汽轮机原理实验指导书

汽轮机原理实验指导书华北电力大学能源与动力工程学院-1-实验一ZT-3转子振动模拟试台目录一、实验目的二、组成及技术参数三、安装与一般操作（一）轴承座的安装（二）转子与轴的安装（三）平衡螺钉的安装（四）联轴节的使用和安装（五）转速测量（键相）传感器的安装（六）电涡流传感器的安装（七）摩擦螺钉架的使用四、典型试验的操作（一）振动观察（临界转速和质量不平衡）（二）摩擦（三）涡动与油膜振荡1、涡动2、油膜振荡（四）自由转子扰动附录模拟台调速器使用说明-2-一、实验目的本转子振动模拟试验台是一种用来模拟旋转机械振动的试验装置。主要用于实验室验证挠性转子轴系的强迫振动和自激振动特性。它能有效地再现大型旋转机械所产生的多种振动现象。通过不同的选择改变转子转速、轴系刚度、质量不平衡、轴承的摩擦或冲击条件以及联轴节的型式来模拟机器的运行状态，由配置的检测仪表来观察和记录其振动特性。电涡流传感器、光电传感器及ZXP-8型动平衡分析仪与试验台配套，使实验能很方便地描绘出波特图（幅频和相频特性曲线）、频谱图。该试验台在ZXP-F16D转子试验台振动数据采集分析系统上模拟出各种旋转机械的故障,并通过棒图、振动通频值、数据列表、幅值趋势图、时域波形、频谱图、轴心轨迹、二维全息谱、波德图、趋势分析图、极坐标图、轴中心线图、层叠图、瀑布图等14种振动监测、分析图表反映出来。二、组成及技术参数本试验台采用直流并励电动机驱动方案，电机轴经联轴器直接驱动转子，结构简单、调速范围宽，且平稳可靠。电机额定电流2.5A，输出功率250W。调速器将220VAC电源整流供电机励磁电压，同时经调压器调压并整流后供电机电枢电流，手动调整调压器输出电压可实现电机0～10000rpm范围的无级调速，升速率可达800rpm/min。ZT-3型是由产品代号（ZT）+跨数组成。试验台长1200mm，宽108mm，高145mm，质量约45kg。转轴直径均为Ф9.5mm，有两种长度规格：320mm轴3根、500mm油膜振荡专用轴1根；最大挠曲不超过0.03mm；沿轴的轴向任何部位均可选作试验中的支承点。共配有六只转子，分为两种规格：Ф76×25mm和Ф76×19mm，质量分别为800g和600g，可根据实验需要选用。配有刚性联轴节和半挠性联轴节供选用。试验台最多可安装三跨转子，用Ф8涡流传感器测量，测点数随转子数而定，每个转子可安装x及y方向各一个测点。试验临界转速因跨度、转子质量及位置等因素而各异，参考数据如下：使用320mm转轴，跨度为250mm，当一根轴上安装两个转子时，其一阶临界转速约为4400rpm。使用500mm转轴时，安装两个转子，其一阶临界转速约为2400rpm；试验台基本配置如图1所示。涡动和油膜振荡试验配置如图2所示。试验台调速器的使用，见附录说明。-3-三、安装与一般操作装配后的试验台应水平放置在刚度较好且支撑稳定的水平平台上，底座下面宜垫以较厚实的橡皮垫。通常试验台无需特殊固定。根据试验目的可将试验台组装成几种不同型式。几种基本型式可用于：1．验证质量不平衡等引起的振动；2．验证油膜振荡理论；3．验证自由转子扰动；-4-图1模拟试验台基本配置（一）、轴承座的安装本试验台轴的支承均采用滑动轴承，安装轴承座时，应注意方向一致，应认定无轴承盖的一面一律朝向电机方向。使用M5内六角螺钉和T型块固紧轴承座，其轴向位置按需要而定。轴承座内的轴承不宜随意拆卸，以防止降低精度或损坏零件（二）、转子与轴的安装转子在轴上的固定采用锥套式锁紧方式。固紧时，借助于专用扳手上两柱销插入锁紧螺母孔内，右旋螺母即可。反之，若要使转子与轴松开，则用扳手左旋螺母，松开后，转子在轴上可任意移动或拆卸。-11--12-注意：当用手握紧转子外圆固紧或松开转子时，必须小心，切莫用力压转轴，以避免轴受过大的横向力而弯曲，造成永久变形。同理，当欲把轴从联轴节内拉出或与联轴节固紧以及把轴穿过转子时，为防止轴承和轴过度受力和可能的损坏，施力必须保持轴与轴承基本成一水平线。