汽輪機實驗參考書

汽輪機原理實 驗 指 導(dǎo) 書 戈志華 魏楠 編華北電力大學(xué)二00六 年 十一月 前 言1 實驗總體目標(biāo)本課程實驗是為熱能動力工程專業(yè)必修課汽輪機原理配套開設(shè)的實驗課，通過實驗使學(xué)生加深理解課堂學(xué)習(xí)的基本原理和基本方法，了解葉片頻率測量的主要方法，轉(zhuǎn)子的振動特性和現(xiàn)場動平衡的常用方法，并通過動手操作掌握實驗步驟，儀器的使用方法和實驗現(xiàn)象分析，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和實驗技能。 適用專業(yè)熱能動力工程專業(yè)本科生 先修課程工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、工程流體力學(xué) 實驗課時分配實驗項目學(xué)時實驗一 葉片自振頻率測試實驗2實驗二 汽輪機轉(zhuǎn)子振動特性分析2實驗三 轉(zhuǎn)子動平衡實驗 2 實驗環(huán)境 實驗總體要求 本實驗的重點、難點及教學(xué)方法建議本實驗重點：1. 用自振法測定葉片的自振頻率，并觀察不同頻率下的李沙茹圖形。2. 用共振法測定葉片的自振頻率，判別振型。3轉(zhuǎn)子升速過程中臨界轉(zhuǎn)速特性。難點：振動故障模擬和撓性轉(zhuǎn)子的動平衡教學(xué)方法建議：實驗前學(xué)生預(yù)習(xí)，實驗老師講解，實驗過程答疑輔導(dǎo)的教學(xué)方法。 目 錄實驗一、葉片自振頻率測試實驗實驗二汽輪機轉(zhuǎn)子振動特性分析實驗三轉(zhuǎn)子動平衡實驗實驗一 葉片自振頻率測試實驗一、實驗?zāi)康?. 掌握自振法及共振法測定葉片頻率和判別振型的基本方法；2. 通過實驗，加深理解單個葉片的振動特性以及葉根緊力對自振頻率的影響；3. 掌握測試儀器的使用方法。二、實驗類型 綜合型實驗三、實驗儀器低頻信號發(fā)生器，示波器，功率放大器，橡皮錘，拾振器，實驗測試用葉片。四、實驗原理在電廠中，汽輪機是發(fā)電廠設(shè)備中主要的設(shè)備之一，由于葉片損壞造成的事故停機占汽輪機事故的70% 以上，國內(nèi)外發(fā)電廠常有因汽輪機葉片損壞事故停電、停產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失。為了保證葉片在汽輪機運行中的安全，防止葉片因共振而損壞，需要知道葉片的自振頻率，在現(xiàn)場，常用實測法測定葉片的自振。對于新投運的機組，應(yīng)較全面地測定各級葉片的各種振型的自振頻率。考慮在運行過程中，葉片的安裝狀況可能發(fā)生變化，以及因沖蝕、腐蝕、結(jié)垢、及損壞等原因，均將影響到葉片的自振頻率。因此，在每次大修時應(yīng)對葉片的切向Ao 型（無節(jié)點）的自振頻率進行測定、校核，確保葉片的安全運行。利用葉片自振頻率的測定，根據(jù)葉片的自振頻率有無變化，亦可以發(fā)現(xiàn)葉片有無隱藏裂紋損傷。常用的測試單個葉片靜頻率的方法有自振法、共振法。 1. 自振法：用自振法測定葉片的自振頻率的原理圖(見后附圖)。實驗時,用橡皮錘輕輕敲擊葉片, 則葉片將以一種最容易產(chǎn)生的振動型式作自由衰減振動。通常為切向Ao型振動，用拾振器將葉片的機械振動信號送至陰極示波器的垂直軸(y) 軸。同時將低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號送至示波器的水平軸(x)軸。一邊用橡皮錘敲擊葉片，一邊調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器的頻率數(shù)值，當(dāng)示波器的熒光屏上出現(xiàn)穩(wěn)定的李沙茹圖形(見圖1)時，低頻信號發(fā)生器上的頻率讀數(shù)即為葉片的自振頻率或它的整數(shù)倍。例如：當(dāng)示波器上出現(xiàn)穩(wěn)定的橢圓形圖形時，說明垂直輸入和水平輸入的頻率相等，這時的低頻信號發(fā)生器刻度盤上所指示的頻率數(shù)值即為葉片的自振頻率。就其葉片的自振頻率( 或稱固有頻率) 僅有一個頻率值。自振法是一種簡單、準(zhǔn)確和能迅速測定自振頻率的方法。但由于葉片的高頻自由振動不易發(fā)生，即使發(fā)生，振幅也很小、消失也快，故難以用自振法測定，更難以區(qū)分其振型。