1发电设备振动测试技术

自我介绍：福建省电力试验研究院动力所胡旦明高级工程师从事旋转机械振动故障诊断与处理工作Emial:[e-mail]第一章发电设备振动测试技术一、振动的基本概念振动是物体运动的一种特殊形式，其特点是某些物理量（如位移、速度、加速度、电流、压力等等）在平均值上下两种状态之间交变的现象。为了研究实际机械系统诸如火力发电厂内的各种水泵、送引风机及汽轮发电机组等的振动特性，我们要用尽量简单的物理模型来表征它们，这类物理模型则称为振动系统。构成这种振动系统力学模型的基本要素是惯性、复原性和阻尼。上述由惯性、复原性、阻尼等要素构成的系统，是在外部激励的作用下发生振动的。振动系统对激励的反应称为响应。振动学就是研究给定系统对激励的响应。汽轮发电机组上发生振动的种类尽管繁多，但是按振动原因来分只有强迫振动和自激振动两大类，强迫振动中由转子不平衡力所引起的振动约占90%左右，这些周期性的振动均可以简化为单自由度的线性系统来处理。振动按照它在时间域内的特征可分为周期振动和非周期振动，周期振动是一种特殊而又常见的运动。振幅、周期和频率是描述周期振动现象的三个基本物理量。汽轮发电机组上实际发生的振动大多是非简谐的周期振动，其波形也是多个简谐振动的合成。二．转子的动力特性1．转子临界转速的物理意义大型汽轮发电机组在升速或降速过程中，当经过某个或某些特定转速时，转子会出现较大的甚至剧烈的振动。当转速离开这些特定转速的一定范围后，运转即趋平稳。通常称这个或这些转速为临界转速。这种现象是由于共振的结果。这个转速在数值上一般非常接近于转子横向自由振动的固有频率。如果转子在临界转速下运行，轻则使转子振动加剧；重则造成事故。特别是转子的动平衡较差时，振动会更大。t现以图1—2(a)所示的最简单的单轮盘立轴为例，来说明转子的临界现象。转子静止时，圆盘形心o’与轴的几何中心o重合，偏心距为e=o’c。当转子开始运转后，由于离心惯性力的作用，轴离开AB直线位置，产生动挠度y=oo’，这将使重心c离旋转中心o的距离变大，使离心力变大，这时离心力为F=m(y+e)ω2此离心力与轴的弹性恢复力ky相平衡，即m（y+e）ω2=ky则y=（3—7）22mkme由上式可以看出：ω增大时，式中的分母变小，轴的挠度y将增大；当ω增大到ω==ωk（3—8）则式（3—7）中的分母为零，y将增大到无穷大，轴将损坏。这个转速便是轴的临界角速度ωk，与其对应的每分钟转数，则称为临界转速，以nk表示，nk=（3—9）所以临界转速在数值上等于转子不转动而作横向自由振动时的固有频率。顺便指出，如把其它一些因素（如回转效应等）考虑进去时，nk与固有频率并不完全相等而是略有偏离。31mEI48mkkk55.9260从图1—2可以看出，转速低于临界转速，即ωωk时，重心c的动挠度大于轴形心o’的动挠度，很易设想，重心c由离心力向外拉出去了。当转速大于临界转速，即ωωk时，却恰恰相反，重心c转到了轴的挠度的内侧，使离心力变小成为m（y—e）ω2，这就是越过临界转速后振动反而变小的原因。为保证转子正常运行，转子设计时，其临界转速要避开工作转速一定范围。对于双支点盘式转子，当工作转速在第一、第二临界转速之间，此时应满足1.4Nk1N0.7NK2；对于变转速运行的转子，一般要求转子第一临界转速比最高工作转速大20-25%。汽轮发电机转子通常遇到的是第一、第二临界转速，当转子的工作转速高于第一临界转速时，这类转子称为挠性转子；反之，称为刚性转子。对刚性转子，要求临界转速高出工作转速20-25%。2．单转子和轴系临界转速的差异轴系是由单转子通过联轴器连接而成的，例如在汽轮发电机组中，有高、中、低汽轮机、发电机和励磁机转子等，各单个转子有其本身的临界转速，组合成一个多跨转子系统后，系统也有其自身的临界转速，轴系与各单转子的临界转速间既有区别，又有联系，其间存在一定规律。