汽轮机刚性转子振动测试综合实验实验指导书

实验二汽轮机刚性转子振动测试综合实验汽轮发电机组是一种高速旋转机械，其转子的运转状态是机组技术管理水平高低的一个重要标志。

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。

本实验主要就在现有振动测量手段和试验条件下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的振动的目的。

振动的大小是机组安装、检修和运行等技术管理水平高低的一个重要标志。

转动机械不可避免地总有些振动存在，为了保证机组长期运行的安全，应努力将机组的振动降低到允许范围内，并力争达到优良标准。

振动的大小常以振幅的大小来表示，我国现在通用的轴承振动振幅大小的评价标准如下表所示。

表中的振幅是指在轴承上测得的全振幅(亦称双振幅) 。

测量时应分别测量轴承顶部中间垂直方向轴承水平接合面中间的水平方向以及轴承端部轴的上方的轴向方向三个方向的振动，以三个方向中的最大的一个振幅值来评价。

近几年来国内先后制造了引进型300MW、600MW和1000MW机组，这些机组运行采用了美国西屋和GE公司轴振标准(如下表)，这一标准目前国内在大机组上应用较为普遍。

注：R—转轴相对振动；abs—转轴绝对振动。

引起汽轮发电机组振动的原因很多，诸如:设备制造中留下的缺陷:如转子出厂时剩余不平衡质量过大，转子在热态下产生弯曲变形，以及某些部件刚度不足；有的是因为安装或检修上的问题：如基础垫铁、台板、滑销、轴承、机组找中心等工艺未达到规定要求；也有的是运行中的原因: 如机组启动操作不当，产生磨擦或水冲击，叶片的冲蚀、腐蚀与结垢，或者是部分叶片损坏；还有电气方面、油膜振荡等等原因。

首先要正确地分析和判断产生强烈振动的原因所在，以便妥善处理。

当汽轮机转子剩余不平衡质量过大时，由于离心力的作用，转子产生振动，转子通过轴颈传递到轴承上，从而形成轴承、基础和整机的振动。

尤其是在临界转速附近，振动更为剧烈，振幅明显增大。

为了将由于转子剩余不平衡质量引起的振动减小到机组振动标准内，需要对转子进行平衡。

本实验采用脉冲测相法找动平衡。

一、实验目的1. 了解刚性转子的振动特点。

2. 了解转子振动的评价标准。

3. 掌握电涡流传感器与速度传感器的基本工作原理和基本使用方法。

4. 掌握转子质量不平衡振动故障的基本特征与主要诊断方法。

5. 掌握脉冲测相找平衡的原理和方法。

二、实验仪器设备1. 电涡流传感器2. 速度传感器3. 架盘天平4. 平衡块若干5. 美国本特利公司旋转设备自动故障诊断系统: ADRE for Windows / 208P三、仪器的原理和使用1. ADRE for Windows / 208PADRE （旋转设备自动故障诊断）系统是一个功能强大的便携式故障诊断系统，用于在启机/停机和稳态模式下高速、同步采集最多16个通道的振动以及其它机器数据。

它用于测试以及无法采用在线状态监测系统的现场和实验室工作。

ADRE 系统由电池或电源供电的便携式数据采集设备（208 P）和配套软件组成。

2．电涡流传感器电涡流传感器的外形如图1所示，它的外形与普通螺栓十分相似，其头部有扁平的感应线圈，将它固定在不锈钢螺栓一端，感应线圈的引线从螺栓另一端与高频电缆相连。

当头部感应线圈通上高频电流时，线圈周围就产生了高频电磁场；如其周围有金属导体，便会在金属表面产生感应电流，即电涡流，根据楞次定律，线圈的电磁场方向相反，这两个磁场相互叠加，改变了感应线圈的阻抗，感应线圈内阻抗变化可用下式表示。