所以，自振法多用于測定中、長葉片的 Ao 型振動。圖1 李莎茹圖形2. 共振法用共振法測定葉片自振頻率原理圖(見后附圖) 。 共振法與自振法的不同點即為葉片所受的激振力不是敲擊產(chǎn)生的，而是用激振器激發(fā)和維持的；另外，就是葉片產(chǎn)生的振動不是自由衰減振動，而是強迫振動。共振法是由低頻信號發(fā)生器發(fā)生的信號，除輸入示波器外，還輸入功率放大器，將信號功率放大后送到激振器由激振器吸動葉片按低頻信號發(fā)生器給定的頻率振動。當(dāng)?shù)皖l信號發(fā)生器給定的頻率與葉片的固有頻率相等時，從示波器上可看到穩(wěn)定的李沙茹橢圓圖形（見圖1）。此時低頻信號發(fā)生器上刻度盤所指示的頻率值即為葉片的自振頻率。五、實驗內(nèi)容和要求實驗內(nèi)容1. 用自振法測定葉片的自振頻率，并觀察不同頻率下的李沙茹圖形。2. 用共振法測定葉片的自振頻率，判別振型，并觀察葉根緊力對振動的影響。實驗步驟1實驗系統(tǒng)與儀器的調(diào)試 大致估計一下葉片自振頻率，由低頻信號發(fā)生器給定頻率。將低頻信號發(fā)生器輸出細(xì)調(diào)旋鈕逆時針旋至最小位置，電壓輸出衰減旋到最小位置。 示波器的衰減旋鈕放在最小位置，掃描范圍旋鈕旋至外接位置。若熒光屏上的光點不居中，可適當(dāng)調(diào)整y軸位置和x軸位置。 將低頻信號發(fā)生器的輸出細(xì)調(diào)旋鈕順時針旋之，示波器熒光屏上的光點被拉長至適中距離。 用橡皮錘在葉頂上下間歇地敲擊，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器頻率，直至示波器熒光屏出現(xiàn)穩(wěn)定的李沙茹圖形，即可確定葉片的自振頻率。 2 實驗數(shù)據(jù)的整理與要求1. 記錄用自振法測定葉片的固有頻率。2. 記錄用共振法測定葉片的固有頻率。3. 按實驗要求作好測試記錄并整理。為保證實驗的順利進行，必須在實驗前預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書。實驗做完后，整理實驗報告。六、注意事項1 按圖示接好線后，應(yīng)首先請老師檢查后方能開機實驗。2 無論是開機和關(guān)機都必須首先將低頻信號發(fā)生器的輸出細(xì)調(diào)放在最小位置。3 暫時不用示波器時，應(yīng)將熒光屏上的光跡調(diào)至最暗。七、思考題1 什么是葉片的靜頻率和動頻率？2實驗測量得到的頻率為葉片的靜頻率還是動頻率？3何為調(diào)頻葉片和不調(diào)頻葉片？實驗二 汽輪機轉(zhuǎn)子振動特性分析一、實驗?zāi)康?. 使學(xué)生了解汽輪機轉(zhuǎn)子的振動特性，2. 掌握振動測試的基本方法和轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速特性，3. 實驗室模擬常見振動故障并觀察其振動現(xiàn)象。二、實驗類型 綜合型實驗三、實驗儀器多功能撓性轉(zhuǎn)子實驗臺，ZXP-F16D轉(zhuǎn)子試驗臺振動數(shù)據(jù)采集儀，電渦流傳感器，速度傳感器，加速度傳感器，光電傳感器，計算機，連接電纜。四、實驗原理本模擬轉(zhuǎn)子試驗臺是一種用來模擬旋轉(zhuǎn)機械振動的試驗裝置。主要用于實驗室驗證撓性轉(zhuǎn)子軸系的強迫振動和自激振動特性。它能有效地再現(xiàn)大型旋轉(zhuǎn)機械所產(chǎn)生的多種振動現(xiàn)象。通過不同的選擇改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、軸系剛度、質(zhì)量不平衡、軸承的摩擦或沖擊條件以及聯(lián)軸節(jié)的型式來模擬機器的運行狀態(tài)，由配置的數(shù)據(jù)采集分析儀觀察和記錄轉(zhuǎn)子的振動特性。采用光電傳感器，電渦流傳感器，數(shù)據(jù)采集分析儀與試驗臺配套，使實驗?zāi)芎芊奖愕孛枥L出波特圖（幅頻和相頻特性曲線）、頻譜圖。該試驗臺在ZXP-F16D轉(zhuǎn)子試驗臺振動數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)上能模擬出各種旋轉(zhuǎn)機械的故障,包括不平衡，松動，摩擦等。