第十章位移振动测量

1、机械量检测及仪表,机械量检测仪表是用来对,尺寸、位移、力、重量、转矩、,速度和振动,等参数进行测量的仪表。,火电厂的汽轮机组是一种高速旋转的大型设备，为了保,障机组运行的经济性，其转动部分（如转子、叶片、主轴）,与静止部分（如汽缸、喷嘴和隔板、汽封）之间的,间隙很小,。,在机组,启动、运行和停止过程中,，动、静部分相对膨胀、,收缩量较大。如果发生动静部分摩擦、碰击，就有可能产生,汽轮机的轴封磨损、叶片断裂，甚至整机损坏的事故。,为了保证机组的安全运行，,汽轮机上应装设转速、轴向,位移、热膨胀、振动及大轴弯曲等机械参数的测量仪表和装,置。,这些仪表通常可称为汽轮机保护仪表或机械参数测量仪,表。,

2、位移测量,测量位移的传感器种类很多，工作原理各不相同。,目前火电厂中测量位移常使用的传感器有,电涡流式传,感器和差动变压器式传感器,。,一、电涡流式传感器,电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式,两类。下面主要介绍应用广泛的高频反射式电涡流传,感器。,1.,组成,电涡流传感器由探头、延伸电缆、前置器三部分组成，,探头的外形如图所示。它的外形与普通螺栓十分相似，,头部有扁平的感应线圈，把它固定在不锈钢螺栓一端，,感应线圈的引线从螺栓的另一端与高频电缆相连。,(a),外形,(b),结构示意,1-,头部线圈；,2-,固定螺帽；,3-,高频电缆,电涡流传感器,2,、,工作原理,电涡流式传感器是在涡

3、流效应的基础上建立起来的。,根据基尔霍夫定律，由图可列,出下列方程式,?,?,j,?,M,I,?,?,U,?,(,R,1,?,j,?,L,1,),I,1,2,1,?,?,(,R,?,j,?,L,),I,?,?,0,?,j,?,M,I,1,2,2,2,对上述方程联立求解，可得,?,?,(,R,?,j,?,L,),I,?,?,j,?,M,U,1,1,1,1,2,2,?,?,?,M,?,?,?,?,R,1,?,R,2,R,2,?,?,2,L,2,?,2,2,?,?,j,?,M,?,I,1,R,2,?,j,?,L,2,?,?,?,?,?,I,?,1,?,?,?,2,2,?,?,?,M,?,?,j,?,

4、?,L,1,?,L,2,2,2,2,?,?,R,2,?,?,L,2,?,?,?,?,?,j,?,?,L,1,?,L,2,?,?,?,I,?,?,?,?,R,1,?,R,2,1,?,Z,I,?,1,进一步分析可知，线圈电感的改变程度与线圈的,几何形状、尺寸、激磁电流强度,i,和频率,f,、金属导体材,料的电阻率,和磁导率,以及线圈与金属之间的距离,d,等,多个因素有关。对于具体的传感器，线圈的形状与尺,寸，,i,和,f,均是确定的，对确定的被测金属，,和,也是定,值，因此线圈的电感,L,将只随线圈与金属导体间的距离,d,改变，两者间具有单值对应关系。,3.,测量电路,调幅式测量方法,调幅式测量原

5、理示意,谐振曲线波形图,涡流传感器的,特性曲线,我国大型汽轮机上使用的,Philips,公司的,RMS,700,系列和美国,Bently,公司的,7200,系列汽轮机监视,保护装置中，都采用了电涡流传感器。,对于系列的高频涡流位移传感器，当线性,测量范围为,?,0.5,mm,时，灵敏度为,16,V,/,mm,测量范围为,?,1.0,mm,时，灵敏度为,8,V,/,mm,；,测量范围为,?,2.0,mm,时，灵敏度为,4,V,/,mm,。,二、电感式位移测量装置,电感式传感器种类很多，根据转换原理不同，可分,为自感式和互感式两种；根据结构型式不同，可分为气,隙型和螺管型两种。,下图所示的位移测量

6、装置采用了变气隙互感式原理，,从结构上可看成由电感式位移传感器和位移指示仪表组,成。,位移传感器结构示意,1,被测物体的凸缘；,2,电感位移发信器；,3,调整装置；,4,显示仪表；,5,磁饱,和稳压器,),线性变化差动变压器,(,LVDT,也采用了螺管型互感式原理，是,美国,Bently,7200,系列中线性位移传感器，可用于测量汽轮,机的热膨胀、相对热膨胀和轴向位移，也可用于汽阀调,节的行程机构中。,线性差动变压器,线性差动变压器的输出,?,W,W,?,S,2,U,0,0,0,?,?,E,?,?,k,?,x,?,?,K,?,x,2,L,0,?,l,?,x,0,?,由此可见，线性变化差动变压器

7、的输出电动势之差正比于被位,x,移量,?,。其比例常数取决于原绕组端电压、电感、耦合系数、,绕组匝数、气隙导磁率、磁通面积及绕组尺寸等。公式中负号,表示感应电动势方向与原电压方向相反。,三、位移测量应用举例,1.,汽轮机轴向位移的测量,为了监视汽轮机推力轴承的工作状况，一般在推力瓦上装有温,度测点（回油温度计），再有，在转子凸缘处装上,型铁芯或,高频涡流位移检测装置，以测取运行中的实际轴向位移量。,汽轮发电机正常运行时，轴向位移量为,0.381,2.159mm,；超过以上范围，且在,0.254,2.268 mm,范围之,300,MW,内，则必须减负荷运行；最后若超出,0.254,2.268 m

