汽轮发电机组轴系扭振的激光测试技术

1、第18卷第1期2001年2月现代电力MODERNELECTRICPOWERVol118No11Feb12001文章编号:100722322(2001)0120001207汽轮发电机组轴系扭振的激光测试技术傅忠广1杨昆1宋之平1陈椿芳2(11华北电力大学(北京)动力工程系,北京102206;21大连船用柴油机厂设计室)摘要:介绍了一种先进的激光扭振测试技术。的原理、特点及在实验室的实际应用情况。速适测范围、非接触、全自动、,动待测轴系,安全性好、适用面广、测。关键词:;扭振;激光测试TH1TN249文献标识码:A随着大容量机组的快速发展,有关汽轮发电机组轴系的振动及稳定性的研究一直是人们面临的重

2、要研究课题之一。以前人们在小机组上不曾遇到过的许多问题在大机组上出现了,比如扭转振动(以下简称扭振)问题。由于小机组轴系较短、扭转刚度较大,扭振问题并不突出。因此,人们通常只关心轴系的弯曲振动(以下简称弯振)问题,这在小机组上就足够了。随着机组容量的增大,轴系的加长,轴系扭转柔性的增大,扭振问题越来越突出。二十世纪七十年代以后,汽轮发电机组的扭振破坏事故不断发生。著名的美国Mohave1电站300MW机组(1970年)因扭振连续发生了两起严重的断轴事故;意大利一台600MW机组(1970年),英国两台机组(1972年),西德的一台600MW机组(1973年),日本一台600MW机组(1970年

3、)等2的扭振破坏事故都造成了惨重的损失,从而引起世界电力工业界的高度重视,并开展了广泛的理论和实验研究。许多扭振起因于短暂的冲击和瞬变过程,持续几秒、几分的时间就过去了,扭振发生时可能不会转化为较大的噪音和机组基础的振动,没有专门的仪器难以发现,所造成的暗伤也难以察觉。只要扭振造成的疲劳一次一次地加强,形成裂纹、切口,并逐渐扩散,总有一天收稿日期:2000211210基金项目:受教育部博士点基金(编号:9507901)和国家电力公司青年科技促进费项目(编号:95Q05)资助。作者简介:傅忠广,1963年生,男,教授,主要从事大机组状态监测与故障诊断的研究;杨昆,1957年生,男,博士生导师,主

4、要从事大机组状态监测、诊断与维修理论的研究;宋之平,1933年生,男,博士生导师,主要从事现代节能理论和技术、大型机组安全经济运行方面的研究。2现代电力2001年将造成轴系的断裂和崩溃,其后果往往是毁灭性的恶性事故,损失极为惨重。此外,扭振还会引发其它形式的振动,这就更会掩盖它的存在,而引起误判。因此,解决扭振破坏问题,除了一方面在理论上研究扭振特性,使扭振各阶固有频率避开工作频率以外,另一方面就是要对在役设备用专门的仪器进行实测分析。扭转振动的测量远较弯曲振动的测量困难3。最早的扭振测量仪是德国人于1916年发明的机械式扭振仪。这种测试仪无论从安装、校正、成功地使用到数据取得和整理都很麻烦,

5、且精度低,功能差,易磨损,已逐渐被淘汰。二十世纪七十年代后,国内外逐渐开发出了一批电子式扭振仪。如美国亚特兰大科仪公司的2524、2538、SD25-380型,美国本特利公司的TVSC型,英国AEDL公司的TV型,日本PD-840型,国内东南大学的ANZT型、上海成套所的DTV-88型等2。它们都属于非接触式,其基本原理是借助装在轴上的齿轮或均布黑白反光带、码盘,利用磁电传感器或光电传感器输出的每转N个脉冲来测量扭振。当无扭振时,这些脉冲间隔是均匀的,而当转轴发生扭振时,变的扭振转速,获得扭振信号。利用这些技术时,、,同,许多机组无法安装这些装置,设备,因而给扭振测试带来困难。4是利用激光的多

