关于“汽轮机原理”课程实验教学改革探索

1、关于“汽轮机原理”课程实验教学改革探索    论文摘要：按照更新教学设施、改进教学方法的思想，重新设计、加工并安装的汽轮机转子振动实验系统紧密结合实际汽轮机设备结构和运行特点，同时也采用了先进的测试设备和数据处理工具。在启动调试中运行稳定、数据可靠，可将教学与科研有机融合，充分体现了在实验教学中采用“新设备、新技术、新方法”，打造研究型实验教学的改革思路。 论文关键词：汽轮机；实验；新技术；改革 “汽轮机原理”课程是内蒙古工业大学热能与动力工程专业的主要专业课之一，于2009年申报了内蒙古工业大学精品课程建设，主要包括六个方面的内容：

2、师资队伍建设；教学内容建设；教材建设；教学方法和教学手段建设；实验内容建设；网络资源建设。其中，实验内容建设作为课程建设重要的组成部分，既要满足课程教学计划及巩固教学内容的要求，又要满足当今电力工业快速发展，技术和设备不断更新的要求。本课程汽轮机设备在实际生产运行中最常见、最主要的故障是转子振动，机组振动测试包含振动测量和振动试验两个方面，只有将振动测量和振动试验紧密地结合，才能深入了解机组振动特征。本实验在现有振动测量手段和试验条件下，探讨了如何获取和分析振动信号、判断转子振动的类型，最终通过计算与实际操作，达到消除或降低转子振动的目的。因此，学生熟悉和掌握相关的振动测试技术及振动消除手段就

3、成为本课程实验教学的首要任务。 一、本课程实验要积极打造研究型实验教学模式 教学方法的改革，首先是教学观念的转变。在电力技术和电力工业快速发展的今天，教授并要求学生掌握一定的相关的专业知识固然重要，但让学生掌握学习方法、开发创新能力更重要，正如“授之以鱼不如授之以渔”。目前，国内高校在不断扩大招生的压力下，大部分院校教学资源严重不足。其中，师资力量不足是一方面，很多教师的教学工作量可能达到基本工作量的两三倍甚至更高，这必将影响到教学效果，同时，主要精力疲于应对繁重的教学工作，就减弱了教学思想更新、教学手段技艺的提高；另一方面，教学硬件设施严重不足，包括实践教学设施。课程实验

4、特别是一些专业课程实验，受到场地和实验设备台套数限制，面临的教学压力就更大了。同一个实验，指导教师要在几天时间内不断重复十几次甚至几十次，在这种情况下，实验教学难免照本宣科、留于形式。教师没有太多精力用于扩展实验内容，拓宽学生思路，引导和协助学生完成实验指导或实验教材以外的实验内容。学生做实验只是按照实验指导或实验教材给出的步骤、方法，验证教材内容中的原理和定律。在这种习惯性的思想指导下的实验教学，教师的主动性、创造性得不到发挥，学生创新能力的培养和发挥也不可能得到足够的重视，这显然已经不能满足社会对创新型人才的需求。改变现有的、不符合时代需求的实验教学模式，实现研究型实验教学是高校特别是工科

5、院校必然的发展趋势。研究型实验教学注重学生主动性和探索性的发挥，改变学生完成任务了事的被动学习。研究型实验教学内容以课题研究或专业扩展、深化为主。采用开放式的实验过程，形成教学与科研的有机融合。通过研究型实验教学，提高学生从提出问题、分析问题到独立解决问题的能力，训练其研究和创新能力。 二、实现研究型实验教学需解决的硬件问题 设备陈旧，且实验设备与实际生产设备差别大。实验用测振转子多为单跨、刚性转子，而实际汽轮机组均为多跨、刚性连接的挠性转子；测试手段落后，测试数据单一，无法实现综合分析需求；数据处理落后，速度慢，数据再现性差，不适合现场应用。学生实验过程中对测试对象和测试

