汽轮机原理实验指导书

汽轮机原理实验指导书华北电力大学能源与动力工程学院1实验一ZT3转子振动模拟试台目录一、实验目的二、组成及技术参数三、安装与一般操作（一）轴承座的安装（二）转子与轴的安装（三）平衡螺钉的安装（四）联轴节的使用和安装（五）转速测量（键相）传感器的安装（六）电涡流传感器的安装（七）摩擦螺钉架的使用四、典型试验的操作（一）振动观察（临界转速和质量不平衡）（二）摩擦（三）涡动与油膜振荡1、涡动2、油膜振荡（四）自由转子扰动附录模拟台调速器使用说明2一、实验目的本转子振动模拟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，由配置的检测仪表来观察和记录其振动特性。电涡流传感器、光电传感器及ZXP8型动平衡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ZXPF16D转子试验台振动数据采集分析系统上模拟出各种旋转机械的故障,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、二维全息谱、波德图、趋势分析图、极坐标图、轴中心线图、层叠图、瀑布图等14种振动监测、分析图表反映出来。二、组成及技术参数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25A，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。ZT3型是由产品代号（ZT）跨数组成。试验台长1200MM，宽108MM，高145MM，质量约45KG。转轴直径均为95MM，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003MM；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。涡动和油膜振荡试验配置如图2所示。试验台调速器的使用，见附录说明。3三、安装与一般操作装配后的试验台应水平放置在刚度较好且支撑稳定的水平平台上，底座下面宜垫以较厚实的橡皮垫。通常试验台无需特殊固定。根据试验目的可将试验台组装成几种不同型式。几种基本型式可用于1验证质量不平衡等引起的振动；2验证油膜振荡理论；3验证自由转子扰动；4图1模拟试验台基本配置（一）、轴承座的安装本试验台轴的支承均采用滑动轴承，安装轴承座时，应注意方向一致，应认定无轴承盖的一面一律朝向电机方向。使用M5内六角螺钉和T型块固紧轴承座，其轴向位置按需要而定。轴承座内的轴承不宜随意拆卸，以防止降低精度或损坏零件（二）、转子与轴的安装转子在轴上的固定采用锥套式锁紧方式。固紧时，借助于专用扳手上两柱销插入锁紧螺母孔内，右旋螺母即可。反之，若要使转子与轴松开，则用扳手左旋螺母，松开后，转子在轴上可任意移动或拆卸。1112注意当用手握紧转子外圆固紧或松开转子时，必须小心，切莫用力压转轴，以避免轴受过大的横向力而弯曲，造成永久变形。同理，当欲把轴从联轴节内拉出或与联轴节固紧以及把轴穿过转子时，为防止轴承和轴过度受力和可能的损坏，施力必须保持轴与轴承基本成一水平线。安装转轴时，宜先从外侧轴承孔穿入，并依次装上转子，再穿过内侧轴承孔直至与联轴节配合、固紧。插入联轴节时，轴端面与联轴节的铰链柱之间应留有一定间隙。试验需要转子悬伸时，应使悬伸转子内侧面与外轴承座外侧面之间的距离不超过25MM，同时在转子外侧必须安装摩擦螺钉架保护，如图3所示。（三）、平衡螺钉的安装为便于转子动平衡，在每个转子两侧面加工有周向平衡槽。使用标准的M2螺钉和螺母作为平衡配重。每一套螺钉约重03。周向槽侧均刻有角度刻度、转子质量及平衡配重位置半径R33，以方便平衡计算。转子上的螺钉不得任意拆卸。（四）、联轴节的使用与安装本试验台可使用刚性联轴节和半挠性联轴节。刚性联轴节主要用于验证轴承座不对中及某跨间转子动不平衡量、扰动力对另一跨转子的影响。由于这些试验或要求把其中一轴承座垫高，或要求有较大的动不平衡力，这都将容易加剧轴颈和轴承的磨损，因此应尽可能地缩短试验运转时间。如做转子扭转振动试验，则须在保证转子或附加测量齿轮平衡的条件下使用刚性联轴节。对于使用半挠性联轴节，则无严格的限制。注意半挠性联轴节轴销处，不需加任何润滑剂。（五）转速测量（键相）传感器的安装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，13此信号既用于转速计量，又作为测量相位角的参考标志，因此这样使用的传感器又称之为键相器。