汽轮机实验参考书

汽轮机原理实 验 指 导 书 戈志华 魏楠 编华北电力大学二00六 年 十一月 前 言1 实验总体目标本课程实验是为热能动力工程专业必修课汽轮机原理配套开设的实验课，通过实验使学生加深理解课堂学习的基本原理和基本方法，了解叶片频率测量的主要方法，转子的振动特性和现场动平衡的常用方法，并通过动手操作掌握实验步骤，仪器的使用方法和实验现象分析，培养学生动手能力和实验技能。 适用专业热能动力工程专业本科生 先修课程工程热力学、传热学、工程流体力学 实验课时分配实验项目学时实验一 叶片自振频率测试实验2实验二 汽轮机转子振动特性分析2实验三 转子动平衡实验 2 实验环境 实验总体要求 本实验的重点、难点及教学方法建议本实验重点：1. 用自振法测定叶片的自振频率，并观察不同频率下的李沙茹图形。2. 用共振法测定叶片的自振频率，判别振型。3转子升速过程中临界转速特性。难点：振动故障模拟和挠性转子的动平衡教学方法建议：实验前学生预习，实验老师讲解，实验过程答疑辅导的教学方法。 目 录实验一、叶片自振频率测试实验实验二汽轮机转子振动特性分析实验三转子动平衡实验实验一 叶片自振频率测试实验一、实验目的1. 掌握自振法及共振法测定叶片频率和判别振型的基本方法；2. 通过实验，加深理解单个叶片的振动特性以及叶根紧力对自振频率的影响；3. 掌握测试仪器的使用方法。二、实验类型 综合型实验三、实验仪器低频信号发生器，示波器，功率放大器，橡皮锤，拾振器，实验测试用叶片。四、实验原理在电厂中，汽轮机是发电厂设备中主要的设备之一，由于叶片损坏造成的事故停机占汽轮机事故的70% 以上，国内外发电厂常有因汽轮机叶片损坏事故停电、停产造成巨大的经济损失。为了保证叶片在汽轮机运行中的安全，防止叶片因共振而损坏，需要知道叶片的自振频率，在现场，常用实测法测定叶片的自振。对于新投运的机组，应较全面地测定各级叶片的各种振型的自振频率。考虑在运行过程中，叶片的安装状况可能发生变化，以及因冲蚀、腐蚀、结垢、及损坏等原因，均将影响到叶片的自振频率。因此，在每次大修时应对叶片的切向Ao 型（无节点）的自振频率进行测定、校核，确保叶片的安全运行。利用叶片自振频率的测定，根据叶片的自振频率有无变化，亦可以发现叶片有无隐藏裂纹损伤。常用的测试单个叶片静频率的方法有自振法、共振法。 1. 自振法：用自振法测定叶片的自振频率的原理图(见后附图)。实验时,用橡皮锤轻轻敲击叶片, 则叶片将以一种最容易产生的振动型式作自由衰减振动。通常为切向Ao型振动，用拾振器将叶片的机械振动信号送至阴极示波器的垂直轴(y) 轴。同时将低频信号发生器产生的频率信号送至示波器的水平轴(x)轴。一边用橡皮锤敲击叶片，一边调节低频信号发生器的频率数值，当示波器的荧光屏上出现稳定的李沙茹图形(见图1)时，低频信号发生器上的频率读数即为叶片的自振频率或它的整数倍。例如：当示波器上出现稳定的椭圆形图形时，说明垂直输入和水平输入的频率相等，这时的低频信号发生器刻度盘上所指示的频率数值即为叶片的自振频率。就其叶片的自振频率( 或称固有频率) 仅有一个频率值。自振法是一种简单、准确和能迅速测定自振频率的方法。但由于叶片的高频自由振动不易发生，即使发生，振幅也很小、消失也快，故难以用自振法测定，更难以区分其振型。所以，自振法多用于测定中、长叶片的 Ao 型振动。图1 李莎茹图形2. 共振法用共振法测定叶片自振频率原理图(见后附图) 。 共振法与自振法的不同点即为叶片所受的激振力不是敲击产生的，而是用激振器激发和维持的；另外，就是叶片产生的振动不是自由衰减振动，而是强迫振动。共振法是由低频信号发生器发生的信号，除输入示波器外，还输入功率放大器，将信号功率放大后送到激振器由激振器吸动叶片按低频信号发生器给定的频率振动。当低频信号发生器给定的频率与叶片的固有频率相等时，从示波器上可看到稳定的李沙茹椭圆图形（见图1）。此时低频信号发生器上刻度盘所指示的频率值即为叶片的自振频率。五、实验内容和要求实验内容1. 用自振法测定叶片的自振频率，并观察不同频率下的李沙茹图形。