汽轮机原理实验指导书
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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 9.5mm, 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 : 7625mm 和 7619mm, 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 8 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 0.3 。 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 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 , - 13 -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 10.5 孔 , 用 来 安 装 8 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 M101 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 于 正 对联 轴 节 反 射 标 记 处 。 - 14 - - 15 -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 - 16 -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 k, 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 = k 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 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 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 。 - 17 -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 的 不 稳 定 性 。转 子 与 静 止 部 件 的 局 部 摩 擦 或 者 是 在 尺 寸 超 差 或 润 滑 不 良 的 轴 承 中 的 摩 擦 经 常引 起 稳 定 的 次 谐 振 ( 分 数 谐 波 共 振 ) , 其 频 率 正 好 是 转 速 的 一 半 。 然 而 随 着 转 速的 升 高 , 次 谐 波 振 动 的 范 围 是 变 化 的 。 当 转 子 的 旋 转 速 度 高 于 一 阶 自 然 频 率 的 三 倍时 , 稳 态 次 谐 振 的 范 围 为 1/3( “轻 ”摩 擦 ) 或 1/2( “重 ”摩 擦 ) 。 如 果 转速 超 过 转 子 第 一 阶 自 然 频 率 的 倍 时 , 那 么 转 子 的 响 应 将 由 同 步 分 量 ( 1X)和 一 个 次 同 步 分 量 组 成 , 其 最 低 频 率 随 着 摩 擦 力 的 增 加 分 别 等 于 ( 1/ ) 、 ( -1) 、 (1/3) 、 ( 1/2) 。 次 谐 波 的 范 围 决 定 于 不 平 衡 、 阻尼 、 外 载 荷 、 几 何 形 状 、 材 料 性 质 等 因 素 。 当 阻 尼 很 大 时 , 次 谐 波 可 能 根 本 不 发 生 。本 试 验 台 通 过 摩 擦 螺 钉 来 实 现 局 部 摩 擦 , 用 来 验 证 由 局 部 摩 擦 产 生 的 转 子 稳 态响 应 机 理 、 观 察 分 数 谐 波 共 振 现 象 。 