CN109374273A - 汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台及试验方法。本发明包括台架基座、试验主体装置、测量系统和动力及控制系统；所述的试验主体装置安装在台架基座上，包括质量轮盘、叶栅、滑动轴承支架、挠性联轴器、刚性联轴器、碰磨试验支架和多个转子；所述的多个转子通过滑动轴承支架支撑，各个转子之间通过刚性联轴器连接，质量轮盘和叶栅安装在转子上；所述的动力及控制系统包括伺服电机、发电机及负荷控制柜，伺服电机与发电机安装在台架基座上且均通过挠性联轴器分别与多个转子拼接后的两端连接，保证对中。本发明弥补传统转子试验台功能单一的缺点，集扭振、转子故障模拟多功能于一体，为研究多个故障特征提供便利。

Description

汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台及试验方法

技术领域

本发明属于汽轮发电机试验领域，具体地说是一种汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台及试验方法。

背景技术

转子系统是旋转机械的重要组成部分，在制造、运行及其检修过程中容易出现意外，出现各种故障状况，故障影响设备安全；而大型汽轮发电机运行时各个断面由于承载转矩不同产生角位移。近年来随着单机容量的增大、输电网络的大容量化，及电力负荷的多样化，机网耦合诱发轴系扭振的事故日益频繁。

发电机组轴系扭振会引起机组运行时轴系连接处产生扭变，导致轴系疲劳性损坏，轴系扭振长期累积甚至造成转子断裂，严重影响机组安全。国内外发生的多起轴系扭振引起的机组损伤事故，造成严重经济损失。

现有的针对汽轮发电机的轴系研究大部分侧重于理论分析。由于轴系扭振设计电力、材料、力学等多个学科，而且在运行时轴系边界条件复杂，导致计算仿真与实际存在很大偏差，严重影响对轴系安全性的研究。

现有的转子振动模拟试验台大多侧重不同故障下振动试验，功能单一，而且目前缺乏轴系扭振的试验系统。

发明内容

针对上述现有技术缺陷或改进需求，本发明提供一种汽轮发电机的转子扭振与故障模拟多功能试验台，其可以对不同故障下振动情况进行多种试验，包括不平衡、地脚松动、碰磨等情况；还可以对轴系扭振进行多种试验，如模拟不同电网故障下轴系扭振，不同联轴器连接情况下轴系扭振、转子裂纹、叶栅对转子扭振的影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其包括台架基座、试验主体装置、测量系统和动力及控制系统；

所述的试验主体装置安装在台架基座上，包括质量轮盘、叶栅、滑动轴承支架、挠性联轴器、刚性联轴器、碰磨试验支架和多个转子；所述的多个转子通过滑动轴承支架支撑，各个转子之间通过刚性联轴器连接，质量轮盘和叶栅安装在转子上；

所述的测量系统包括振动测量系统和扭振测量系统，振动测量系统包括转速测量器和振动位移测量器，扭振测量系统包括扭振测量齿轮和用于测量扭振测量齿轮转速的磁电式传感器，所述的扭振测量齿轮安装在转子上；

所述的动力及控制系统包括伺服电机、发电机及负荷控制柜，伺服电机与发电机安装在台架基座上且均通过挠性联轴器分别与多个转子拼接后的两端连接，保证对中；负荷控制柜用于控制发电机的工作，伺服电机用于带动转子转动。

通过碰磨试验支架可以进行单点、多点碰磨试验。通过滑动轴承支架进行地脚松动、刚性不足试验。通过质量轮盘进行质量不平衡试验。所述的转子上可以安装不同直径、厚度、质量的质量轮盘，研究质量轮盘直径大小、轮盘厚度、不同质量对转子扭振频率的影响。

通过负荷控制柜实现不同负荷下轴系扭振的试验。负荷控制柜可以通过短路开关实现甩相间短路、对地短路、重合闸等试验。

当转子受到扭振激励时，扭振测量齿轮瞬时转速产生波动，磁电式传感器记录不均匀载波，获得扭振角位移信号，求解出扭振角位移曲线，得到扭振频率和振幅。

作为进一步优选，所述的台架基座上装有可使滑动轴承支架和碰磨试验支架在其上轴向移动的滑轨，所述的滑动轴承支架和碰磨试验支架通过螺钉固定在台架基座上。通过调整台架基座上螺钉松紧程度模拟地脚螺栓松动、地基刚性不足等情况。所述的滑动轴承支架可以沿滑轨轴向移动，调节各个滑动轴承之间的距离，满足不同轴系长度的支撑要求。

作为进一步优选，所述的滑动轴承支架用于放置滑动轴承，通过上轴承端盖和下轴承端盖固定在滑动轴承支架上，上轴承端盖装有X方向振动探头和Y方向振动探头，所述的X方向振动探头和Y方向振动探头中装有振动位移测量器。

作为进一步优选，所述的转速测量器为光电传感器，所述的振动位移测量器为电涡流传感器，所述的电涡流传感器安装于X方向振动探头和Y方向振动探头中，所述的光电传感器和磁电式传感器分别安装在一传感器支架上，传感器支架安装在滑轨上。