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；4、启动电机使其低速运转，调整光电头与铝箔标记的距离，至有正常的光电信号输出，固紧光电传感器。（六）电涡流传感器的安装电涡流传感器用来测量轴对轴承座的相对位移或振动。本试验台共配三只涡流传感器支架，其上都有两个互相垂直（沿X、Y轴）的105孔，用来安装8涡流传感器探头，可根据需要将传感器探头安装于转子赤道平面内。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，使其约等于传感器线性范围（02523MM）的中间值，或调至前置器输出电压12V左右；6、借助于两个M101六角螺母紧固探头；7、低速启动转子，检查有无输出信号及信号是否正常。（七）摩擦螺钉架的使用摩擦螺钉架有两个功能一是用于验证在各种摩擦状态下的转子特性；二是在悬伸转子状态限制轴的最大径向跳动，起一定的安全保护作用。摩擦试验时，首先按照所需位置固紧摩擦螺钉架，然后启动电机使在所需转速运转，仔细地调进摩擦螺钉，在有关仪器上观察到冲击信号后，即锁紧翼形防松螺母。注意由于连续或间断地摩擦都将损伤机械，因此，为试验建立摩擦状态应格外小心，其摩擦试验只允许短时间进行，一般不超过30秒钟。四、典型试验的操作（一）振动观察（临界转速和质量不平衡）振动试验接线示意如图4所示。按图1基本配置安装试验台，传感器支架上安装X、Y向涡流传感器，其探头端面与转子外圆之间的间隙按传感器线性范围的中值调整；光电传感器安装于正对联轴节反射标记处。1415按图4连接传感器与测量仪器。在检查无误的情况下即可接通电源，启动试验16台。按照要求逐渐增加转子速度，可观察到不超出转子试验台操作范围的振动。当转速升到临界转速时，振幅的峰值最大，且相位角发生180的变化，在示波器上看到的轴心轨迹如图5所示，轨迹图形上的亮点（键相点）在临界转速时其位置变化180。由低速到高速变化的振动情况可由绘图仪绘出幅频及相频特性（波特图），如图6所示。由图6曲线可以看出（1）在K，且有阻尼（实际工作状态总有阻尼）情况下，不平衡相位与振动相位由开始的保持一致到随转速的升高而相位差逐渐发生变化。当K时，不平衡相位超前振动相位90，转速继续升高，相位差将逐渐增大到180，即不平衡相位超前振动相位180。（2）当转速很低时，即接近零时，振幅接近零，因为此时不平衡离心力极小。当转速超过临界转速很多时，振幅接近于某一稳定值，这就是转子的自动定心。（3）当转速接近临界转速时，由于阻尼作用，振幅被抑制成有限值，在振动曲线上形成一个高峰。试验可以证明，随着阻尼的增大，峰值越来越低。（4）由于不平衡离心力总是存在的，因此，幅频曲线一般均出现峰值，峰值所对应的转速就是临界转速。临界转速附近的高振幅区称为共振范围。（5）转子振动的相频曲线和幅频曲线，从相位和振幅两个不同的方面反映了转子的振动特性，显然这两者之间是密切相关的。正是由于转子的不平衡相位与由不平衡所引起的振动相位之间有上述随转速的变化关系，才使得转子的振动在临界转速之前，随着转速的升高而升高，并在临界转速时达到峰值；在转速超过临界转速以后，由于不平衡矢量与振动矢量之间的相位差超过90，就是说，这时由于转子转动而形成的离心力已经开始抵消由于转子变形而造成的弓状回转产生的离心力，因此越过临界转速以后，振幅开始下降。高于临界转速越多，不平衡相位就越接近于超前转动相位180，抵消作用也越大，因此振动也越小，运转越加平稳。当然，对于实际机器转子，不是简单的单圆盘转子，也不是只有一个临界转速，而是具有多个临界转速，因此超过第一临界转速后，振幅随转速的升高而降低被限制在一个很有限的转速范围内，超过一定转速后，振幅又会由于第二临界转速的存在而开始升高。（二）摩擦旋转机械在运行中，常常由于某些原因发生转子与静止部件之间的摩擦，它可能造成转子出现更大的振动。最常见的是转子与密封之间的摩擦，它们都是由于转子中心线的偏移或严重的横向振动引起的。产生的原因依次为不平衡、重力、各种径向预载荷、流体动力、热膨胀、不对中等。1冲击现象当转子与静止部件相碰撞时，产生的直接冲击力通常并不很高，而对轴的转动产生的影响更为显著。冲击发生后，转子响应中有复杂的瞬态横向振动和扭转振动。扭转振动是由扭矩突变引起的。