燃气轮机测试-第7章 旋转机械参数测量技术

07第7章

旋转机械参数测量技术7.1应力测量·7.2转速和扭矩测量·7.3振动测量·7.4叶尖间隙测量应力：钻孔法与纳米压痕法（机械法）／X射线衍射法与超声波法（物理法）转速与扭矩：频闪／计数／激光测速，相位差式与应变式扭矩仪振动：相对式／惯性式测振仪、涡电流式位移传感器、频谱分析叶尖间隙：放电探针法、电容法、电涡流法、激光三角测量法机械工业出版社·教材配套课件第7章

旋转机械参数测量技术

燃气轮机试验与测试技术7.1应力测量：对象、意义与分类7.1应力测量应力与应力集中是燃气轮机叶片发生失效的主要原因之一。机械法·有损物理法·无损机械法：钻孔法、纳米压痕法将具有应力的部分从构件中分离或切割出来，使应力释放；再测量其应变的变化求出应力，是一种间接测量手段。会对工件造成一定的损伤和破坏，但理论完善、技术成熟、测量精度较高，目前在现场测试中应用广泛。物理测量方法：X射线衍射法、超声波法这类方法均属于无损检测，对工件不会造成破坏，可以在不破坏构件的条件下获得表层或内部的应力信息。主要不足是设备与实施成本相对较高。分析材料的应力分布及应力状态下的物理性质具有理论研究与实际应用价值，应力测试是实现这一价值的必要手段。机械工业出版社·教材配套课件第7章

旋转机械参数测量技术燃气轮机试验与测试技术7.1.1–7.1.2钻孔法与纳米压痕法图7-1盲孔法测试的应变花图7-2典型的载荷−位移曲线图7-3压头压入材料与卸载后的参数7.1.1钻孔法（小孔释放法）①

有损测试：待测表面圆周三等分分布三条应变片，钻一孔测应变变化，由松弛应力算应力。②

通孔法释放系数可理论计算，盲孔法需试验标定；盲孔损伤更小，工程上更普遍。③

孔边径向应力迅速降零、附近应力重分布即应力释放，据此反推σ1、σ2与主方向角θ。④优点：操作简单、成本低、速率高、应用广；缺点：仅适用平面应力、易产生加工应变。7.1.2纳米压痕法①

又称深度敏感压痕技术，以赫兹理论为基础；应力高度集中于接触附近区域。②

加载时材料经历弹性与塑性变形，卸载仅恢复弹性位移；硬度与弹性性能可由卸载曲线分析得到。③

参数hmax、hc、hs、hf见式(7-3)~(7-8)，接触面积与硬度见(7-7)、(7-8)。④不能直接得应力值，只能借应力与压痕参数的映射关系间接求得。机械工业出版社·教材配套课件第7章

旋转机械参数测量技术燃气轮机试验与测试技术7.1.3

X射线衍射法测量原理：晶面间距变化表征应力布拉格定律：2dsinθ=nλ

(7-9)另一表达式：2dcosφ=nλ

(7-10)，φ

为入射光与晶面法线夹角只有λ<2d时才满足衍射条件；应变εφψ=(dφψ−d0)/d0

(7-12)结合广义胡克定律(7-11)，可由微观晶面间距求宏观应力——X射线检测应力的理论基础。(7-13)为基本公式：σ

为方位角φ对应的二维应力，K为应力常数，θ0为无应力时的衍射角。只能测表面应力；测梯度分布需结合电解抛光法逐层抛光、逐层测试。优点：理论成熟、精度高、结果准确可靠；可直接测实际工件、无须制样，属非破坏性试验；束径可控制在2~3mm内，剥层后可测应力沿层深分布。缺点：设备费用贵；穿透深度有限，测深层应力须破坏构件并引起应力松弛与附加应力场；表面状态影响大；sin²ψ法扫描定峰可能出现“突变”。图7-4

X射线衍射法测量原理图7-5

X射线应力测量设备机械工业出版社·教材配套课件第7章

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燃气轮机试验与测试技术7.1.4超声波法图7-6应力梯度检测原理图图7-7

LCR波渗透深度与频率的关系图7-8应力梯度超声波检测模型声弹性效应与LCR波声弹性效应主要取决于材料内部应变大小；纵波传播快、衰减小且对应力敏感。ρ0v²=λ+2μ+(…)