随 着 调 节 摩 擦 螺 钉 改 变 摩 擦 大 小 , 在 示 波 器 上可 观 察 到 不 同 的 轴 心 轨 迹 图 形 。 图 7 表 示 了 轻 摩 擦 和 重 摩 擦 时 的 轴 心 轨 迹 。 亮点 表 示 的 键 相 点 变 化 一 般 与 轴 的 转 向 相 同 。( a) ( b)图 7 摩 擦 时 的 轴 心 轨 迹a)轻 摩 擦 b)重 摩 擦操 作 步 骤 如 下 :( 1) 把 内 、 外 侧 轴 承 座 安 排 得 尽 可 能 远 些 ; - 18 -( 2) 在 试 验 台 上 安 装 500mm 长 轴 , 轴 上 仅 安 装 一 个 转 子 ( 为 了 降 低 一 阶 临界 转 速 ) , 摩 擦 螺 钉 架 安 装 在 离 转 子 约 8mm 处 ;( 3) 把 x-y 方 向 传 感 器 支 架 放 置 在 转 子 另 一 侧 ( 轴 上 应 加 涡 流 测 振 套 ) ,支 架 与 转 子 尽 量 靠 近 ;( 4) 摩 擦 螺 钉 不 与 轴 接 触 , 启 动 转 子 至 一 阶 临 界 转 速 , 并 记 录 数 据 ;( 5) 调 节 转 子 转 速 至 一 阶 临 界 转 速 的 2.5 倍 , 并 观 察 示 波 器 上 的 轴 心 轨 迹 和用 z 轴 表 示 的 相 位 信 号 ;( 6) 小 心 地 向 下 拧 摩 擦 螺 钉 , 直 至 与 轴 接 触 , 使 可 以 看 到 由 两 个 固 定 键 相 点 所表 示 的 特 殊 轨 迹 ;( 7) 调 节 转 速 超 过 一 阶 临 界 转 速 的 三 倍 , 直 至 轨 迹 上 出 现 三 个 静 止 亮 点 。( 三 ) 涡 动 与 油 膜 振 荡1、 涡 动机 器 转 子 除 了 受 到 像 不 平 衡 离 心 力 等 各 种 外 力 作 用 而 发 生 受 迫 振 动 外 , 在 转子 轴 承 系 统 内 部 , 也 可 能 产 生 强 烈 的 激 振 因 素 。 在 一 定 条 件 下 , 径 向 滑 动 轴 承 支 持的 转 子 在 运 转 中 , 转 子 在 油 膜 力 作 用 下 发 生 涡 动 , 称 为 油 膜 自 激 涡 动 。为 验 证 涡 动 需 使 用 下 列 组 件 : 带 轴 肩 的 油 膜 涡 动 转 轴 ( 500mm) 、 装 有 滑动 轴 承 套 的 涡 动 轴 承 支 架 、 针 阀 式 油 杯 和 接 油 盒 。涡 动 试 验 组 装 如 图 2 所 示 , 操 作 步 骤 如 下 : ( 1) 拆 去 后 两 跨 转 子 , 仅 留 第 一 跨 转 子 和 第 二 跨 的 内 轴 承 座 ;( 2) 把 转 子 套 装 在 涡 动 转 轴 上 , 涡 动 转 轴 插 入 第 二 跨 的 内 轴 承 座 , 并 与 联轴 节 固 紧 ; ( 也 可 以 将 涡 动 转 轴 直 接 插 入 第 一 跨 的 内 轴 承 座 与 电 机 联 轴 节 固 紧 )( 3) 安 装 涡 动 轴 承 座 , 使 涡 动 转 轴 的 轴 肩 进 入 涡 动 轴 承 座 内 , 同 时 调 整 涡动 轴 承 座 与 转 轴 的 轴 向 距 离 , 保 证 有 1 2mm 的 间 隙 , 然 后 固 紧 ;( 4) 装 好 针 阀 式 油 杯 和 接 油 盒 ;( 5) 调 整 转 子 在 轴 上 的 位 置 , 离 涡 动 轴 承 座 约 2/3 处 固 紧 ;( 6) 在 无 摩 擦 、 无 预 负 荷 、 无 不 平 衡 的 条 件 下 , 检 查 轴 的 弯 曲 ; 在 低 转 速下 , 径 向 跳 动 量 应 不 大 于 0.03mm。 