8、m,范围，,则应停机跳闸保护。,2.,机组热膨胀的测量,测量缸胀或差胀的传感器可以用,型铁芯传感器、高,频涡流传感器或线性变化差动变压器。,机组高、中、低压缸缸（差）胀示意,1-,推力轴承,-,转子死点；,2,差胀装置；,3,内汽缸死点；,4,外,汽缸死点；,5,支持轴承；,6,缸胀装置；,HP,高压汽缸；,IP,中压汽缸；,LP-1,、,2,低压汽缸,1,和低压汽缸,2,振动测量,振动是经常发生的一种物理现象。机械振动在很,多情况下总是有害的，它使机器的零部件加快失效，,破坏机器的正常工作，降低设备的使用寿命，甚至导,致机器部件损坏而产生事故。,在火电厂中，汽轮机由于转轴失稳、转子动平衡欠,

9、佳及转系中心不准，在运行中会产生不同程度的振动。,振动过大，会加速轴封的磨损，转动部件的疲劳强度,下降，调速系统不稳定，甚至引起重大事故。因此，,在汽轮机启停和运行中，对轴承和大轴的振动必须严,格进行监视。,磁电式传感器,基本原理：利用电磁感应原理，将输入（运动速度）转换成线,圈中感应电动势输出,二、机组振动监测系统,振动监测系统通常具有下列测振内容：,（,1,）采用复合式振动传感器测取主轴的绝对振动量。,轴振动评价标准参考表,国家或公司,ISO,轴相对振动,ISO,轴绝对振动,国产,300MW,机组,美国西屋公司,美国,GE,公司,日本三菱公司,日本日立公司,100,50,76,正常值（,m

10、,）,80,100,50,60,报警值（,m,）,165,200,90,110,125,127,125,125,紧急停机值（,m,）,250,300,130,160,254,178,200,152,（,2,）由振动量及转速工况确定安全、报警、停机的区域，,以指导机组的实时工况操作。采用振动位移和振动速,度两种信号综合，可以及时防止机组动、静部分的摩,擦。,（,3,）采用矢量监视器测知转速与振动幅值及相角以指导,机组启动或停止过程中的轴故障（如裂纹）或动平衡,程度的征兆出现与否。,（,4,）采用频谱仪对振动信号进行频谱分析，对振动频率、,相位、振幅等参数作实时记录，通过对启停过程的分,析，了解机

11、组存在某种隐患缺陷。,转速测量,转速是热力机械的一个重要参数。火电机组要维持电,网的周波不变，就必须及时调节汽轮机的转速，使其,维持在,3000,转,/,分。汽轮机高速旋转时，各转动部件,会产生很大的离心力，这个离心力直接与材料承受的,应力有关，而离心力与转速的平方成正比。在设计时，,转动部件的强度裕量是有限的。运行时若转速超过额,定值，就会发生严重损坏设备事故，甚至会造成飞车,事故。特别在启动升速过程中，还会遇到临界转速的,影响，使机组产生较大的振动，甚至发生共振而大大,超过设计强度，故在启,/,停过程中也要求准确地测量转,速，尽快越过各个临界值转速。,一、转速传感器,测量转速常用的有磁阻式

12、、磁敏式和涡流式转速传感器,。,1.,磁阻式转速传感器,（,a,）开磁路磁阻式转速传感器,（,b,）闭磁路磁阻式转速传感器,磁阻式转速传感器,1,，,9-,永久磁铁；,2-,软铁；,3-,感应线圈；,4-,齿轮；,5-,转轴；,6-,内齿轮；,齿轮；,8-,线圈,7a,，,7b-,外,磁阻式转速传感器采用转速,脉冲变换电路，如图所,示。传感器感应电压由二极管,V,削去负半周，送到,V1,进行放大，再由射极跟随器,V2,送入,V3,和,V4,组成的射,极耦合触发器进行整形，得到方波输出信号。,磁阻式转速,脉冲转换电路,3.,涡流式转速传感器,采用电涡流传感器测速时，在旋转轴上开一条或数条,槽，或

13、者在轴上安装一块有轮齿的圆盘或圆板，在有,槽的轴或有轮齿的圆板附近装一只电涡流传感器。,当轴旋转时，由于槽或齿的存在，电涡流传感器将周,期性地改变输出信号电压，此电压经过放大、整形变,成脉冲信号，然后输入频率计指示出脉冲数，或者输,入专门的脉冲计数电路指示频率值。此脉冲数（或频,率值）与转速相对应。,如有,60,个槽或齿，若频率计指示,3000Hz,，则转速,为,3000r/min,，这时每分钟的转数就可直接读出。,二、转速监测器,上述三种传感器都是把转速转换成与转速成比例,的脉冲信号。要读出转速，还必须计算这些脉冲数。,根据计算方法分为测频率法和测周期法，相应的监测,仪器为数字转速监测器和零转速监测器。,1.,数字转速监测器,输入信号,放大整形,电路,主门,电路,秒信号,晶体,振荡器,计数器,寄存显示,单元,清零信号,寄存信号,分频器,门控、复原,及寄存控制,系统,JSS-2,型数字显示式转速表的原理方框图,2.,零转速监测器,零转速监测器用于连续监视机组的零转速状态。,由于被测转速很低，如果还是采用上述的计数法测频,率，则量化误差很大。为了提高低频测量的准确度，,通常采用反测法，即先测出被测信号的周期,Tx,，再以,周期的倒数来求得被测频