(7-14)；应力变化量关系dσ=K0dt

(7-16)斜入射激发LCR波，渗透深度D=c·f⁻⁰·⁹⁶

(7-17)梯度检测模型（长L、厚d）：σi-j由式(7-18)~(7-21)计算硬件：发射装置、发射/接收探头、同步触发系统、高速采集卡、计算机精确测量LCR波传播的声时或声时差，即可由(7-16)计算对应应力值。超声波法的特点①

方向性好，可实现定向发射。②

穿透能力强，金属中可达数米，可无损测量表面与内部应力分布。③

用新型电磁换能器可不接触测量，不损伤构件表面。④

仪器便于携带到现场，配上换能器还可探伤、测弹性模量。⑤

须做标定试验，受声耦合层厚度、材料组织、环境温度影响。机械工业出版社·教材配套课件第7章

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·燃气轮机试验与测试技术7.2.1转速测量：频闪式与计数式频闪式转速测量仪的信号流程：标准频率→分频→尖脉冲→门控闪光→视觉暂留判读石英晶体振荡器→分频器调频→尖脉冲→门控闸流管→闪光管脉冲光→照射被测轴图7-9频闪式转速测量仪原理示意图图7-10光电式转速传感器的原理频闪式：n=60f/p

(7-22)f为闪光频率，p为轴上黑色或白色长条数目；同步时轴看上去静止。轴转速为闪光频率整数倍时轴也似乎静止，须将闪光频率按整数倍调高至最高值再计算。精度一般为1%~2%，测量范围300~2×10⁵r/min。计数式：传感器+数字式测频仪光电式：由光源、聚光镜、半透膜玻璃及光电管组成；轴面相间贴反光材料与涂黑。f=z1n/60

(7-23)，z1为轴上反射面条数。机械工业出版社·教材配套课件第7章

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·燃气轮机试验与测试技术测速传感器与数字测频图7-11磁电式转速传感器图7-12数字式测频仪的电路原理磁电式转速传感器①

由磁钢、线圈、芯轴和磁导体组成；轴上齿轮使气隙与磁阻不断改变，线圈磁通变化产生交变感应电动势。②f=zc·n/60

(7-24)；提高低速测量精度应适当增多齿数，透平机械用磁电式精度可达1%。③

数字式测频仪f=N/τ

(7-25)，n=60N/(zc·τ)

(7-26)；zc对磁电式为齿数、对光电式为条纹数。测频仪电路与判读含放大整形、石英晶体振荡器、标准时间分频器、门控与延时复零、主门、计数与数字显示。当标准时间信号τ与zc的乘积为60时，可实现n=N，计数器显示数即为转速。激光转速仪：工作距离可达10m；有振动与回转运动时仍可测；抗杂光干扰强，可测玻璃罩壳内电动机转速。机械工业出版社·教材配套课件第7章

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燃气轮机试验与测试技术7.2.2相位差式扭矩仪图7-14相位扭矩测量原理图7-15双门数字扭矩测量仪的电路扭矩测量的三类方法①

能量转换法：由电压、电流、流量、压力得功率，结合转速求扭矩；误差±(10%~15%)，仅在直接测量无法进行时采用。②

平衡力法：测反作用力矩，属间接测量，一般只用于相对稳态测量，不适合动态测量。③

传递法：仪器小巧轻便、可串接或附装于传动轴，不改结构、不移部件，便于现场测试且结果精确，工程上常采用。相位差式扭矩仪的原理①

弹性轴受扭矩产生扭转角φ，轴指定后扭矩与扭转角成正比(7-27)、(7-28)；对直径d的圆轴I=πd⁴/32。②

相位差变化量Δθ=nsφ

(7-29)，ns为圆盘转一圈产生的信号个数，与齿数相等。③Δθ不能大于2π，即nsφ<2π

(7-30)；考虑正反向与起动扭矩，通常取0<nsφ<π/2

(7-31)。④

双门数字扭矩仪显示时基内的平均值：Nd=N−N0，M与Nd成正比(7-32)，时基τ可在0.0001~0.999s内选择。机械工业出版社·教材配套课件第7章

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燃气轮机试验与测试技术应变式扭矩测量仪应变式扭矩测量原理①

等截面、直径d的圆柱形扭轴，其应力σ与扭矩M的关系见式(7-34)。②

由材料力学σ=εG

(7-35)，G为剪切模数，ε

为扭轴的应变。③ε45与ε135为扭轴表面与轴线成45°、135°螺旋线的主应变值，与扭矩的关系见式(7-36)。④

钢箔式组合片把两片应变片成90°贴在0.1mm厚钢箔上，点焊到传动轴表面即可，简化了试验工作。全桥电路①

在45°、135°两方向各贴两组钢箔式组合片并联成全桥（图7-17b）。②R1=R2=R3=R4=R，ε1=−ε2=ε3=−ε4，故ΔR1=−ΔR2=ΔR3=−ΔR4

