CN103558003A

CN103558003A - 一种转子扭振激励与振动分析实验系统

Info

Publication number: CN103558003A
Application number: CN201310541227.2A
Authority: CN
Inventors: 蒋东翔; 刘超
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: CN103558003B

Abstract

一种转子扭振激励与振动分析实验系统，属于旋转机械实验装置技术领域。本发明包括多跨转子试验台、转子扭振激励装置和转子振动监测与分析系统。转子扭振激励装置中，信号发生器产生交变信号经过功率放大器和变压器作用后与直流稳压线性电源的输出信号叠加，作为直流电机的输入，使其输出波动扭矩；多跨转子试验台的转子在波动扭矩激励下发生扭振，转子振动监测与分析系统监测转子横向振动和扭转振动。本发明可在实验室条件下完成转子系统扭振的激励与测量，可用于研究转子系统受到扭振激励时横向振动和扭转振动的关系、分析扭振激励下转子系统的特征，系统易于实现、功能完备。主要用于旋转机械科研和教学领域。

Description

一种转子扭振激励与振动分析实验系统

技术领域

本发明涉及旋转机械实验系统领域，特别涉及一种旋转机械转子系统的扭振激励与振动分析方法及其实验装置，属于转子系统实验设备技术领域。

背景技术

转子系统广泛应用于汽轮机、燃气轮机等旋转机械，是发电设备中传递功率与实现能量转换的关键部件，其安全可靠性直接关系到整个设备的安全性和可靠性。随着现代大型旋转机械的发展，高参数、大容量机组成为提高效率、降低污染排放的有效途径，其转子系统的尺寸不断增加，百万机组汽轮机的轴系长度超过45米（单轴布置）。转子系统轴系的长径比随着尺寸的增加而增大，600MW及以上功率的汽轮发电机组转子系统轴系在50HZ工频下通常有三阶扭振固有频率，这使得转子系统在承受扭振激励时发生共振的风险增大。与此同时，电网为提高电力送出能力，广泛采用了各种电力电子设备和技术，如串联补偿电容、可控串联电容补偿、高压直流输电技术等。在距离负荷中心较远的电站采用大规模长距离输电线路的条件下，上述设备和技术的应用给电网和发电设备带来了机网耦合振荡的风险，其中以次同步振荡最为典型。

近年来，随着我国电力系统和发电装机容量的迅速增加，次同步振荡现象时有发生且有不断上升的趋势。次同步振荡发生时，作用于发电设备转子系统的扭振激励频率接近转子系统轴系扭振固有频率，使得转子系统和电网之间发生强烈的能量交换，引起转子系统扭振增大，可能超过轴系疲劳极限，引起转子系统轴系的疲劳损伤。由于扭振的隐蔽性，发生时不易察觉，且扭振引起的疲劳损伤快速累积，对转子系统的安全性造成严重威胁。

目前，转子系统扭振监测需要专门的扭振测量装置。常规发电设备中通常安装有横振监测装置，扭振监测装置逐渐在新建机组中安装，扭振监测在现场的应用还较少。基于目前发电设备实际情况，研究转子系统扭振与横振的关系，分析利用横振信号判断转子系统扭振的方法可以为常规电站的运行监测提供重要依据。为此，通过实验室条件下的模拟实验研究转子系统扭振与横振的相互关系，具有重要的意义和迫切的应用需求。实验室条件下要求实验装置简单，设备易于获得，能够有效模拟转子系统受到的扭振激励，扭振激励的振幅和频率能够控制和调节，并能够实时测量转子系统横振和扭振信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种在实验室条件下实现转子系统扭振激励和振动信号分析的实验系统。

本发明的技术方案如下：一种转子扭振激励与振动分析实验系统，其特征在于，该系统包括多跨转子试验台、转子扭振激励装置和振动监测与分析系统；所述的多跨转子试验台包括至少两个转子、底座和直流电机，直流电机和转子之间以及转子与转子之间通过联轴器连接，在每个转子上至少安装一个轮盘和一个扭振测量盘，直流电机和转子由轴承座支撑，轴承座安装在底座上；所述的转子扭振激励装置包括直流稳压线性电源、信号发生器、功率放大器和变压器，信号发生器输出的交变信号经过功率放大器和变压器放大后与直流稳压线性电源的输出信号叠加产生交变激励载荷，输入到直流电机，使直流电机输出波动扭矩；所述的振动监测与分析系统包括位移传感器、扭振传感器、键相传感器、含有数据分析软件的计算机及实时显示系统；位移传感器布置在轴承座附近，分别沿X方向和Y方向布置；键相传感器布置在键相器附近，键相器安装在靠近直流电机输出轴的转子上；扭振传感器布置在扭振测量盘附近；横向振动信号和键相信号分别由位移传感器和键相传感器采集，经前置器、隔直箱处理由低速数据采集器进行模数转换后输入到计算机中进行数据分析、实时显示和存储，扭转振动信号由扭振传感器采集经过高速同步数据采集器进行模数转换后输入到计算机进行数据分析、实时显示和存储。