并通過棒圖、振動通頻值、數(shù)據(jù)列表、幅值趨勢圖、時域波形、頻譜圖、軸心軌跡、波特圖、趨勢分析圖、極坐標(biāo)圖、軸中心線圖、層疊圖、瀑布圖等多種振動監(jiān)測、分析圖表反映出來。本試驗臺采用直流并勵電動機驅(qū)動方案，電機軸經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬，且平穩(wěn)可靠。電機額定電流2.5A，輸出功率250W。調(diào)速器將220VAC電源整流供電機勵磁電壓，同時經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓并整流后供電機電樞電流，手動調(diào)整調(diào)壓器輸出電壓可實現(xiàn)電機010000rpm范圍的無級調(diào)速，升速率可達800rpm/min。試驗臺長1200mm，寬108mm，高145mm，質(zhì)量約45kg。轉(zhuǎn)軸直徑均為9.5mm，有兩種長度規(guī)格：320mm軸3根、500mm油膜振蕩專用軸1根；最大撓曲不超過0.03mm；沿軸的軸向任何部位均可選作試驗中的支承點。共配有六只轉(zhuǎn)子，分為兩種規(guī)格：7625mm和7619mm，質(zhì)量分別為800g和600g，可根據(jù)實驗需要選用。配有剛性聯(lián)軸節(jié)和半撓性聯(lián)軸節(jié)供選用。試驗臺最多可安裝三跨轉(zhuǎn)子，用8渦流傳感器測量，測點數(shù)隨轉(zhuǎn)子數(shù)而定，每個轉(zhuǎn)子可安裝x及y方向各一個測點。試驗臨界轉(zhuǎn)速因跨度、轉(zhuǎn)子質(zhì)量及位置等因素而各異，參考數(shù)據(jù)如下：使用320mm轉(zhuǎn)軸，跨度為250mm，當(dāng)一根軸上安裝兩個轉(zhuǎn)子時，其一階臨界轉(zhuǎn)速約為4400rpm。使用500mm轉(zhuǎn)軸時，安裝兩個轉(zhuǎn)子，其一階臨界轉(zhuǎn)速約為2400rpm；試驗臺基本配置如圖1所示。試驗臺調(diào)速器的使用，見附錄說明。圖1 模擬試驗臺基本配置五、實驗內(nèi)容和要求實驗內(nèi)容1 使學(xué)生了解汽輪機轉(zhuǎn)子的振動特性，2 掌握振動測試的基本方法和轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速特性，3 實驗室模擬常見振動故障并觀察其振動現(xiàn)象。實驗步驟1 開機前的準(zhǔn)備本實驗臺轉(zhuǎn)速高，為確保人員和設(shè)備的安全，開機前請做下列工作：（1）仔細(xì)閱讀附錄“模擬轉(zhuǎn)子實驗臺調(diào)速器使用說明”內(nèi)容。（2）檢查軸承座的安裝是否牢固。（3）檢查轉(zhuǎn)子與軸的安裝是否緊固。（2），（3）如有問題請學(xué)生不要開機，請實驗老師進行轉(zhuǎn)子的緊固。2安裝轉(zhuǎn)速測量（鍵相）傳感器用數(shù)字轉(zhuǎn)速計測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，可使用電渦流傳感器或光電傳感器探頭作為轉(zhuǎn)速計的輸入信號源。用渦流傳感器探頭時，軸上必須裝專用渦流鍵相套；用光電傳感器探頭時，軸上一般粘貼一定寬度的反光鋁箔，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周輸出一個脈沖信號，此信號既用于轉(zhuǎn)速計量，又作為測量相位角的參考標(biāo)志，因此該傳感器又稱為鍵相器。光電傳感器使用時其探頭端面與被測表面之間的距離為2050mm，電源電壓為12VDC。使用時，請按下列步驟操作：（1）用502膠把5mm寬、20mm長的鋁箔作反光材料沿軸向粘貼于電機聯(lián)軸節(jié)套的凹槽中，注意粘貼牢固，不致因轉(zhuǎn)速高時飛脫。鋁箔表面應(yīng)平整不得有皺折；（2）把光電傳感器探頭安裝在電機座的傳感器支架上，使光電傳感器兩只微型接收發(fā)射管呈水平方向?qū)?zhǔn)聯(lián)軸節(jié)套上鋁箔標(biāo)記；（3）接通光電傳感器與有關(guān)測振儀器及電源的連線，開啟儀表于工作狀態(tài)；3安裝電渦流傳感器電渦流傳感器用來測量軸對軸承座的相對位移或振動。