安装转轴时，宜先从外侧轴承孔穿入，并依次装上转子，再穿过内侧轴承孔直至与联轴节配合、固紧。插入联轴节时，轴端面与联轴节的铰链柱之间应留有一定间隙。试验需要转子悬伸时，应使悬伸转子内侧面与外轴承座外侧面之间的距离不超过25mm，同时在转子外侧必须安装摩擦螺钉架保护，如图3所示。（三）、平衡螺钉的安装为便于转子动平衡，在每个转子两侧面加工有周向平衡槽。使用标准的M2螺钉和螺母作为平衡配重。每一套螺钉约重0.3ｇ。周向槽侧均刻有角度刻度、转子质量及平衡配重位置半径R＝33，以方便平衡计算。转子上的螺钉不得任意拆卸。（四）、联轴节的使用与安装本试验台可使用刚性联轴节和半挠性联轴节。刚性联轴节主要用于验证轴承座不对中及某跨间转子动不平衡量、扰动力对另一跨转子的影响。由于这些试验或要求把其中一轴承座垫高，或要求有较大的动不平衡力，这都将容易加剧轴颈和轴承的磨损，因此应尽可能地缩短试验运转时间。如做转子扭转振动试验，则须在保证转子或附加测量齿轮平衡的条件下使用刚性联轴节。对于使用半挠性联轴节，则无严格的限制。注意：半挠性联轴节轴销处，不需加任何润滑剂。（五）转速测量（键相）传感器的安装用数字转速计测量转子的转速，可使用电涡流传感器或光电传感器探头作为转速计的输入信号源。用涡流传感器探头时，轴上必须装专用涡流键相-13-套；用光电传感器探头时，轴上一般粘贴一定宽度的反光铝箔，转子每转一周输出一个脉冲信号，此信号既用于转速计量，又作为测量相位角的参考标志，因此这样使用的传感器又称之为键相器。光电传感器使用时其探头端面与被测表面之间的距离为20～50mm，电源电压为12VDC。使用时，请按下列步骤操作：1、用502胶把5mm宽、20mm长的铝箔作反光材料沿轴向粘贴于电机联轴节套的凹槽中，注意粘贴牢固，不致因转速高时飞脱。铝箔表面应平整不得有皱折；2、把光电传感器探头安装在电机座的传感器支架上，使光电传感器两只微型接收发射管呈水平方向对准联轴节套上铝箔标记；3、接通光电传感器与有关测振仪器及电源的连线，开启仪表于工作状态；4、启动电机使其低速运转，调整光电头与铝箔标记的距离，至有正常的光电信号输出，固紧光电传感器。（六）电涡流传感器的安装电涡流传感器用来测量轴对轴承座的相对位移或振动。本试验台共配三只涡流传感器支架，其上都有两个互相垂直（沿x、y轴）的Φ10.5孔，用来安装Φ8涡流传感器探头，可根据需要将传感器探头安装于转子赤道平面内。安装前，先检查转子外径的跳动量，然后按如下步骤操作：1、固定传感器支架于所需位置，使探头安装孔中心线沿转子法线方向；2、装上x、y方向的传感器探头；3、分别将探头与前置器、前置器与测量仪表之间的连线接好；4、接通仪表及传感器电源，使呈工作状态；5、调整探头前端面与转子外表面间的距离，使其约等于传感器线性范围（0.25～2.3mm）的中间值，或调至前置器输出电压–12V左右；6、借助于两个M10×1六角螺母紧固探头；7、低速启动转子，检查有无输出信号及信号是否正常。（七）摩擦螺钉架的使用摩擦螺钉架有两个功能：一是用于验证在各种摩擦状态下的转子特性；二是在悬伸转子状态限制轴的最大径向跳动，起一定的安全保护作用。摩擦试验时，首先按照所需位置固紧摩擦螺钉架，然后启动电机使在所需转速运转，仔细地调进摩擦螺钉，在有关仪器上观察到冲击信号后，即锁紧翼形防松螺母。注意：由于连续或间断地摩擦都将损伤机械，因此，为试验建立摩擦状态应格外小心，其摩擦试验只允许短时间进行，一般不超过30秒钟。四、典型试验的操作（一）振动观察（临界转速和质量不平衡）振动试验接线示意如图4所示。按图1基本配置安装试验台，传感器支架上安装x、y向涡流传感器，其探头端面与转子外圆之间的间隙按传感器线性范围的中值调整；光电传感器安装-14-于正对联轴节反射标记处。-15--16-按图4连接传感器与测量仪器。在检查无误的情况下即可接通电源，启动试验台。按照要求逐渐增加转子速度，可观察到不超出转子试验台操作范围的振动。