6、设备的了解及使用、数据处理等，都已经不能满足实际生产的需要        ，教学设施、教学方法应与时俱进，根据科学技术和生产发展不断进行更新调整。因此我们提出在主要专业课程的实验教学中采用“新设备、新技术、新方法”的改革思路。为此，重新设计、加工了新的振动实验系统。转子系统紧密结合实际汽轮机设备结构和运行特点，同时也采用了先进的测试设备和数据处理工具，该系统具有故障诊断、信号分析、转子和轴系振动测试等功能，并具有良好的人机交互界面，兼顾了仪器与软件分析的优势，在汽轮机转子振动故障诊断课题研究方面发挥了重要作用。新实

7、验系统结合了实际设备和实际的技术应用，很好的实现了教学与科研的有机融合，能进行汽轮机转子振动故障分析、诊断及相关课题研究。 三、实验模拟系统构成 实验系统从整体上分成两部分，一是模拟系统，二是测试、分析、数据处理系统。模拟转子系统包括实验台基础、转子系统和变频控制器及驱动电机装置等，为研究转子振动及测试提供基础条件。其中，转子系统是模拟国产100MW双缸双排汽汽轮发电机组轴系设计的，包括变频驱动电机转子、模拟高压缸转子和低压缸转子及外延轴部分共三段转子。其中，模拟高压缸转子和模拟低压缸转子及外延轴部分两段转子由两根50mm的转轴刚性联结而成，重量为88.2公斤。模拟高压转子

8、轴长1520mm，由两个滑动轴承支承。通过刚性连轴器与模拟低压缸转子相联。轴上装有3个厚度均为30mm，外径分别为400mm、350mm和300mm的模拟叶轮轮盘，叶轮上距外径25mm的圆周上开设燕尾槽，用于高速动平衡配重块安装。在转子前后两端的两个轴承上分别装设有垂直方向和水平方向两个绝对式速度传感器。模拟低压缸转子轴长1280mm。同样由两个滑动轴承支承。低压转子上装有4个模拟叶轮轮盘，2小2大，厚度均为30mm，大、小叶轮外径分别为400mm和300mm，盘上距外圆25 mm的圆周上开设燕尾槽。在转子前后两端的两个轴承上分别装设有垂直方向和水平方向两个绝对式速度传感器，同时，在

9、两个轴承内侧分别装有垂直方向和水平方向两支电涡流传感器，低压转子共设4个用于测量瓦振的绝对式速度传感器测点和4个用于测量轴振的电涡流位移传感器测点，测点标定X为水平方向测点，Y为垂直方向测点。转子的转速由光电键相传感器测得，是由单独的支架支撑于高、低压转子的刚性连轴器位置。转速和转子振动信号通过补偿导线和补偿器送入振动监测仪，调理后的振动信号经数据线输送到计算机，利用专用软件进行振动信息显示和信息分析、故障诊断等。高、低压转子构成的轴系是三相异步电动机驱动，额定功率为5.5kW。电机通过刚性连轴器与高、低压转子的刚性相联，通过变频控制器可以实现无级调速，使转子可以在任何转速下稳定运行。

10、0;   四、测试、分析、数据处理系统 1(/).系统构成 系统由振动传感器、便携式振动监测仪和终端计算机等硬件及软件系统组成，采用涡流传感器、速度传感器以及加速度传感器检测振动，用光电键相传感器检测转速及键相信号。传感器传来的经过补偿的电压信号经过振动监测仪调理为符合标准的电压信号，并具有过流保护和键相整形等功能。监测仪设有线性电源和充电电池，允许在失电状态下工作两个小时左右。振动监测仪还设有1路键相信号采集板和16通道位移、速度传感器等。软件系统采用分层式树状结构，由以下几个专用程序组成：一是数据采集程序，按照设定（时长或变转速）完成测振仪