本試驗臺配有渦流傳感器支架，其上都有兩個互相垂直（沿x、y軸）的10.5孔，用來安裝8渦流傳感器探頭，本實驗臺可選用2個安裝支架，根據(jù)需要安裝傳感器探頭3-4個，安裝前先檢查轉(zhuǎn)子外徑的跳動量，然后按如下步驟操作：（1）固定傳感器支架于所需位置，使探頭安裝孔中心線沿轉(zhuǎn)子法線方向；（2）裝上x、y方向的傳感器探頭；（3）分別將探頭與前置器、前置器與測量儀表之間的連線接好；（4）接通儀表及傳感器電源，使呈工作狀態(tài)； （5）調(diào)整探頭前端面與轉(zhuǎn)子外表面間的距離，使其約為1.0mm，調(diào)至前置器輸出電壓為10V左右；（6）借助于兩個M101六角螺母緊固探頭；4 打開ZXP-F16D振動數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)電源，打開調(diào)速器電源，低速啟動使轉(zhuǎn)子處于低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，檢查轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)聲音是否異常，檢查光電傳感器和電渦流傳感器的輸出是否正常，并經(jīng)實驗老師確認(rèn)后，方可繼續(xù)升速。5 打開計算機，點擊桌面的“振動數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)”圖標(biāo)。啟動振動數(shù)據(jù)采集分析軟件，可以通過組態(tài)棒圖、振動通頻值、數(shù)據(jù)列表、幅值趨勢圖、時域波形、頻譜圖、軸心軌跡、波特圖、趨勢分析圖、極坐標(biāo)圖、軸中心線圖、層疊圖、瀑布圖等多種形式，觀察轉(zhuǎn)子的振動特性6參考附錄“模擬轉(zhuǎn)子實驗臺調(diào)速器使用說明”要求，平穩(wěn)改變實驗臺轉(zhuǎn)速，觀察轉(zhuǎn)子振動特性和臨界轉(zhuǎn)速，并進行相關(guān)的實驗記錄。7 可以進行摩擦和不平衡故障的模擬。8 實驗結(jié)束后，確保轉(zhuǎn)子降速至零，關(guān)閉調(diào)速器電源和采集儀電源，關(guān)閉計算機。六、注意事項1 為保證實驗的順利進行，必須在實驗前預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書。2 實驗準(zhǔn)備階段完成，傳感器連接好后，必須請實驗指導(dǎo)老師檢查后方能開機實驗。3 多功能轉(zhuǎn)子實驗臺為高速旋轉(zhuǎn)精密設(shè)備，為保證實驗設(shè)備和實驗人員的安全，請仔細(xì)閱讀附錄“模擬轉(zhuǎn)子實驗臺調(diào)速器使用說明”內(nèi)容。4 按實驗要求作好測試記錄并整理。實驗做完后，整理實驗報告。七、思考題1什么是轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速？2剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子是如何劃分的？3轉(zhuǎn)子啟動過程中，過臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)注意哪些問題？4轉(zhuǎn)子出現(xiàn)摩擦故障，其振動現(xiàn)象有哪些特征？附 錄:模擬轉(zhuǎn)子實驗臺調(diào)速器使用說明一、 概述該調(diào)速器為模擬臺配套，用于ZD220T直流電動機供給電源及無級調(diào)速之用。采用調(diào)壓器調(diào)壓、橋式整流、濾波，將220VAC變?yōu)橹绷麟妱訖C驅(qū)動、調(diào)節(jié)電壓，具有線路簡單、可靠、調(diào)節(jié)范圍寬、功率大、體積小、重量輕等特點，完全滿足模擬臺各種試驗的需要。二、 技術(shù)參數(shù)電源：220VAC，50Hz輸出勵磁電壓：220VDC輸出勵磁電流：90mA輸出電樞電壓：0-240VDC電樞電流：0-1A調(diào)速范圍：0-10000rpm（滿負(fù)荷時）三、 使用方法1、 接線接線時斷開電源，按調(diào)速器面板所標(biāo)接線，面板右邊兩對接線柱，上面一對接電樞，下面一對接電機勵磁繞組，并分別以紅色、橙色導(dǎo)線區(qū)分。2、 開機開機后，看轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向是否正確，由轉(zhuǎn)子向電機方向看，順時針方向為正確