当转速升到临界转速时，振幅的峰值最大，且相位角发生180°的变化，在示波器上看到的轴心轨迹如图5所示，轨迹图形上的亮点（键相点）在临界转速时其位置变化180°。由低速到高速变化的振动情况可由绘图仪绘出幅频及相频特性（波特图），如图6所示。由图6曲线可以看出：（1）在ωωk，且有阻尼（实际工作状态总有阻尼）情况下，不平衡相位与振动相位由开始的保持一致到随转速的升高而相位差逐渐发生变化。当ω=ωk时，不平衡相位超前振动相位90°，转速继续升高，相位差将逐渐增大到180°，即不平衡相位超前振动相位180°。（2）当转速很低时，即ω接近零时，振幅接近零，因为此时不平衡离心力极小。当转速超过临界转速很多时，振幅接近于某一稳定值，这就是转子的自动定心。（3）当转速接近临界转速时，由于阻尼作用，振幅被抑制成有限值，在振动曲线上形成一个高峰。试验可以证明，随着阻尼的增大，峰值越来越低。（4）由于不平衡离心力总是存在的，因此，幅频曲线一般均出现峰值，峰值所对应的转速就是临界转速。临界转速附近的高振幅区称为共振范围。（5）转子振动的相频曲线和幅频曲线，从相位和振幅两个不同的方面反映了转子的振动特性，显然这两者之间是密切相关的。正是由于转子的不平衡相位与由不平衡所引起的振动相位之间有上述随转速的变化关系，才使得转子的振动在临界转速之前，随着转速的升高而升高，并在临界转速时达到峰值；在转速超过临界转速以后，由于不平衡矢量与振动矢量之间的相位差超过90°，就是说，这时由于转子转动而形成的离心力已经开始抵消由于转子变形而造成的弓状回转产生的离心力，因此越过临界转速以后，振幅开始下降。高于临界转速越多，不平衡相位就越接近于超前转动相位180°，抵消作用也越大，因此振动也越小，运转越加平稳。当然，对于实际机器转子，不是简单的单圆盘转子，也不是只有一个临界转速，而是具有多个临界转速，因此超过第一临界转速后，振幅随转速的升高而降低被限制在一个很有限的转速范围内，超过一定转速后，振幅又会由于第二临界转速的存在而开始升高。（二）摩擦旋转机械在运行中，常常由于某些原因发生转子与静止部件之间的摩擦，它可能造成转子出现更大的振动。最常见的是转子与密封之间的摩擦，它们都是由于转子中心线的偏移或严重的横向振动引起的。产生的原因依次为不平衡、重力、各种径向预载荷、流体动力、热膨胀、不对中等。1．冲击现象当转子与静止部件相碰撞时，产生的直接冲击力通常并不很高，而对轴的转动产生的影响更为显著。冲击发生后，转子响应中有复杂的瞬态横向振动和扭转振动。扭转振动是由扭矩突变引起的。横向反弹运动的方向可能与原来的进动方向一致，也可能使其变成反进动，它取决于障碍物相对于转子进动的原始位置、接触表面和转子的圆周速度，冲击后转子进动的特征为横-17-向自由振动，即其频率等于转子自然频率之一或为它们的组合。2．摩擦力摩擦力和碰撞的关系很大。它产生在相接触的零件的每一个有相对运动的地方。其大小主要取决于零件间的正压力、材料、零件表面性质以及它们相对速度的方向。摩擦力会改变转子的转动和进动，其作用的结果先使转速下降，随后当摩擦力矩去掉时便产生瞬时扭转振动。摩擦力使转子运动的动能一部分转变为热能，一部分消耗在接触表面磨削上，所以能量损耗，这就发生了由一间隙改变而引起的摩擦条件的变化。局部发热可能导致轴变形或者密封件损坏。摩擦还会产生噪音—具有丰富频谱的声波。3．系统刚度变化旋转机械的刚度决定机器的自然频率（共振频率）。这个刚度是由轴（包括转动部件）的刚度、支座的刚度、轴承及密封的刚度决定的，当转轴偶然和一静止的障碍物接触时，这种新的边界条件改变了它的刚度。如果转子发生接触则在每一旋转周期的一部分时间内（局部摩擦），或者在保持整周接触时（整周摩擦）连续地影响轴的刚度。在局部摩擦的情况下，转子的刚度在最低值（与障碍物不接触）和最高值（与障碍物接触）之间变化。刚度变化的频率与进动的频率相同。这就可能发生存在于有周期性变化系数的系统中的自由振动