6、普勒效应进行扭振测试。这种测试技术,只需在轴上贴一圈专用纸质反光带,用激光探头对准反光带即可。该技术适用于无法在旋转物体上安装传感器场合的扭振测量。因为该项技术测量扭振不需要接触旋转表面,不需要对待测轴系做任何改装,其测量的简易性和快捷性是其它测试方法所无法比拟的。应用该技术生产的2523型激光扭振仪已被B&K公司推向市场,该产品现已经引入我国。本文下面对激光扭振测试技术的原理、特点及作者应用的情况作一简单介绍。1激光扭振测量原理测量原理示意图如图1所示。激光扭振测试技术的核心是频率稳定而单一的低功率(小于115mW)激光器。激光器发出的激光束被分离成两束等强度的平行激光,两束光之间的距离为d

7、。d=RAcosA+RBcosB(1)式中,RA和RB分别为A点和B点的瞬态旋转半径(图1)。光束照射在转轴表面的A和B两点处,A点和B点的瞬态速度分别为VA和VB。当激光器发射的单一频率的激光从运动物体表面上反射回来时,将会发生多普勒平移(DopplerShift)。平移量fS可由下列方程式确定,(2)fS=2U 式中,U是入射激光束方向的物体运动速度,是激光的波长。因此,A点和B点的反射光的多普勒平移量fA和fB可分别由下列式子给出,)i (V+VA)fB=(2 )i (V+VB)fA=(2 (3)第1期傅忠广等:汽轮发电机组轴系扭振的激光测试技术3其中,V为运动物体的刚体平移速度,对转轴

8、的测量来说相当于转轴的弯振速度;i为激光的入射方向单位向量。由于A点和B点的平移量有微小的差别,当反射光混合照射在光电探测器表面上时,将发生“拍”的现象。探测器输出的电流将被反射激光的频率差或“拍”频率调制。“拍”频率可由下式给出,fD=fA-)i (VA-VB)fB=(2 (4)由上式可见,激光扭振测试的输出信号fD对刚体运动V的敏感性已经被抵消,因而消除了弯振对扭振测试的影响。图1激光扭振测量原理示意图考虑向量差(VA-VB)中,每个向量可写成下列形式,VA=(RAz),VB=(RBz)(5)式中,为转轴的转速,rad s;z为转子旋转轴方向单位向量。则VA-VB=(RA-RB)z=BAz

9、(6)其中,BA表示向量差(RA-RB)。相应地,)z (iBA)fD=(2 (7)其中,向量的叉乘项(iBA)= iBA (sin)t(8)式中,t为垂直于i和BA的单位向量,为两者的夹角。为了简化,可以认为 BA (sin)等于平行激光束分开的距离d,从而,fD)z t=(2d (9)4展开点积项,最终可得fD现代电力2001年)(cos)=(2d (10)式中,是入射激光束平面法线方向与转子旋转轴之间的夹角。如果仪器的入射激光束平面平行于转子的横截面,则=0,从而(11)fD=2d 将光电探测器输出的多普勒(Doppler)频率解调可得到目标转速的时域模拟电压信号,其波动部分就是扭振。由

10、于入射激光束是平行的,因而任何刚体运动都使A点和B点的反射光产生同样的多普勒频移(Dopplerfrequencyshift),反射光在光电传感器上产生的电流输出与频率差成正比,因而测量结果对任何形式的刚体运动不敏感。因此,仪器测量结果不受目标的刚体共振或操作者的影响。根据图1和式(11),A点和B点的反射光产生的频移与A、B关,因而测量结果与部件横截面的几何形状无关。形状物体的测量(例如齿轮等),激光扭振测。当平行激光束),式(10)中的就不是零。,但是手持仪器操作时会使激光(10),操作者或转轴旋转中心的倾斜运动将会由于的变化对多普勒频),上移fD产生调制。实际使用时,只要仪器的入射激光束

11、平面平行于转子的横截面(=0述倾斜的效果可以忽略。2扭振信号的提取激光扭振测量仪的信号处理电路如图2所示。来自于激光传感器的信号主要是与目标转速成正比的频率信号。该信号是调频和调幅的。激光反射束在反光带上的随机位置不同导致图2激光扭振测量仪的信号处理电路示意图第1期傅忠广等:汽轮发电机组轴系扭振的激光测试技术5信号的调幅;信号频率与转速成正比,因而在有扭振的情况下,信号频率受到调制。当扭振激光传感器发出的信号进入扭振测试仪时,信号并行地进入滤波器组和幅值探测器(未绘出)。从滤波器组来的信号进入快速比较器,在此将信号转变成方波。然后,信号半行地进入两个锁相环对调频信号进行解调。如果激光仅被转速调