Z =f( μ、γ 、r 、χ、I 、ω )式中μ—导磁系数；γ—电导率；r —线圈尺寸因子；X—感应线圈与导体之间的间隙；I—励磁电流；ω—励磁电流圆频率。

当金属导体结构均匀、各向同性且μ、γ、r 、I 、ω一定时，感应线圈阻抗Z 的变化是感应线圈与金属导体之间距离的单值函数。

如果当μ、γ、X、I 、ω一定时，增大线圈尺寸r，磁场分布范围将增大，但感应磁场强度的变化幅度减少，反之，则相反。

因此这种传感器的线性范围随感应线圈直径增大而加大，而传感器灵敏度( 单位间隙的阻抗变化值) 随感应线圈直径增大而减少。

为了使感应线圈获得高频电流，应将感应线圈接入振荡回路，由此在高频振荡回路输出端可以获得与间隙χ有关的高频谐波，该信号经放大、检波、滤波后，便可得到一个与χ值成正比的输出电压，输出电压的直流分量正比于感应线圈与金属导体之间的静态间隙；若线圈与金属板之间存在相对振动，则有交流电压输出，它正比于金属板与感应线圈之间的相对位移，因此这种传感器又称位移传感器，它不但可作静态测量，例如两个物体之间的距离、金属板的厚度等，而且还可以作动态测量。

电涡流传感器检测到的交直流信号是叠加在线圈的高频电源上的，如果直接将这种混频信号送到振动仪，即使采用高频电缆，也会使传感器灵敏度显著降低，而且易受干扰。

为防止这些不利影响，必须在电涡流传感器附近设置放大器、检波器和滤波器，将振动信号放大并检出后送到振动仪。

这一装置称为电涡流传感器的前置器。

前置器到电涡流传感器的高频电缆是由制造厂精心调配好的，不同型号或不同系列的传感器不能互换，而且不能延长和截短。

有些电涡流传感器为了安装方便，制造厂配制了延长线，目前最长达10m 。

但凡是配制了延长线的电涡流传感器，使用时必须将延长线接上，否则仪表指示值和零位与实际不符。

3. 速度传感器速度传感器是目前较常见的一种振动传感器，它的工作原理实际上是一个往复式永磁小发电机。

按其支承系统工作原理分，有绝对式和相对式两种。

绝对式速度传感器的结构如图 2 所示，当传感器的外壳 6 固定在振动物体上时，整个传感器跟着振动物体一起振动，而处在空气间隙内的动线圈7 是用很软的簧片1 、8 固定在外壳上的，其自振频率ωn 较低。

当振动物体的振动频率ω>1.5ωn 时，图 2 绝对式速度传感器的结构1，8 一簧片；2 一永久磁钢；3 一阻尼杯；4 一导磁体；5 一连接杆；6 一外壳；7 一动线圈；9一引出线接头动线圈处在相对( 相对于传感器外壳) 静止状态，线圈与磁钢之间发生相对运动，动线圈切割磁力线而产生感应电势E：E=BLv式中B—磁场强度；L —感应线圈导线长度；v—相对运动速度。

当 B 、L 一定时，输出电势E 正比于振动速度v ，所以称它为速度传感器。

又因为其振动的相对速度是相对于空间某一静止点而言，故又称为绝对式速度传感器，或称地震式速度传感器。

相对式速度传感器工作原理和绝对式速度传感器基本相同，不同的是动线圈采用较硬的簧片和外壳固定，与动线圈直接相连的拾振杆伸出传感器外壳，测量振动时将拾振杆直接压在振动物体上，传感器外壳固定在支架上，测量的振动是表示支架相对于物体的振动，所以称它为相对式速度传感器。

由于拾振杆与振动物体间存在摩擦，因此这种传感器目前很少采用。

不论是绝对式还是相对式速度传感器，若要取得与振动位移成正比的振动信号，传感器输出的信号必须经积分回路，这种电路一般都设在仪表本体内，但少数振动仪将这一电路单独分离出来，称它为速度/ 位移转换器(VDC)，如美国本特利的速度传感器附带这种转换器，而仪表本体内还设有积分电路。