(7-37)。③U=KεU0

(7-38)，电压与应变成正比；电桥对扭转应力灵敏，对轴向与弯曲应力不灵敏。图7-17应变式扭矩测量原理与一般应力测量的差异①

测应力时，电阻应变片与电阻应变仪之间可用导线直接传递信号和供给电源。②

测扭矩时转动轴是旋转件，传感器与应变仪之间不能单靠导线传递信号，必须增添一套集流装置。③

以往采用接触型集流环较多，但其在高转速下精度及工作寿命均不能满足要求。机械工业出版社·教材配套课件第7章

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燃气轮机试验与测试技术7.3振动测量的对象与分类振动的危害①

使部件内应力增加、承受动力或重复载荷，导致疲劳损伤与寿命缩短。②

振动频率与固有频率相同时发生共振，严重过载，使设备不能工作甚至破坏。③

消耗能量、降低效率；影响机器设备工作性能，造成误差以致使设备不能工作。④

通过连接的构件和机座使地面振动，扰动周围和邻接的其他设备。分类、量值与测振系统分类：自由／强迫／自激；线性／非线性；确定性／随机振动。振动量以位移、速度、加速度表示；速度传感器配微分放大器得加速度历程，配积分放大器得位移历程。表7-1振动参比量值（ISO1683）振动参比量相对参考值/dB参比值振动位移级Lx=20lg(x/xr)xr=10⁻¹¹m振动速度级Lv=20lg(v/vr)vr=10⁻⁶m/s振动加速度级La=20lg(a/ar)ar=10⁻⁵m/s²图7-18测振仪器的分类图7-19振动测量系统的构成机械工业出版社·教材配套课件第7章

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燃气轮机试验与测试技术相对式与惯性式测振仪图7-20相对式测振仪的工作原理图7-21磁电式相对速度传感器结构图7-22惯性式测振仪原理7.3.1相对式测振仪①

测杆应始终与被测对象保持接触；通常m1≫m、k1≫k，活动系统运动由被测对象决定。②

受力平衡F−N−Q=0

(7-39)；简谐振动时最大惯性力Qm=mω²xm。③

跟随条件N>0即F−Q>0，得kδ>mω²xm

(7-40)；须满足δ>xm

(7-41)。④

磁电式相对速度传感器：E=−BU·L·v·Nc

(7-42)，E与v成正比，属速度传感器。⑤

不需外加电源、灵敏度高、输出阻抗低；但有活动部件、动态范围有限，最高工作频率一般难达2000Hz以上。7.3.2惯性式测振仪①

检振部件可简化为壳体上弹簧、阻尼器和质量块构成的单自由度振荡系统（图7-22）。②z=y−x；动力方程m·d²z/dt²+C·dz/dt+kz=−m·d²x/dt²

(7-43)。③

幅频特性Sd、相频特性φd是ωn、ξ、ω

与x的函数(7-47)~(7-50)；理想特性为幅频常数、相频与ω成正比。机械工业出版社·教材配套课件第7章

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燃气轮机试验与测试技术加速度传感器：应变式与压电式图7-23应变式加速度传感器图7-24石英晶体的压电效应1.应变式加速度传感器①