利用这一规律，就可估计轴系临界转速的分布情况，此外还可估计在轴系的每一阶主振型中那一转子的振动特别显著等。单转子连成轴系后，原为自由状态的端面连接后受到了约束，相当于在原系统上增加了若干个线性约束条件，使系统的刚性有所增加，轴各阶临界转速要高于相对应的单转子临界转速。现场实测得到的波德曲线上经常会出现一些非临界转速的峰。这些峰可能来自转子-轴承系统与基础耦合形成的共振、轴承座结构共振、转子上存在大不平衡量引起的非线性共振和测量系统电信号干扰等。尤其前两条在现场中是经常遇到的,它们给临界转速的判断带来了一定困难。三．振动测试技术1．振动测试的内容1）新机投运中的振动测试2）运行中的振动监测3）振动试验中的振动测试4）动平衡中的振动测试5）研究性的振动测试2．传感器的种类及选择传感器的选择a.电涡流传感器:是将振动位移的变化转换为电量变化的非接触式传感器。为非接触式测量，通常用于旋转部件的振动测量。转轴的振动即采用涡流传感器测量。b.速度传感器:是将振动速度的变化转换为电量变化的非接触式传感器。c.加速度传感器:是将振动加速度的变化转换为电量变化的非接触式传感器。速度传感器和加速度传感器通常用于接触式测量，广泛用于非旋转部件上振动的测量。振动传感器的安装涡流传感器:（1）初始间隙;（2）被测表面;（3）金属材料;（4）温度影响速度传感器：（1）测点位置要选择正确，传感器的质量中心线必须与轴承的轴线重合。（2)传感器安装要稳固，不能有晃动。3．振动监测的基本参数动态参数有：振幅、频率、相位角、振动波形a．振幅振幅是表征机组振动严重程度或烈度的一项重要指标。它可以用位移、速度或加速度表示，从它的大小或变化可以判断机组是否在平稳地运行。对于振动的度量通常有单峰值、双峰值、平均值和有效值四种方法（图3-7）。但汽轮发电机组振动的度量主要是以峰值，并且是以峰与峰之间的振动值即所谓双峰值为度量标准。振动信号分析与处理的最基本和最重要的内容，就是从合成波形中检测出基频信号，并准确地测定其幅值和相位。基频检测的重要性是因为旋转机械的许多振动问题研究都是与基频有关。由质量不平衡引起的振动是基频振动。因此，在进行动平衡时，要求较准确地测定基频的幅值与相位。在研究转子轴的不平衡响应，测定影响系数，也需要测定基频的幅值与相位。实测机组的临界转速，就是依据基频的幅值与相位来判断。位移随着振动测量技术的进步，目前大型机组上大多数都安装了测量轴振的装置，，它可以同时测出轴承的绝对振动、轴的相对振动和轴的绝对振动。轴承的绝对振动是指以地面为参考坐标测得的振幅值。轴的相对振动是指以轴承为参考坐标测量的轴振。用非接触式电涡流传感器固定在轴承上就可测得轴的相对振动。轴的绝对振动是以地面为参考坐标的轴振，采用复合式传感器即可直接测出轴的绝对振动。b．频率振动的频率通常以机械工作转速的倍数来表示（1×，2×等等）。振动频率对分析振动原因有着特别重要的作用，不同的振动源,其振动频率一般也是不同的。某一特定频率的振动可能和机器的多种故障相连，我们不应简单地企图将某一特征频率和某一特殊故障直接联系起来。分析振动故障时，频率是重要的参量，它有助于我们对振动进行分类，但是它仅是一种参量。如要得到正确的结果，就必须对所有相关的参量进行综合分析。c．相位角在旋转机械中，相位有其特定的明确的含义，它是指基频信号的正最大处相对于转轴上某一确定标记的相位差。从仪器测量的相位角，我们可以找到转子上振动高点与某一固定点之间的相对位置，进而由高点位置来确定转子上残余不平衡的位置。转子平衡状态的任一变化都会引起振动高点变化，这种变化通过相角、振幅或二者的共同变化反映出来。d．振动波形振动的通频振动波形是该点机械振动电量的实时显示，由波形可以最直观了解机器的运行状况。在振动分析中，由波形可以直观地看出振动有无高次谐波、幅值如何、振幅是否稳定等。