2. 用共振法测定叶片的自振频率，判别振型，并观察叶根紧力对振动的影响。实验步骤1实验系统与仪器的调试 大致估计一下叶片自振频率，由低频信号发生器给定频率。将低频信号发生器输出细调旋钮逆时针旋至最小位置，电压输出衰减旋到最小位置。 示波器的衰减旋钮放在最小位置，扫描范围旋钮旋至外接位置。若荧光屏上的光点不居中，可适当调整y轴位置和x轴位置。 将低频信号发生器的输出细调旋钮顺时针旋之，示波器荧光屏上的光点被拉长至适中距离。 用橡皮锤在叶顶上下间歇地敲击，调节低频信号发生器频率，直至示波器荧光屏出现稳定的李沙茹图形，即可确定叶片的自振频率。 2 实验数据的整理与要求1. 记录用自振法测定叶片的固有频率。2. 记录用共振法测定叶片的固有频率。3. 按实验要求作好测试记录并整理。为保证实验的顺利进行，必须在实验前预习实验指导书。实验做完后，整理实验报告。六、注意事项1 按图示接好线后，应首先请老师检查后方能开机实验。2 无论是开机和关机都必须首先将低频信号发生器的输出细调放在最小位置。3 暂时不用示波器时，应将荧光屏上的光迹调至最暗。七、思考题1 什么是叶片的静频率和动频率？2实验测量得到的频率为叶片的静频率还是动频率？3何为调频叶片和不调频叶片？实验二 汽轮机转子振动特性分析一、实验目的1. 使学生了解汽轮机转子的振动特性，2. 掌握振动测试的基本方法和转子的临界转速特性，3. 实验室模拟常见振动故障并观察其振动现象。二、实验类型 综合型实验三、实验仪器多功能挠性转子实验台，ZXP-F16D转子试验台振动数据采集仪，电涡流传感器，速度传感器，加速度传感器，光电传感器，计算机，连接电缆。四、实验原理本模拟转子试验台是一种用来模拟旋转机械振动的试验装置。主要用于实验室验证挠性转子轴系的强迫振动和自激振动特性。它能有效地再现大型旋转机械所产生的多种振动现象。通过不同的选择改变转子转速、轴系刚度、质量不平衡、轴承的摩擦或冲击条件以及联轴节的型式来模拟机器的运行状态，由配置的数据采集分析仪观察和记录转子的振动特性。采用光电传感器，电涡流传感器，数据采集分析仪与试验台配套，使实验能很方便地描绘出波特图（幅频和相频特性曲线）、频谱图。该试验台在ZXP-F16D转子试验台振动数据采集分析系统上能模拟出各种旋转机械的故障,包括不平衡，松动，摩擦等。并通过棒图、振动通频值、数据列表、幅值趋势图、时域波形、频谱图、轴心轨迹、波特图、趋势分析图、极坐标图、轴中心线图、层叠图、瀑布图等多种振动监测、分析图表反映出来。本试验台采用直流并励电动机驱动方案，电机轴经联轴器直接驱动转子，结构简单、调速范围宽，且平稳可靠。电机额定电流2.5A，输出功率250W。调速器将220VAC电源整流供电机励磁电压，同时经调压器调压并整流后供电机电枢电流，手动调整调压器输出电压可实现电机010000rpm范围的无级调速，升速率可达800rpm/min。试验台长1200mm，宽108mm，高145mm，质量约45kg。转轴直径均为9.5mm，有两种长度规格：320mm轴3根、500mm油膜振荡专用轴1根；最大挠曲不超过0.03mm；沿轴的轴向任何部位均可选作试验中的支承点。共配有六只转子，分为两种规格：7625mm和7619mm，质量分别为800g和600g，可根据实验需要选用。配有刚性联轴节和半挠性联轴节供选用。试验台最多可安装三跨转子，用8涡流传感器测量，测点数随转子数而定，每个转子可安装x及y方向各一个测点。试验临界转速因跨度、转子质量及位置等因素而各异，参考数据如下：使用320mm转轴，跨度为250mm，当一根轴上安装两个转子时，其一阶临界转速约为4400rpm。使用500mm转轴时，安装两个转子，其一阶临界转速约为2400rpm；试验台基本配置如图1所示。试验台调速器的使用，见附录说明。图1 模拟试验台基本配置五、实验内容和要求实验内容1 使学生了解汽轮机转子的振动特性，2 掌握振动测试的基本方法和转子的临界转速特性，3 实验室模拟常见振动故障并观察其振动现象。