横向反弹运动的方向可能与原来的进动方向一致，也可能使其变成反进动，它取决于障碍物相对于转子进动的原始位置、接触表面和转子的圆周速度，冲击后转子进动的特征为横向自由振动，即其频率等于转子自然频率之一或为它们的组合。172摩擦力摩擦力和碰撞的关系很大。它产生在相接触的零件的每一个有相对运动的地方。其大小主要取决于零件间的正压力、材料、零件表面性质以及它们相对速度的方向。摩擦力会改变转子的转动和进动，其作用的结果先使转速下降，随后当摩擦力矩去掉时便产生瞬时扭转振动。摩擦力使转子运动的动能一部分转变为热能，一部分消耗在接触表面磨削上，所以能量损耗，这就发生了由一间隙改变而引起的摩擦条件的变化。局部发热可能导致轴变形或者密封件损坏。摩擦还会产生噪音具有丰富频谱的声波。3系统刚度变化旋转机械的刚度决定机器的自然频率（共振频率）。这个刚度是由轴（包括转动部件）的刚度、支座的刚度、轴承及密封的刚度决定的，当转轴偶然和一静止的障碍物接触时，这种新的边界条件改变了它的刚度。如果转子发生接触则在每一旋转周期的一部分时间内（局部摩擦），或者在保持整周接触时（整周摩擦）连续地影响轴的刚度。在局部摩擦的情况下，转子的刚度在最低值（与障碍物不接触）和最高值（与障碍物接触）之间变化。刚度变化的频率与进动的频率相同。这就可能发生存在于有周期性变化系数的系统中的自由振动的不稳定性。转子与静止部件的局部摩擦或者是在尺寸超差或润滑不良的轴承中的摩擦经常引起稳定的次谐振（分数谐波共振），其频率正好是转速的一半。然而随着转速的升高，次谐波振动的范围是变化的。当转子的旋转速度高于一阶自然频率的三倍时，稳态次谐振的范围为1/3（“轻”摩擦）或1/2（“重”摩擦）。如果转速超过转子第一阶自然频率的倍时，那么转子的响应将由同步分量（1X）和一个次同步分量组成，其最低频率随着摩擦力的增加分别等于（1/）、（1）、1/3、（1/2）。次谐波的范围决定于不平衡、阻尼、外载荷、几何形状、材料性质等因素。当阻尼很大时，次谐波可能根本不发生。本试验台通过摩擦螺钉来实现局部摩擦，用来验证由局部摩擦产生的转子稳态响应机理、观察分数谐波共振现象。随着调节摩擦螺钉改变摩擦大小，在示波器上可观察到不同的轴心轨迹图形。图7表示了轻摩擦和重摩擦时的轴心轨迹。亮点表示的键相点变化一般与轴的转向相同。（A）（B）图7摩擦时的轴心轨迹A轻摩擦B重摩擦操作步骤如下（1）把内、外侧轴承座安排得尽可能远些；18（2）在试验台上安装500MM长轴，轴上仅安装一个转子（为了降低一阶临界转速），摩擦螺钉架安装在离转子约8MM处；（3）把XY方向传感器支架放置在转子另一侧（轴上应加涡流测振套），支架与转子尽量靠近；（4）摩擦螺钉不与轴接触，启动转子至一阶临界转速，并记录数据；（5）调节转子转速至一阶临界转速的25倍，并观察示波器上的轴心轨迹和用Z轴表示的相位信号；（6）小心地向下拧摩擦螺钉，直至与轴接触，使可以看到由两个固定键相点所表示的特殊轨迹；（7）调节转速超过一阶临界转速的三倍，直至轨迹上出现三个静止亮点。（三）涡动与油膜振荡1、涡动机器转子除了受到像不平衡离心力等各种外力作用而发生受迫振动外，在转子轴承系统内部，也可能产生强烈的激振因素。在一定条件下，径向滑动轴承支持的转子在运转中，转子在油膜力作用下发生涡动，称为油膜自激涡动。为验证涡动需使用下列组件带轴肩的油膜涡动转轴（500MM）、装有滑动轴承套的涡动轴承支架、针阀式油杯和接油盒。涡动试验组装如图2所示，操作步骤如下（1）拆去后两跨转子，仅留第一跨转子和第二跨的内轴承座；（2）把转子套装在涡动转轴上，涡动转轴插入第二跨的内轴承座，并与联轴节固紧；（也可以将涡动转轴直接插入第一跨的内轴承座与电机联轴节固紧）（3）安装涡动轴承座，使涡动转轴的轴肩进入涡动轴承座内，同时调整涡动轴承座与转轴的轴向距离，保证有12MM的间隙，然后固紧；（4）装好针阀式油杯和接油盒；（5）调整转子在轴上的位置，离涡动轴承座约2/3处固紧；（6）在无摩擦、无预负荷、无不平衡的条件下，检查轴的弯曲；在低转速下，径向跳动量应不大于003MM。转轴在涡动轴承内应转动自由，无明显阻滞；（7）安装X、Y方向涡流传感器在涡流传感器支架上，并按要求调整探头到转子表面的距离；（8）把前置放大器的输出信号线接到有关测振仪（例如ZXP8动平衡分析仪），并由测振仪输出至示波器的X、Y轴上，把键相传感器输出端接到示波器Z轴的输入端；（9）打开油流阀，直至油从轴承滴下，启动试验台，逐渐提高转速，约在30004000RPM时，发生涡动，如果涡动没有立即发生，则使用尼龙预负荷棒在涡动轴承端轻轻地抬起轴。