11、振动数据的采集和储存，并可用于交互界面的实时显示或建立启停数据文件或实时分析数据来源        ；二是实时分析程序，对实时采集的数据进行轴心轨迹、时域波形图、频域波形图、数据表格及棒图等分析；三是历史分析程序，可对采集并存储后的数据进行再现并进行波特图、三维谱、频谱及细化分析、轴心轨迹、历史波形和趋势分析；四是动平衡计算程序，可将采集并存储后的数据作为动平衡计算依据，可进行直接试重平衡、谐分量平衡、直接影响系数查询平衡试重预测等计算；五是辅助功能和数据管理程序，用于对存储的数据建立参数设置数据表、波形数据表、机

12、组启停数据表、连续采集数据表、动平衡影响系数数据表等。另外，还设有单独的连续采集程序，用于建立连续数据文件进行波形实时显示和动态频谱分析。各个功能形成独立模块，易于维护，条理清晰，并可保障数据的安全。 2.系统的主要功能 该系统具有频域波形分析、时域波形分析、轴心轨迹分析等实时监测分析功能以及包括波特图、级联图、瀑布图在内的数据回放分析功能；通过相关滤波或快速傅里叶变换（FFT）对振动信号进行波形放大、选频分析等功能；能够按照事先设定好的存储模式（时长或变转速）记录数据；动平衡计算能解决16个平衡面和最多达12个振动测点的平衡问题。动平衡计算原始数据输入可用手动输入，也可根

13、据历史图、表数据自动装入，并具有配重分解、试重预测、配重优化等多种功能。同时，系统具有一次平衡功能。对于现场动平衡工作而言，机组启停过程中耗时长、费用大，而且每一次启停都会对设备造成额外的疲劳损伤甚至会因为操作不当直接造成设备损坏，酿成事故。因此要求尽可能减少机组的启停次数甚至做到一次起动即可完成平衡最好。目前有效减少动平衡过程中启停次数的最好方法是使用已知的影响系数。系统具有动平衡计算原始数据和影响系数数据库，能够存储大量历次动平衡得到的影响系数，为实现无试重动平衡、减少机组的启停次数提供了可能。 五、系统启动测试 汽轮发电机组的额定工作转速是3000r/min，因此实验

14、系统模拟转子工作转速也定为3000r/min，为保证模拟系统在工作转速范围内振动达到良好状态，需对刚完成安装的转子系统进行启动测试和调试，以保证高、低压转子原始的平衡状态以及转子的联结对中是否达到要求，另外，通过初次启动测试，观察转子的支撑轴承及实验台基础是否达到使用要求。利用变频控制器控制电机升速，过程中监测各段转子水平和垂直方向测点振动情况。在转速从0开始逐渐升高达到1800r/min的过程中，各测点振动幅值不断加大，其中低压转子前后水平方向的振动最大，1800r/min分别达到117m和107m，通过频谱图观察，振动频率主要为1倍频，半频振动和高频振动均没有出现，并且振动相位也未发生明显

15、变化，可以判定振动是转子原始不平衡造成的。为保护转子，避免过大的振动对转子的支撑部件和转子本身部件造成损坏，决定对1800r/min进行初步动平衡。启动数据记录当前振动峰值和相位，后经对低压转子在两个端面内进行试重，利用影响系数法计算配重，根据计算结果进行加重，再次启动到1800r/min后各测点振动均明显减小，最大振幅仍在低压转子前后水平方向，最大为12m。之后继续升速，并继续监测各测点振动数据，各测点振动幅值随转速升高不断加大，但始终都在正常范围内，当达到3000r/min时最大振幅在低压转子前水平方向测点为124m。且频谱主要为1倍频，无半频振动，2倍和3倍及其余高频振动均不明显，振动相位变化不大，仍然判定是转子不平衡造成的。经过再次平衡后，最大振幅降为9m。根据平衡结果及测试数据分析，轴承工作良好，转子对中良好，基础也不存在共振的问题。经观察系统波特图可看出，模拟转子系统分别在1100r/min左右和2100r/min左右有比较明显的振幅峰值，可以判定这两个转速是系统的