临界转速检测系统结构并不构成对临界转速检测系统的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。其中：

处理器701是该临界转速检测系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个临界转速检测系统的各个部分，通过运行或执行存储在存储器702内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器702内的数据，执行临界转速检测系统的各种功能和处理数据，从而对临界转速检测系统进行整体监控。在一些实施例中，处理器701可包括一个或多个处理核心；在一些实施例中，处理器701可集成应用处理器和调制解调处理器，其中，应用处理器主要处理操作系统、用户页面和应用程序等，调制解调处理器主要处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调处理器也可以不集成到处理器701中。

存储器702可用于存储软件程序以及模块，处理器701通过运行存储在存储器702的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器702可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据临界转速检测系统的使用所创建的数据等。此外，存储器702可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件，或其他易失性固态存储器件。相应地，存储器702还可以包括存储器控制器，以提供处理器701对存储器702的访问。

临界转速检测系统还包括给各个部件供电的电源703，在一些实施例中，电源703可以通过电源管理系统与处理器701逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电，以及功耗管理等功能。电源703还可以包括一个或一个以上的直流或交流电源、再充电系统、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态指示器等任意组件。

该临界转速检测系统还可包括输入模块704，该输入模块704可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户设置以及功能控制有关的键盘、鼠标、操作杆、光学或者轨迹球信号输入。

该临界转速检测系统还可包括通信模块705，在一些实施例中通信模块705可以包括无线模块，临界转速检测系统可以通过该通信模块705的无线模块进行短距离无线传输，从而为用户提供了无线的宽带互联网访问。比如，该通信模块705可以用于帮助用户收发电子邮件、浏览网页和访问流式媒体等。

尽管未示出，临界转速检测系统还可以包括显示单元等，在此不再赘述。具体在本实施例中，临界转速检测系统中的处理器701会按照如下的指令，将一个或一个以上的应用程序的进程对应的可执行文件加载到存储器702中，并由处理器701来运行存储在存储器702中的应用程序，从而实现各种功能，如下：

获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

将总支撑刚度作为边界条件输入到有限元模型中，获取所述轴系于所述目标采样时刻的临界转速，所述轴系为所述轴、所述待测轴承、支撑机架以及支撑混凝土组成的系统。

以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。

由上可知，在本申请实施例提供的临界转速检测系统中，可以通过距离传感器、力传感器以及速度传感器进行数据检测，根据检测的数据计算总支撑刚度，并将总支撑刚度代入有限元模型的方法，能够在水轮发电机组运动的条件下，准确计算得到临界转速范围，为技术人员控制水轮发电机组正常运行提供精确的数据参考。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请实施例所提供的任一种临界转速检测方法中的步骤。例如，该指令可以执行如下步骤：

获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

由于该存储介质中所存储的指令，可以执行本申请实施例所提供的任一种临界转速检测方法中的步骤，因此，可以实现本申请实施例所提供的任一种临界转速检测方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。

以上对本申请实施例所提供的一种临界转速检测方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims

1.一种临界转速检测方法，应用于发电机组，所述发电机组包括待测轴承，其特征在于，所述待测轴承与配套的轴转动连接，以所述待测轴承的径向切面的圆心为原点建立直角坐标系，所述直角坐标系包括两条坐标轴，每条所述坐标轴上各设置有一个速度传感器；

所述方法包括：

获取所述待测轴承在目标采样时刻所承受的轴承合力；

2.如权利要求1所述一种临界转速检测方法，其特征在于，所述根据所述总运动矢量以及所述轴承合力计算总支撑刚度，包括：

确定所述轴承合力与所述总运动矢量的矢量夹角；

根据所述轴承合力、所述总运动矢量与所述矢量夹角计算总支撑刚度。

3.如权利要求1所述一种临界转速检测方法，其特征在于，待测轴承上有多个轴瓦，所述获取所述待测轴承在所述目标采样时刻所承受的轴承合力，包括：

获取所述待测轴承在目标采样时刻轴承上各个轴瓦所承受的作用力；

根据所述作用力确定所述待测轴承在所述目标采样时刻所承受的轴承合力。

4.如权利要求1所述一种临界转速检测方法，其特征在于，每条所述坐标轴与所述待测轴承的交点处均设置有距离传感器，所述获取所述轴在所述目标采样时刻的偏移位置，包括：

根据所述距离传感器获取的距离值，计算所述目标采样时刻所述坐标轴对应的热运动量；

根据同一坐标轴下的所述距离传感器所获取的距离值以及所述热运动量，计算所述轴在所述坐标轴方向上的轴心偏移量；

根据所述轴心偏移量获取目标采样时刻轴心相对于所述原点的偏移位置。

5.如权利要求1所述的一种临界转速检测方法，其特征在于，所述待测轴承为所述发电机组包括的多个轴承中的任一轴承，

所述获取轴系于所述目标采样时刻的临界转速之后，所述方法包括：

判断所述待测轴承是否为所述发电机组的最后一个轴承；

若否，将下一个轴承作为待测轴承；

6.如权利要求5所述的一种临界转速检测方法，其特征在于，所述目标采样时刻为目标运动周期包括的多个采样时刻中的任一采样时刻，

所述根据全部临界转速范围确定所述发电机组在目标采样时刻的机组临界转速之后，所述方法包括：

判断所述目标采样时刻是否为所述目标运动周期的最后一个采样时刻；

若否，将下一个采样时刻作为目标采样时刻；

7.如权利要求6所述的一种临界转速检测方法，其特征在于，所述根据全部临界转速确定所述发电机组在目标运动周期的机组临界转速范围之后，包括：

根据所述机组临界转速确定所述轴的运行转速模型；

根据所述运行转速模型控制所述轴的运行状态。

8.一种临界转速检测装置，应用于发电机组，所述发电机组包括待测轴承，其特征在于，所述待测轴承与配套的轴转动连接，以所述待测轴承的径向切面的圆心为原点建立直角坐标系，所述直角坐标系包括两条坐标轴，每条所述坐标轴上各设置有一个速度传感器；所述临界转速检测装置包括：

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求1~7任一项所述的临界转速检测方法。

10.一种临界转速检测系统，其特征在于，包括：至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1~7任一项所述的临界转速检测方法。