当振幅很小时，涡动轨迹接近于椭圆；当振动很大时，会出现更复杂的涡动轨迹，例如图8所示。此时，在示波器上看到两个键相点，且键相点的变化方向与轴的转向相反。19图8涡动轨迹改变转子的不平衡、预负荷、加其它力及改变油的粘度都会改变或阻碍涡动现象的效果。注意（1）涡动轴承无润滑时，不准启动转子。运转期间，润滑油必须充足，流量以每10秒内数滴为宜。可使用10号高速机械油或合成锭子油等低粘度润滑油，润滑油必须清洁；（2）不准在涡动试验时使用摩擦螺钉。2、油膜振荡转子涡动转速，基本上为转子转速的一半，习惯上称为半速涡动。相对于未发生油膜自激涡动来说，发生涡动后，无论振幅大小，转子都失去了稳定性，即所谓转子失稳。在一定条件下，转子虽已失稳，但是轴颈可能只在一个很小的范围内涡动，即涡动的振幅很小，从机器运转的角度来看，可能仍然是平稳的。但是随着转子转速的升高，涡动会逐渐加剧。最严重的情况是，如果转子的转速比较高，接近或超过二倍的一阶临界转速，使转子的涡动角速度与转子的一阶临界转速相重合，发生共振性振荡。此时半速涡动会变得十分严重，称为油膜振荡。本试验台受极限转速的限制，在做油膜振荡试验时，用增加轮盘的办法降低转子系统一阶临界转速至4000RPM以下，以便在9000RPM附近可以观察到油膜振荡现象。涡动和油膜振荡试验按要求配置好后，利用示波器的X、Y轴输入，可以显示转子启动瞬间轴的径向位置变化。停转后，X、Y传感器的电压可通过示波器的波形看出。随着向涡动轴承供油、逐渐使转子升速、轴颈开始转动、可看到油膜将轴颈抬起并推向一边。如果轴颈的径向位置变化不明显，可将示波器X、Y轴的增益加大。（四）自由转子扰动扰动就是向转子系统施加干扰力，干扰力与转速完全无关。转子对如此强力作用的响应能提供有关转子特性的有用资料。自由转子是否受扰动力作用，其振动特性一般都可在示波器上观察到；扰动力的效果也可以从转子的状态来观察到。五、维护与保养本试验台系高速精密机械，在运转时应特别注意安全。应随时保持各部件的清洁和合理的润滑。转轴采用40CR钢，并经严格的工艺制作而成。320MM的转轴和500MM的转轴，其径向跳动量均应小于003MM。为防止轴弯曲，试验结束后，应在转子下加弹性垫块，使转子重量由垫块承受而减少轴的长时间静负荷。但必须注意每当试验时必须去掉。若长期不做试验，应将转轴拆下，并沿其轴线悬吊放置。如轴已有少量弯曲变形，可经矫直后再用；若严重弯曲，则必须更换。注意搬运试验台必须使用专用提手，严禁握住轴搬动试验台。试验台所用轴承，除油膜振荡轴承外，均为粉末冶金含油球轴承，其润滑仅在20试验前于每个轴承座上螺钉孔处滴入所需润滑油，使内部油毡浸满油即可。如油毡已磨损或损坏，则必须更换。附录模拟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0240VDC电枢电流01A调速范围010000RPM（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，若反时针转，可将电枢（或励磁）的两根线对调。注意每次启动前都要把调压器左旋到零位，即保证电枢电流从零开始往上调，以避免启动电流过大烧断保险丝。面板左边有两个3A保险丝，左边一个为电枢电路保险，右边一个为电源保险。3、升速接通电源开关，电源指示灯亮，微动调压器，电流表即有指示，负载较小时，转子即会转动。升速时必须平滑地转动调压器旋钮，开始升得较慢，调压器转到某一位置后升速较快，这时必须注意要更平稳、缓慢地转动调压器，以保证瞬时电流不致过大。降速时，同样要注意平缓，在高速状态停机，应通过平稳降速过程再切断电源，否则电机承受冲击较大。21实验二汽轮机单个叶片静频率的测试一、概述在电厂中，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22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1振动法简称“自振法”2“共振法”或称激振法。二、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。三、实验要求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。四、实验方法本实验采用自振法、共振法这两种方法测定叶片的静频率。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