这种外设积分电路给记录振动位移信号和检查振动仪输入回路是否正常带来方便，但投资也相应增加(VDC 与速度传感器的价格相当) 。

三、有关内容的补充（一）振动通常分为绝对振动和相对振动相对于空间某一静止点的振动，称绝对振动。

地震仪测出的某一点地壳振动，是绝对振动。

使用速度传感器测量的轴承或转轴振动是绝对振动，因此将这种速度传感器也称作地震式传感器。

相对振动是指相对于某一物体之间的振动，例如使用电涡流传感器或相对式速度传感器，将传感器支架固定在支座上，测量另一个物体或转轴的振动。

（二）刚性转子及振动的消除刚性转子，是指转子的刚性较大，转子旋转时，其中心线不发生变化的转子。

为研究问题简化起见，通常都将跨度相对于轴径的比值不很大的转子视为刚性转子。

我们将要进行平衡的转子，即是这种转子。

刚性转子进行动平衡的目的，是消除振动。

其条件是没有周期性的扰动力作用。

因此，刚性转子的平衡问题归结为选择一定的加重重量、加重平面及适当的方法，使其所产生的离心力和不平衡质量所引起的离心力组成的力系的合力和合力矩均为零。

（三）转子不平衡的振动特征所有不平衡都可归结为转子的质量偏心。

根据分析可知，转子不平衡的振动特征是:1.圆盘的中心轨迹是圆或椭圆。

2.各圆盘的稳态振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值.因此转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大。

实际上，由于轴承在不同的方向上刚度不相等，油膜阻尼的非线性以及转子的非线性等因素的影响，使轴承在不同方向上的振动大小并不一样，通常是水平方向刚度较小，振动幅值较大，使轴心轨迹成为椭圆形，如图3.a 所示并且会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“枞树形”.如图 4 所示.(a) 典型不平衡(b) 转子不对中(c) 典型的转轴涡动图3 典型故障的轴心轨迹由试验和理论分析可知，不同的轴心轨迹对应于一定的机组故障。

因此，根据轴心轨迹有时可以方便地判断机器的故障，图3(a) 所示形状带有微椭圆形，这是典型不平衡的图形；图3(b) 为香蕉形轨迹，这是典型的转子不对中的图形；图3(c) 为双环形轨迹，这是典型的转轴涡动的图形。

（三）动平衡的原理（见图5）实际转子的不平衡质量的分布是各式各样的，我们可以将转子看成是由多个圆盘组成的。

假定各圆盘都有不平衡质量存在，转子转动时产生了离心力F1、F2、F3……Fk。

根据力学原理可把每个圆盘的不平衡力都分解成A、B两个平面中的两个力。

例如：→1F可分解为→AF1、→BF1。

→1F＝→AF1＋→BF1，→AF1∙AL1＝→BF1∙BL1即整个转子的不平衡力可用A、B面上的许多力来代替。

而这许多力又可以进行合成，最终成为两个平衡面上的两个合力，这样，要使转子得到平衡就很简单了。

只要在平面A、B上加上适当的平衡重量QA、QB，使其产生的离心力与FA和FB大小相等方向相反即可。

( 四) 刚性转子的高速动平衡1. 平衡工作的基础——两个线性条件：(1)阻尼一定，不平衡重量所处半径r 及角速度ω不变时，轴承振幅与不平衡重量的大小成正比。

(2) 阻尼一定，角速度ω不变时，轴承的振幅滞后于扰动力的角度不变。

以上两个线性条件是在理想情况下得出的。

实际上转子和轴承等弹性物体构成的振动来源较复杂，存在着轴承刚度、油膜抗振强度、及中心不正等非线性因素，它们会使轴承振动与转子不平衡质量间并不具有准确的线性关系。

因此平衡工作中，应用线性条件进行平衡重量的大小和位置的计算会造成一定的误差，但总的来说，精确度还是足够的。