转 轴 在 涡 动 轴 承 内 应 转 动 自 由 , 无 明 显 阻 滞 ;( 7) 安 装 x、 y 方 向 涡 流 传 感 器 在 涡 流 传 感 器 支 架 上 , 并 按 要 求 调 整 探 头到 转 子 表 面 的 距 离 ;( 8) 把 前 置 放 大 器 的 输 出 信 号 线 接 到 有 关 测 振 仪 ( 例 如 ZXP 8 动 平衡 分 析 仪 ) , 并 由 测 振 仪 输 出 至 示 波 器 的 x、 y 轴 上 , 把 键 相 传 感 器 输 出 端 接 到示 波 器 Z 轴 的 输 入 端 ;( 9) 打 开 油 流 阀 , 直 至 油 从 轴 承 滴 下 , 启 动 试 验 台 , 逐 渐 提 高 转 速 , 约 在30004000rpm 时 , 发 生 涡 动 , 如 果 涡 动 没 有 立 即 发 生 , 则 使 用 尼 龙 预 负 荷 棒 在 涡动 轴 承 端 轻 轻 地 抬 起 轴 。当 振 幅 很 小 时 , 涡 动 轨 迹 接 近 于 椭 圆 ; 当 振 动 很 大 时 , 会 出 现 更 复 杂 的 涡 动轨 迹 , 例 如 图 8 所 示 。 此 时 , 在 示 波 器 上 看 到 两 个 键 相 点 , 且 键 相 点 的 变 化 方 向与 轴 的 转 向 相 反 。 - 19 -图 8 涡 动 轨 迹改 变 转 子 的 不 平 衡 、 预 负 荷 、 加 其 它 力 及 改 变 油 的 粘 度 都 会 改 变 或 阻 碍 涡 动 现象 的 效 果 。注 意 : ( 1) 涡 动 轴 承 无 润 滑 时 , 不 准 启 动 转 子 。 运 转 期 间 , 润 滑 油 必 须 充 足 ,流 量 以 每 10 秒 内 数 滴 为 宜 。 可 使 用 10 号 高 速 机 械 油 或 合 成 锭 子 油 等 低 粘 度 润滑 油 , 润 滑 油 必 须 清 洁 ; ( 2) 不 准 在 涡 动 试 验 时 使 用 摩 擦 螺 钉 。2、 油 膜 振 荡转 子 涡 动 转 速 , 基 本 上 为 转 子 转 速 的 一 半 , 习 惯 上 称 为 半 速 涡 动 。 相 对 于 未 发生 油 膜 自 激 涡 动 来 说 , 发 生 涡 动 后 , 无 论 振 幅 大 小 , 转 子 都 失 去 了 稳 定 性 , 即 所 谓转 子 失 稳 。 在 一 定 条 件 下 , 转 子 虽 已 失 稳 , 但 是 轴 颈 可 能 只 在 一 个 很 小 的 范 围 内 涡动 , 即 涡 动 的 振 幅 很 小 , 从 机 器 运 转 的 角 度 来 看 , 可 能 仍 然 是 平 稳 的 。 但 是 随 着 转子 转 速 的 升 高 , 涡 动 会 逐 渐 加 剧 。 最 严 重 的 情 况 是 , 如 果 转 子 的 转 速 比 较 高 , 接 近或 超 过 二 倍 的 一 阶 临 界 转 速 , 使 转 子 的 涡 动 角 速 度 与 转 子 的 一 阶 临 界 转 速 相 重 合 ,发 生 共 振 性 振 荡 。 此 时 半 速 涡 动 会 变 得 十 分 严 重 , 称 为 油 膜 振 荡 。本 试 验 台 受 极 限 转 速 的 限 制 , 在 做 油 膜 振 荡 试 验 时 , 用 增 加 轮 盘 的 办 法 降 低 转子 系 统 一 阶 临 界 转 速 至 4000rpm 以 下 , 以 便 在 9000rpm 附 近 可 以 观 察 到 油 膜振 荡 现 象 。涡 动 和 油 膜 振 荡 试 验 按 要 求 配 置 好 后 , 利 用 示 波 器 的 x、 y 轴 输 入 , 可 以显 示 转 子 启 动 瞬 间 轴 的 径 向 位 置 变 化 。 停 转 后 , x、 y 传 感 器 的 电 压 可 通 过 示波 器 的 波 形 看 出 。 随 着 向 涡 动 轴 承 供 油 、 逐 渐 使 转 子 升 速 、 轴 颈 开 始 转 动 、 可 看 到油 膜 将 轴 颈 抬 起 并 推 向 一 边 。 如 果 轴 颈 的 径 向 位 置 变 化 不 明 显 , 可 将 示 波 器 x、 y轴 的 增 益 加 大 。