上述技术方案中，所述的信号发生器输出交变信号为正弦信号，输出频率范围1Hz～1kHz，输出电压10mV～10V；功率放大器输出功率1～200W、频率范围5～1kHz，失真度小于3%；变压器为单相变压器，输入电压0～220V，调率0～50；直流电机输入电压0～220V，输入电流0～2A，额定功率300W；直流稳压线性电源输出电压0～300V，输出电流0～3A。

本发明所述的转子直径为10～20mm、长度为350～550mm；轮盘直径为50～70mm、厚度10～20mm；联轴器为弹性联轴器。

本发明所述的扭振测量盘为外缘带有齿形的轮盘，齿数至少为60个。

本发明所述的位移传感器采用电涡流传感器；扭振传感器采用霍尔传感器。

本发明所述的低速数据采集器至少具有12通道，采样率至少为10kHz；高速同步数据采集器至少具有4个同步通道，每个通道采样率至少为4MHz；低速数据采集器和高速数据采集器通过同步线实现信号的同步采样。

本发明与现有实验技术相比，具有以下的优点及突出的效果：①本发明通过在转子的驱动端加入交变激励载荷实现扭振激励，该系统易于在实验室条件下实现，成本较低。②转子扭振激励装置便于调节扭振激励的频率和幅值，能够模拟不同扭振激励载荷对转子系统的作用。③振动监测与分析系统可以实时监测转子的横向振动和扭转振动，也可以进行数据存储和回放，便于研究扭振激励下转子系统的横振和扭振特征以及横振和扭振的耦合关系。④本发明具有很好的开放性、扩展性、通用性和可操作性：转子扭振激励装置可以应用于同类型转子试验台的扭振激励；振动监测与分析系统可以适用于同类型转子试验台的横振和扭振监测和分析；多跨转子试验台可以扩展为不同连接形式、不同支撑形式，转子和轴承均可更换，可以模拟不同类型转子系统的横振和扭振特性；本发明的系统操作简单，可以方便地调节扭振激励以观测转子系统的振动响应。

附图说明

图1：转子扭振激励与振动分析实验系统整体结构示意图。

图2：转子扭振激励装置的结构示意图。

图3：多跨转子试验台与传感器布置实施例的结构示意图。

图4：振动监测与分析系统的流程图。

图5：扭振测量和分析方法。

图中：1-转子扭振激励装置；2-多跨转子试验台；3-振动监测与分析系统；4-底座；5-第一电机支座；6-直流电机；7-电机连接线缆；8-第二电机支座；9-电机和第一跨转子联轴器；10-第一个Y方向电涡流传感器；11-第一霍尔传感器；12-第一轮盘；13-第二个Y方向电涡流传感器；14-第一跨转子和第二跨转子联轴器；15-第三个Y方向电涡流传感器；16-第二轮盘；17-第三轮盘；18-第二霍尔传感器；19-第四个Y方向电涡流传感器；20-第四滑动轴承座；21-第四个X方向电涡流传感器；22-第二扭振测量盘；23-第二跨转子；24-第三个X方向电涡流传感器；25-第三滑动轴承座；26-第二滑动轴承座；27--第二个X方向电涡流传感器；28-第一跨转子；29-第一扭振测量盘；30--第一个X方向电涡流传感器；31-第一滑动轴承座；32-电机输出轴；33-连接线缆；34-调节电阻；35-直流稳压线性电源；36-信号发生器；37-功率放大器；38-变压器；39-键相传感器；40-键相器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明转子扭振激励与振动分析实验系统的结构、工作原理和工作过程作详细说明。