12、频,也就是说只存在载波,则从锁相环出来的信号只有直流分量。如果载波被调频,则信号既有直流分量,也有交流分量。直流分量即为目标的转速,交流分量是扭振。然后,信号通过调节放大器。从放大器出来,信号通过一个115kHz的低通滤波器。此后信号通过三个不同的回路。直流分量(转速)在信号通过一个011Hz的低通滤波器后就可得到。交流信号(角振动速度)并行通过积分器以获得角振动位移,或直通至一个多路转换器。选定多路转换器的测量模式,从而只有感兴趣的信号通过它进入一套滤波器、增益控制器以及放大器,然后至显示器和交流输出接口。3应用激光扭振测试技术在实用5,6。低,因此应用起来非常方便。本文在图3振动和扭转振动

13、。转子实验台系统直流电机驱动,转速范围010,000RPM,(Proximitor)测量X、Y方向的弯曲振动,用B&K。在不同转速下X、Y向弯4(图中波形1为X向弯振、波形2为Y向弯振、波形3为扭振)。43清楚地显示出集中质量轮盘在不同转速下的扭振情况。实验时未对实验台作任何专门改动,只在轮盘表面上贴了一圈纸质不干胶反光带,应用非常方便。图3本特利实验台示意图4结论激光扭振测试技术是一种先进、实用的技术。它对待测对象的表面状况无特殊要求,可使仪器成功地用于任意横截面形状物体的测量(例如齿轮等),不必局限于圆形横截面部件的扭振测量。而且,激光扭振测振的输出信号fD中消除了弯振对扭振的影响,因此,

14、测量结果对任何形式的刚体运动不敏感,仪器测量结果不受目标的刚体共振或操作者的影响,可以手持测量。手持仪器操作时会使激光束平面倾斜,倾斜将会由于的变化对多普勒频移fD产生调6现代电力2001年图4实验台在不同转速下的弯曲振动和扭转振动波形),上述倾斜的效制。实际使用时,只要仪器的入射激光束平面平行于转子的横截面(=0果可以忽略。激光扭振测试技术在实验室内的应用实践表明,该技术利用激光多普勒效应测扭振具有转速适测范围宽、非接触测量、全自动、测量精度高和测量方便等优点。测量时,不需要改动待测轴系,安全性好、适用面广。可以预测,该技术在监测汽轮发电机组轴系的扭振,测量机组轴系扭振固有频率方面具有良好的

15、应用前景。应用该项技术,对预防严重事故的发生、提高机组运行的安全性、延长机组的使用寿命、提高发电厂的经济效益,均有裨益。参考文献1许楚镇,张恒涛1汽轮发电机组轴系扭振事故剖析和技术开发展望1动力工程,1990,10(2):9142杜极生,张德景1轴系的扭转振动及其分析仪器的研制和应用1现代振动与噪声技术(第2卷),北京:航空工业出版社,200013陈敬平,严普强1旋转轴系扭转振动测量方法评述1见:全国第三届转子动力学学术讨论会论文集ROTDYN92,山东青岛,19921第1期傅忠广等:汽轮发电机组轴系扭振的激光测试技术74HalliwellNA1TheLaserTorsionalVibrome

16、ter:AStepForwardinRotatingMachineryDiagnost2418ics1JournalofSoundandVibration(1996),190(3):3995傅忠广,杨昆,宋之平1转子弯扭振动相互影响的理论模型及实验研究1现代振动与噪声技术(第2卷),北京:航空工业出版社,200016傅忠广1汽轮发电机组轴系弯扭耦合振动特性的理论和实验研究博士学位论文1北京:华北电力大学11999年5月1TheLaserMeasurementTechnologyintheTorsionalVibrationMonitoringaShaftSystemofSteamTurbo-g

17、eneratorUnits1112FuZhongguang,YangKun,SongZhiping,Chen(1.NorthChinaElectricPowerUniversity(),2.DalianMarineDieselWorks(),)AbstractAnadvancedvibrationmonitoringofashaftisinTpleofthetechnologyanditsThelasertechnologyformeasursivibrationhastheadvantagesofwide2speed2valid,non2contact,automation,highprecisionandconveniencemeasuring,etc.Noanymodificationintheshaftsystemareneededwhenmeasuringthetorsionalvibrationbyusingtheadvancedlasertechnology,so,itisasafetytechnologyandcanbeusedtomanykindsofshaftsystemsforthetorsionalvibrationmonitoring.Itisconcludedthat