( 四 ) 自 由 转 子 扰 动扰 动 就 是 向 转 子 系 统 施 加 干 扰 力 , 干 扰 力 与 转 速 完 全 无 关 。 转 子 对 如 此 强 力 作用 的 响 应 能 提 供 有 关 转 子 特 性 的 有 用 资 料 。 自 由 转 子 是 否 受 扰 动 力 作 用 , 其 振 动 特性 一 般 都 可 在 示 波 器 上 观 察 到 ; 扰 动 力 的 效 果 也 可 以 从 转 子 的 状 态 来 观 察 到 。五 、 维 护 与 保 养本 试 验 台 系 高 速 精 密 机 械 , 在 运 转 时 应 特 别 注 意 安 全 。 应 随 时 保 持 各 部 件 的 清洁 和 合 理 的 润 滑 。转 轴 采 用 40Cr 钢 , 并 经 严 格 的 工 艺 制 作 而 成 。 320mm 的 转 轴 和 500mm 的转 轴 , 其 径 向 跳 动 量 均 应 小 于 0.03mm。 为 防 止 轴 弯 曲 , 试 验 结 束 后 , 应 在 转 子下 加 弹 性 垫 块 , 使 转 子 重 量 由 垫 块 承 受 而 减 少 轴 的 长 时 间 静 负 荷 。 但 必 须 注 意 每 当试 验 时 必 须 去 掉 。 若 长 期 不 做 试 验 , 应 将 转 轴 拆 下 , 并 沿 其 轴 线 悬 吊 放 置 。如 轴 已 有 少 量 弯 曲 变 形 , 可 经 矫 直 后 再 用 ; 若 严 重 弯 曲 , 则 必 须 更 换 。注 意 : 搬 运 试 验 台 必 须 使 用 专 用 提 手 , 严 禁 握 住 轴 搬 动 试 验 台 。试 验 台 所 用 轴 承 , 除 油 膜 振 荡 轴 承 外 , 均 为 粉 末 冶 金 含 油 球 轴 承 , 其 润 滑 仅 在 - 20 -试 验 前 于 每 个 轴 承 座 上 螺 钉 孔 处 滴 入 所 需 润 滑 油 , 使 内 部 油 毡 浸 满 油 即 可 。如 油 毡 已 磨 损 或 损 坏 , 则 必 须 更 换 。附 录:模拟台调速器使用说明一、概述该调速器为模拟台配套,用于 ZD220T 直流电动机供给电源及无级调速之用。采用调压器调压、桥式整流、滤波,将 220VAC 变为直流电动机驱动、调节电压,具有线路简单、可靠、调节范围宽、功率大、体积小、重量轻等特点,完全满足模拟台各种试验的需要。二、技术参数电源:220VAC,50Hz输出励磁电压:220VDC输出励磁电流:90mA输出电枢电压:0-240VDC电枢电流:0-1A调速范围:0-10000rpm(满负荷时)三、使用方法1、 接线接线时断开电源,按调速器面板所标接线,面板右边两对接线柱,上面一对接电枢,下面一对接电机励磁绕组,并分别以红色、橙色导线区分。2、 开机开机后,看转子转动方向是否正确,由转子向电机方向看,顺时针方向为正确,若反时针转,可将电枢(或励磁)的两根线对调。注意:每次启动前都要把调压器左旋到零位,即保证电枢电流从零开始往上调,以避免启动电流过大烧断保险丝。面板左边有两个 3A 保险丝,左边一个为电枢电路保险,右边一个为电源保险。3、 升速接通电源开关,电源指示灯亮,微动调压器,电流表即有指示,负载较小时,转子即会转动。升速时必须平滑地转动调压器旋钮,开始升得较慢,调压器转到某一位置后升速较快,这时必须注意要更平稳、缓慢地转动调压器,以保证瞬时电流不致过大。降速时,同样要注意平缓,在高速状态停机,应通过平稳降速过程再切断电源,否则电机承受冲击较大。 - 21 -实验二 汽轮机单个叶片静频率的测试一、概述在电厂中,汽轮机是发电厂设备中主要的设备之一,由于叶片损坏造成的事故停机占汽轮机事故的70% 以上,国内外发电厂常有因汽轮机叶片损坏事故停电、停产造成巨大的 - 22 -经济损失。为了保证叶片在汽轮机运行中的安全,防止叶片因共振而损坏,需要知道叶片的自振频率,在现场,常用实测法测定叶片的自振。对于新投运的机组,应较全面地测定各级叶片的各种振型的自振频率。