图1为转子扭振激励与振动分析实验系统整体结构示意图，该系统包括多跨转子试验台2、转子扭振激励装置1和振动监测与分析系统3；其中转子扭振激励装置是转子系统的驱动部分，在本发明中也是扭振激励的产生装置。多跨转子试验台是该系统主要的机械部分，振动监测与分析系统是实验系统的测量和数据分析部分。其工作原理：信号发生器产生交变信号（频率和幅值可调节），经过功率放大器和变压器作用后加入到直流稳压线性电源、直流电机和调节电阻的电路中，实现对直流电机输入功率的交变激励，多跨转子系统在直流电机交变驱动力的激励下发生扭振，振动监测与分析系统测量转子不同部位的横向振动和扭转振动，横向振动通过位移传感器测量，扭转振动通过霍尔传感器测量，原始信号经过数据采集器完成模数转换存储到计算机中，数据分析软件处理横振和扭振测量结果，由实时显示系统进行显示。

图2为转子扭振激励装置的结构示意图，包括直流稳压线性电源35，信号发生器36，功率放大器37，变压器38，调节电阻34和连接线缆33。扭振激励通过信号发生器36产生设定频率和幅值的交变信号，依次经过功率放大器37和变压器38放大后与直流稳压线性电源的输出信号叠加产生交变激励载荷，输入到直流电机6，使直流电机输出波动扭矩，实现对转子系统的扭振激励。信号发生器输出交变信号优选为正弦信号，输出频率范围1Hz～1kHz，输出电压10mV～10V；功率放大器输出功率1～200W、频率范围5～1kHz，失真度小于3%；变压器为单相变压器，输入电压0～220V，调率0～50；直流电机输入电压0～220V，输入电流0～2A，额定功率300W；直流稳压线性电源输出电压0～300V，输出电流0～3A。本发明的转子扭振激励装置，采用从驱动端施加扭振激励载荷的方式，便于在实验室条件下实现，设备易于获得，避免采用三相交流电机作为扭振激励源而增加的系统复杂性以及操作上的不便。

所述的多跨转子试验台包括至少两个转子、底座4和直流电机6，直流电机和转子之间以及转子与转子之间通过联轴器连接，在每个转子上至少安装一个轮盘和一个扭振测量盘，直流电机和转子由轴承座支撑，轴承座安装在底座上。转子直径一般为10～20mm、长度为350～550mm；轮盘直径为50～70mm、厚度10～20mm；联轴器为弹性联轴器。扭振测量盘为外缘带有齿形的轮盘，齿数至少为60个。图3多跨转子试验台与传感器布置实施例的结构示意图，多跨转子试验台的结构布置如图3所示。直流电机6的输出轴通过联轴器9与第一跨转子28相连，第一跨转子28通过第一跨转子和第二跨转子联轴器14与第二跨转子23相连，实现转子系统转动部件的驱动。第一跨转子28由第一滑动轴承座和第二滑动轴承座支撑，第二跨转子23由第三滑动轴承座和第四滑动轴承座支撑。第一跨转子28上布置有第一轮盘12，第二跨转子23上布置有第二轮盘16和第三轮盘17。系统运行时，直流电机通过电机和第一跨转子联轴器9带动第一跨转子28旋转，同时由第一跨转子和第二跨转子联轴器14带动第二跨转子23旋转，第一跨转子28上的轮盘12和第二跨转子23上的第二轮盘16、第三轮盘17随转子一起旋转。由转子扭振激励装置产生扭振激励信号后，通过直流电机6产生转子驱动力矩的波动，从而形成转子系统的扭振激励。由于电机-第一跨转子联轴器9和第一跨转子和第二跨转子联轴器14为弹性联轴器，电机输出轴32、第一跨转子28和第二跨转子23的扭振各不相同，第一跨转子28和第二跨转子23的扭振通过第二扭振测量盘29和第一扭振测量盘22测量，同时测量第一跨转子28和第二跨转子23在轴承附近的横向振动（包括第一个Y方向电涡流传感器10、第一个X方向电涡流传感器30、第二个Y方向电涡流传感器13、第二个X方向电涡流传感器27、第三个Y方向电涡流传感器15、第三个X方向电涡流传感器24、第四个Y方向电涡流传感器19和第四个X方向电涡流传感器21），相位测量通过键相传感器39实现。