悬臂梁式：等强度梁作弹性元件，一端固定于壳体基座，另一端装质量块；刚度K见(7-51)，自振频率fn见(7-53)。②

壳体内充满硅油以调节阻尼，自振频率变为(7-54)；β=0.7且f≤0.4fn时质量块位移正比于加速度。③

梁上下各贴两片应变片，R1=R2=R3=R4=R；ΔU=U0·KR·ε

(7-55)，上下片纵横组合时见(7-56)。④

优点：灵敏度高、线性好、结构紧凑、抗环境噪声强。⑤

缺点：对温度变化敏感、需温度补偿；安装要求严格，不当会引起测量误差。2.压电晶体加速度传感器①

石英三主轴线：z为光轴、x为电轴、y为机械轴；沿x加力为纵向压电效应，沿y加力为横向压电效应，沿z加力不产生电荷。②

两极板间电压u见(7-57)；输出有电荷灵敏度Sq与电压灵敏度Su，见(7-58)、(7-59)。③

多片晶体可并联Q=nq、U=u、C=nc0

(7-60)，适测慢变信号；串联Q=q、U=nu、C=c0/n

(7-61)，适测快变信号。④

中心压缩型取ω/ωn≤0.2、β=0.01~0.04；电荷q与加速度成正比，见(7-62)~(7-64)。机械工业出版社·教材配套课件第7章

旋转机械参数测量技术燃气轮机试验与测试技术7.3.3涡电流式振动位移传感器涡电流式传感器原理①

涡电流：金属体置于交变磁场中时体内产生的感应电流，自成回路；其磁场阻止原磁场变化。②

电感线圈与电容器并联构成LC谐振电路，此电路的谐振频率在1MHz以上。③

线圈磁场Φi使导体产生涡流（其磁场Φe与Φi相反），叠加后线圈磁通总值变化；由L=dΦ/di使LC电路阻抗变化，E0随之变化。④

被测对象确定后，E0只随传感器与物体间距离δ变化，即E0=f(δ)

(7-65)。测量线路与安装位置①

石英晶体振荡器提供1MHz高频信号，经耦合电阻加至L、C并联谐振电路；E0经场效应管阻抗变换级、交流放大器、倍压检波器后输出到显示记录仪表（图7-28）。②

放大器输出电压U与δ仅在δ1~δ2内呈线性；理想安装位置取线性范围中点δ0，并可将输出调为0（图7-29）。③

优点：非接触；线性范围大、与被测体和传感器间介质无关；抗干扰性强、动态性能好、测量频率范围宽。图7-27涡电流传感器原理图图7-28涡电流式传感器测量线路图图7-29输出电压U与距离δ的关系机械工业出版社·教材配套课件第7章

旋转机械参数测量技术燃气轮机试验与测试技术7.3.4辅助振动测试仪器图7-30微积分放大器电路框图图7-31调频放大系统框图图7-32恒定百分比带宽频谱分析仪原理1.测振放大器（二次仪表）①

对信号有放大作用，一般还具有积分、微分和滤波功能；输入特性须满足传感器输出要求，输出特性应符合记录设备要求。②

直接放大形式：含积分、微分运算网络与滤波网络，配合压电式和磁电式传感器使用（图7-30）。③

载波放大形式：信号先经载波调制再放大，再检波解调恢复原波形，配合参数变化型非接触式传感器（图7-31）。2.振动分析仪器测振仪用位移、速度或加速度表示振动信号的峰值、平均值或有效值，只能获得振动强度（振级）。为得到更多信息需做概率密度分析、相关分析和谱分析，采用频谱分析仪，分模拟式与数字式两大类。恒定百分比带宽频谱分析仪倍频程滤波器fHi=2ⁿfLi

(7-66)；带宽B=(2ⁿ−1)fLi

(7-68)，B/f0i为相对带宽，采用顺序滤波法。机械工业出版社·教材配套课件第7章

旋转机械参数测量技术燃气轮机试验与测试技术恒带宽／实时频谱分析与仪器选用原则图7-33外差式频谱分析仪原理图7-34并联滤波器实时频谱分析仪原理（2）恒带宽频谱分析仪滤波器中心频率连续可调、分析带宽恒定；外差式跟踪滤波器使中心频率自动跟随参考信号，当fr−fx=f0时中频放大滤波器才有输出，输出正比于fx幅度（图7-33）。（3）实时频谱分析仪并联滤波器方案：各通道经检波器、积分器接至电子转换开关，高速依次反复接通并显示各通道输出量（图7-34）；并联滤波器数量有限，故不能做窄带分析。3.振动测试仪器的选用原则（7项主要性能）灵敏度频率响应特性线性范围稳定性精度自重和体积输入、输出阻抗测加速度时要求传感器的质量小于被测试对象质量的1/10；传感器经常安装在被测试对象上，会不同程度影响其振动状态。机械工业出版社·教材配套课件第7章

旋转机械参数测量技术燃气轮机试验与测试技术7.4叶尖间隙测量：放电探针法与电容法叶尖间隙：效率、安全与变化规律①

高温部件永久性变形甚至断裂引起的故障占故障总数60%以上。②

间隙每增大叶片长度值的

1%，效率就下降

1.5%，燃料量增加

3%

左右。③

间隙过小时温度变化会引起叶片膨胀或机匣收缩，导致叶片与机匣摩擦；通常间隙范围0~2.5mm。④

加速时机匣膨胀大于叶片→间隙变大；稳定工况下叶片受热伸长→间隙又变小；减速过程相反。放电探针法与电容法①

放电探针法：探针施高压并逐步接近叶片，距离达微米级时火花放电，探