此外，振动波形有时还有其他参数或图形所不能替代的重要作用。ROTATION:YTO(CW)静态参数有：轴心径向平均位置、轴向位置、差胀、缸体的膨胀、偏心度、轴承油膜压力a．轴心径向平均位置轴心径向平均位置（简称轴心位置）是指在轴心没有径向振动时，轴心相对于轴承座的位置。轴心的径向相对振动即是围绕此轴心位置而产生的。轴心位置通常用偏心距ｅ和偏位角α来定位。b．轴向位置轴向位置是指推力盘和止推轴承之间的相对位置。通过对该参数的监测就是要避免机组转子与静子之间发生严重轴向摩擦，使其不会产生灾难性事故。c．差胀差胀是转轴与机器缸体之间的相对膨胀。d、缸体的膨胀对大型机组除了测量差胀之外，还要监视缸体的膨胀。知道了缸体的膨胀和差胀，就可以确定转子或是缸体的膨胀情况。如果缸体膨胀不畅，自然就会引起振动。e、偏心度（峰-峰值）偏心度（峰-峰值）是指转轴静态时的弯曲量。f．轴承油膜压力大型汽轮发电机组上各主轴承一般都装有顶轴油压表，顶轴油泵停止后，顶轴油压实际上反映了油膜的压力。4．振动测试仪器汽轮发电机组的振动测试所使用的仪器包括安装于机组的用于长期在线监测的装置（TSI），以及用于振动试验时的便携式振动测试仪器两大类。5.振动测试方法1）机组启动中的振动测试2）不同负荷下机组各轴承振动的测量(1)首先应全面测试(2)重点监测(3)测量基频振幅同时测量通频振幅(4)转子上应作固定测相标记3）转子平衡时振幅和相位的测量转子平衡时主要测量的是有关测点的转轴或轴承基频振幅和相位。转子动平衡是以振动向量为计算依据的，而轴承的振动向量是以基频振幅和相位来定的。因此不论是原始振动还是试加重后的振动，一般至少测量2~3遍，从中选取有代表性的振幅和相位。转子平衡技巧的一个重要方面是测准转子临界转速下振幅和相位。因为只有在临界转速时才能实现振型正交，只有在临界转速下才能正确地判定该阶不平衡分量的位置，从而有效地加以平衡。四．振动评价标准1．振动标准的作用对于各类旋转机械，因其运行条件和具体要求各异，振动标准也各不相同。各个国家一般都有自己的国家级振动标准，这些标准主要建立在已有机组运行经验的基础上。尽管这些标准和规定目前还不很完善，但是按照这样的标准和规定执行，一般能保证机组的安全运行。表征振动大小的参数有三个，即位移（振幅）、速度和加速度。目前评定现场运行机组振动状况的标准有三种尺度：轴承振幅、转轴振幅和轴承振动烈度。制定这三种尺度的主要出发点都是为了避免转动部件和静止部件应力过载、轴瓦过载、动静碰磨、转动部件过度磨损、防止与振动有关的故障进一步扩大。2．机组振动标准a.轴承振动的振幅标准汽轮发电机组轴承座振动界限值（位移、峰-峰值、μm）汽轮发电机组转速（r／min）优良合格1500305070300203070b.转轴振动的标准各区域转轴相对振动位移界限值转速rpm区域1500180030003600转轴相对振动位移（峰—峰值μm）A/B12011010090B/C170~240160~220150~200145~180C/D265~385265~350250~320245~290在各区域转轴绝对振动界限值转速rpm区域1500180030003600转轴相对振动位移（峰—峰值μm）A/B100908075B/C120~200120~185120~165120~150C/D200~320185~290180~260180~240c.轴承振动的烈度标准国际GB11347—89（ISO3945—1985），600—12000rpm大型旋转机械振动烈度推荐值振动烈度支承形式Vrms（mm/s）0.460.711.121.82.84.67.111.2182871刚性支承优良尚可不允许柔性支承优良尚可不允许d.振动保护设定的原则振动保护的主要作用是在机组振动迅速增大而达到预定的限额时，能自动发出信号报警或停机，以避免重大振动事故的发生。