图4振动监测与分析系统的流程图,所述的振动监测与分析系统包括位移传感器、扭振传感器、键相传感器、含有数据分析软件的计算机及实时显示系统；位移传感器布置在轴承座附近，分别沿X方向和Y方向布置；键相传感器布置在键相器附近，键相器安装在靠近直流电机输出轴的转子上；扭振传感器布置在扭振测量盘附近；横向振动信号和键相信号分别由位移传感器和键相传感器采集，经前置器、隔直箱处理由低速数据采集器进行模数转换后输入到计算机中进行数据分析、实时显示和存储，扭转振动信号由扭振传感器采集经过高速同步数据采集器进行模数转换后输入到计算机进行数据分析、实时显示和存储。位移传感器采用电涡流传感器；扭振传感器采用霍尔传感器。低速数据采集器至少具有12通道，采样率至少为10kHz；高速同步数据采集器至少具有4个同步通道，每个通道采样率至少为4MHz；低速数据采集器和高速数据采集器通过同步线实现信号的同步采样。

图5为扭振测量和分析方法。以第一扭振测量盘29为例说明扭振测量和分析方法。第一扭振测量盘29为外缘带有齿形的轮盘，齿数为60，工作时通过键相传感器39标记每转的起始位置，从而确定每个齿的通过时刻。霍尔传感器11由于第一扭振测量盘29齿高和齿底的差异而产生如图5所示的脉冲系列。当转子系统平稳运行没有扭振时，测得的脉冲时刻为如图5所示上面的波形；当转子系统受到扭振激励时，瞬时转速发生波动，测得的脉冲为如图5所示下面的波形，比较有无扭振激励时的波形，可以得到扭振激励下扭振测量盘29各个齿的瞬时到达时刻，基于瞬时到达时刻和无扭振时测得的扭振测量盘29的齿形，计算得到转子的瞬时转速，瞬时转速即反映了转子的扭振，从而实现转子扭振的测量。

Claims

1.一种转子扭振激励与振动分析实验系统，其特征在于，该系统包括多跨转子试验台（2）、转子扭振激励装置（1）和振动监测与分析系统（3）；所述的多跨转子试验台包括至少两个转子、底座（4）和直流电机（6），直流电机和转子之间以及转子与转子之间通过联轴器连接，在每个转子上至少安装一个轮盘和一个扭振测量盘，直流电机和转子由轴承座支撑，轴承座安装在底座上；所述的转子扭振激励装置包括直流稳压线性电源（35）、信号发生器（36）、功率放大器（37）和变压器（38），信号发生器（36）输出的交变信号经过功率放大器（37）和变压器（38）放大后与直流稳压线性电源（35）输出信号叠加产生交变激励载荷，输入到直流电机（6），使直流电机输出波动扭矩；所述的振动监测与分析系统包括位移传感器、扭振传感器、键相传感器、含有数据分析软件的计算机及实时显示系统；位移传感器布置在轴承座附近，分别沿X方向和Y方向布置；键相传感器布置在键相器附近，键相器安装在靠近直流电机输出轴的转子上；扭振传感器布置在扭振测量盘附近；横向振动信号和键相信号分别由位移传感器和键相传感器采集，经前置器、隔直箱处理由低速数据采集器进行模数转换后输入到计算机中进行数据分析、实时显示和存储，扭转振动信号由扭振传感器采集经过高速同步数据采集器进行模数转换后输入到计算机进行数据分析、实时显示和存储。

2.根据权利要求1所述的一种转子扭振激励与振动分析实验系统，其特征在于：信号发生器输出交变信号为正弦信号，输出频率范围1Hz～1kHz，输出电压10mV～10V；功率放大器输出功率1～200W、频率范围5～1kHz，失真度小于3%；变压器为单相变压器，输入电压0～220V，调率0～50；直流电机输入电压0～220V，输入电流0～2A，额定功率300W；直流稳压线性电源输出电压0～300V，输出电流0～3A。

3.根据权利要求1所述的一种转子扭振激励与振动分析实验系统，其特征在于：转子直径为10～20mm、长度为350～550mm；轮盘直径为50～70mm、厚度10～20mm；联轴器为弹性联轴器。

4.根据权利要求1所述的一种转子扭振激励与振动分析实验系统，其特征在于：扭振测量盘为外缘带有齿形的轮盘，齿数至少为60个。

5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的转子扭振激励装置与振动分析实验系统，其特征在于：位移传感器采用电涡流传感器；扭振传感器采用霍尔传感器。

6.根据权利要求5所述的一种转子扭振激励与振动分析实验系统，其特征在于：低速数据采集器至少具有12通道，采样率至少为10kHz；高速同步数据采集器至少具有4个同步通道，每个通道采样率至少为4MHz；低速数据采集器和高速数据采集器通过同步线实现信号的同步采样。