考虑在运行过程中,叶片的安装状况可能发生变化,以及因冲蚀、腐蚀、结垢、及损坏等原因,均将影响到叶片的自振频率。因此,在每次大修时应对叶片的切向Ao 型(无节点)的自振频率进行测定、校核,确保叶片的安全运行。利用叶片自振频率的测定,根据叶片的自振频率有无变化,亦可以发现叶片有无隐藏裂纹损伤。常用的测试单个叶片静频率的方法有:1振动法简称“自振法”2“共振法”或称激振法。二、实验目的1. 掌握自振法及共振法测定叶片频率和判别振型的基本方法;2. 通过实验,加深理解单个叶片的振动特性以及叶根紧力对自振频率的影响;3. 掌握测试仪器的使用方法。三、实验要求1. 用自振法测定叶片的自振频率,并观察不同频率下的李沙茹图形。2. 用共振法测定叶片的自振频率,判别振型,并观察叶根紧力对振动的影响。四、实验方法本实验采用自振法、共振法这两种方法测定叶片的静频率。1. 自振法:用自振法测定叶片的自振频率的原理图 ( 见后附图)。实验时,用橡皮锤轻轻敲击叶片, 则叶片将以一种最容易产生的振动型式作自由衰减振动。通常为切向Ao型振动,用拾振器将叶片的机械振动信号送至阴极示波器的垂直轴 (y) 轴。同时将低频信号发生器产生的频率信号送至示波器的水平轴(x)轴。一边用橡皮锤敲击叶片,一边调节低频信号发生器的频率数值,当示波器的荧光屏上出现稳定的李沙茹图形( 见 图一)时,低频信号发生器上的频率读数即为叶片的自振频率或它的整数倍。例如:当示波器上出现稳定的椭圆形图形时,说明垂直输入和水平输入的频率相等,这时的低频信号发生器刻度盘上所指示的频率数值即为叶片的自振频率。就其叶片的自振频率 ( 或称固有频率) 仅有一个频率值。自振法是一种简单、准确和能迅速测定自振频率的方法。但由于叶片的高频自由振动 - 23 -不易发生,即使发生,振幅也很小、消失也快,故难以用自振法测定,更难以区分其振型。所以,自振法多用于测定中、长叶片的 Ao 型振动。图一 李莎茹图形2. 共振法用共振法测定叶片自振频率原理图(见后附图) 。 共振法与自振法的不同点即为叶片所受的激振力不是敲击产生的,而是用激振器激发和维持的;另外,就是叶片产生的振动不是自由衰减振动,而是强迫振动。共振法是由低频信号发生器发生的信号,除输入示波器外,还输入功率放大器,将信号功率放大后送到激振器由激振器吸动叶片按低频信号发生器给定的频率振动。当低频信号发生器给定的频率与叶片的固有频率相等时,从示波器上可看到稳定的李沙茹椭圆图形(见图一)。此时低频信号发生器上刻度盘所指示的频率值即为叶片的自振频率。五、实验步骤及注意事项1实验系统与仪器的调试 大致估计一下叶片自振频率,由低频信号发生器给定频率。将低频信号发生器输出细调旋钮逆时针旋至最小位置,电压输出衰减旋到最小位置。 示波器的衰减旋钮放在最小位置,扫描范围旋钮旋至外接位置。若荧光屏上的光点不居中,可适当调整y轴位置和x轴位置。 将低频信号发生器的输出细调旋钮顺时针旋之,示波器荧光屏上的光点被拉长至适中距离。 - 24 - 用橡皮锤在叶顶上下间歇地敲击,调节低频信号发生器频率,直至示波器荧光屏出现稳定的李沙茹图形,即可确定叶片的自振频率。2自振法与共振法测试中应注意的事项 按图示接好线后,应首先请老师检查后方能开机实验。 无论是开机和关机都必须首先将低频信号发生器的输出细调放在最小位置。 暂时不用示波器时,应将荧光屏上的光迹调至最暗。3实验步骤及数据的整理 熟悉各种仪器的使用方法。 用自振法测定叶片的固有频率。 用共振法测定叶片的固有频率。 按实验要求作好测试记录并整理。为保证实验的顺利进行,必须在实验前预习实验指导书。实验做完后,整理实验报告。 - 25 -- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 汽轮机 原理 实验 指导书
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