实验步骤1 开机前的准备本实验台转速高，为确保人员和设备的安全，开机前请做下列工作：（1）仔细阅读附录“模拟转子实验台调速器使用说明”内容。（2）检查轴承座的安装是否牢固。（3）检查转子与轴的安装是否紧固。（2），（3）如有问题请学生不要开机，请实验老师进行转子的紧固。2安装转速测量（键相）传感器用数字转速计测量转子的转速，可使用电涡流传感器或光电传感器探头作为转速计的输入信号源。用涡流传感器探头时，轴上必须装专用涡流键相套；用光电传感器探头时，轴上一般粘贴一定宽度的反光铝箔，转子每转一周输出一个脉冲信号，此信号既用于转速计量，又作为测量相位角的参考标志，因此该传感器又称为键相器。光电传感器使用时其探头端面与被测表面之间的距离为2050mm，电源电压为12VDC。使用时，请按下列步骤操作：（1）用502胶把5mm宽、20mm长的铝箔作反光材料沿轴向粘贴于电机联轴节套的凹槽中，注意粘贴牢固，不致因转速高时飞脱。铝箔表面应平整不得有皱折；（2）把光电传感器探头安装在电机座的传感器支架上，使光电传感器两只微型接收发射管呈水平方向对准联轴节套上铝箔标记；（3）接通光电传感器与有关测振仪器及电源的连线，开启仪表于工作状态；3安装电涡流传感器电涡流传感器用来测量轴对轴承座的相对位移或振动。本试验台配有涡流传感器支架，其上都有两个互相垂直（沿x、y轴）的10.5孔，用来安装8涡流传感器探头，本实验台可选用2个安装支架，根据需要安装传感器探头3-4个，安装前先检查转子外径的跳动量，然后按如下步骤操作：（1）固定传感器支架于所需位置，使探头安装孔中心线沿转子法线方向；（2）装上x、y方向的传感器探头；（3）分别将探头与前置器、前置器与测量仪表之间的连线接好；（4）接通仪表及传感器电源，使呈工作状态； （5）调整探头前端面与转子外表面间的距离，使其约为1.0mm，调至前置器输出电压为10V左右；（6）借助于两个M101六角螺母紧固探头；4 打开ZXP-F16D振动数据采集分析系统电源，打开调速器电源，低速启动使转子处于低速运转状态，检查转子运转声音是否异常，检查光电传感器和电涡流传感器的输出是否正常，并经实验老师确认后，方可继续升速。5 打开计算机，点击桌面的“振动数据采集与分析系统”图标。启动振动数据采集分析软件，可以通过组态棒图、振动通频值、数据列表、幅值趋势图、时域波形、频谱图、轴心轨迹、波特图、趋势分析图、极坐标图、轴中心线图、层叠图、瀑布图等多种形式，观察转子的振动特性6参考附录“模拟转子实验台调速器使用说明”要求，平稳改变实验台转速，观察转子振动特性和临界转速，并进行相关的实验记录。7 可以进行摩擦和不平衡故障的模拟。8 实验结束后，确保转子降速至零，关闭调速器电源和采集仪电源，关闭计算机。六、注意事项1 为保证实验的顺利进行，必须在实验前预习实验指导书。2 实验准备阶段完成，传感器连接好后，必须请实验指导老师检查后方能开机实验。3 多功能转子实验台为高速旋转精密设备，为保证实验设备和实验人员的安全，请仔细阅读附录“模拟转子实验台调速器使用说明”内容。4 按实验要求作好测试记录并整理。实验做完后，整理实验报告。七、思考题1什么是转子的临界转速？2刚性转子和挠性转子是如何划分的？3转子启动过程中，过临界转速应注意哪些问题？4转子出现摩擦故障，其振动现象有哪些特征？附 录:模拟转子实验台调速器使用说明一、 概述该调速器为模拟台配套，用于ZD220T直流电动机供给电源及无级调速之用。采用调压器调压、桥式整流、滤波，将220VAC变为直流电动机驱动、调节电压，具有线路简单、可靠、调节范围宽、功率大、体积小、重量轻等特点，完全满足模拟台各种试验的需要。二、 技术参数电源：220VAC，50Hz输出励磁电压：220VDC输出励磁电流：90mA输出电枢电压：0-240VDC电枢电流：0-1A调速范围：0-10000rpm（满负荷时）三、 使用方法1、 接线接线时断开电源，按调速器面板所标接线，面板右边两对接线柱，上面一对接电枢，下面一对接电机励磁绕组，并分别以红色、橙色导线区分。2、 开机开机后，看转子转动方向是否正确，由转子向电机方向看，顺时针方向为正确