作为进一步优选，所述的质量轮盘安装在衬套上，衬套通过定位螺栓固定在转子上；质量轮盘上设有多个不平衡孔，在不平衡孔内安装不同质量螺栓来进行质量不平衡试验。移动衬套，可以调整质量轮盘在转子上的位置来调节转子振型和临界转速，试验轴系振型及其扭振振动频率的变化。

作为进一步优选，所述的碰磨试验支架上设有多个安装孔，所述的安装孔用于放置黄铜螺栓，可以模拟单点碰磨和多点碰磨等情况，对碰磨转子中弯扭耦合进行试验分析。

作为进一步优选，所述的转子上安装多个位于不同位置的叶栅和多个位于不同位置的质量轮盘。

作为进一步优选，所述的叶栅上装有多个直叶片或/和弯扭叶片，叶片的长度不一，所述的扭振测量齿轮和叶栅均通过衬套安装在转子上，并通过螺栓固定在转子上。通过建立不同的叶栅-转子模型，试验叶栅与转子扭振之间的相互影响。对叶栅与轴系振动和耦合情况进行试验，分析不同数目轴系振动频率变化。对轴系加装叶栅前后的振型进行分析，研究叶栅对轴系扭振的影响。

作为进一步优选，所述的转子为变形转子或裂纹转子，试验裂纹、变形及其不同形式转子轴径对振动的影响。

本发明还提供上述多功能试验台的试验方法，其包括轴系振动试验和轴系扭振试验；

所述的轴系振动试验包括：

1）调整质量轮盘在转子上的位置、质量、直径和厚度来调节转子振型和临界转速，质量轮盘上的不平衡孔中加装螺栓，模拟质量不平衡试验；

2）滑动轴承支架沿滑轨轴向移动，调节距离，满足不同轴系长度的支撑要求；通过台架基座上固定滑动轴承支架的螺钉松紧程度模拟地脚螺栓松动、地基刚性不足试验；

3）碰磨试验支架上安装黄铜螺栓，进行多点、单点碰磨试验；通过移动碰磨试验支架，进行不同位置碰磨试验；

4）滑动轴承支架内安放故障滑动轴承，模拟滑动轴承故障对振动的影响；

5）采集振动数据，输入计算机，通过扭振分析系统得到振动图谱；

所述的轴系扭振试验包括：

1）调节质量轮盘的质量、位置、直径和厚度，得到不同的发电机转子类型，对不同转子型号下轴系扭振的振动进行测量；

2）转子更换为裂纹转子，模拟试验转子不同角度裂纹、不同深度裂纹情况下，轴系扭振频率的变化情况；调整转子长度、改变轴径结构，模拟不同轴系情况下扭振情况；

3）转子加装叶栅，建立叶栅-轴系耦合试验系统，试验分析不同数目及叶栅叶片断裂对轴系振动频率的影响；同时对轴系加装叶栅前后的振型进行分析，研究叶栅对轴系扭振的影响；

4）更换联轴器类型，试验不同联轴器连接状态下轴系扭振频率；

5）试验台转速达到3000r/min后，带上不同负荷，进行试验；然后带满负荷后进行甩负荷试验；设置不同的短路时间进行短路试验。

与现有技术相比，本发明具备以下的技术效果：

本发明的试验台集成扭振、质量不平衡、地脚松动、转子碰磨动平衡等多种转子故障模拟功能，弥补了传统的振动测试试验台的不足，为研究多种故障提供了方便。

本发明的试验台可以模拟电网故障下对轴系扭振的冲击；试验台可以试验转子裂纹、不同联轴器结构、不同叶栅结构、不同叶栅与轴系耦合状况、不同轴系结构下转子的扭振频率。

附图说明

图1是本发明的汽轮发电机的转子扭振与故障模拟多功能试验台结构示意图；

图2是本发明的滑动轴承支架示意图；

图3是本发明的碰磨支架试验装置图；

图4是本发明质量轮盘结构示意图；

图5是本发明衬套结构示意图；

图6是本发明扭振测量齿轮与衬套安装结构示意图；

图7是本发明叶栅结构示意图；

图8是本发明试验及测试系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1-7所示，本发明的一种汽轮发电机转子扭振与故障模拟的多功能试验台，其主要包括试验主体装置、测量系统、动力及控制系统，可以实现不同故障下振动试验和轴系扭振试验。

下面将对本发明的关键组件逐一进行更为具体的说明。

作为本发明的关键组件之一，试验主体装置安装在台架基座0上，其包括挠性联轴器3、转子4、滑动轴承支架5、轮盘6、叶栅12、刚性联轴器7、碰磨试验支架11。转子4通过滑动轴承支架5支撑，多个转子4通过刚性联轴器7连接在一起。伺服电机9、发电机10通过挠性联轴器3与转子4连接，保证对中。滑动轴承支架5可以在滑轨8上移动，满足不同轴系长度、单支撑、双支撑的需求，通过螺钉固定在基座上。试验时通过调整螺钉的松紧度，试验地脚螺栓松动对振动的影响。

质量轮盘6安装在衬套61上，衬套61和质量轮盘通过螺钉连接在一起，然后采用定位螺钉将质量轮盘6固定在转子4上。不同质量、直径、厚度的质量轮盘6安装在转子4不同位置上，研究质量轮盘直径大小、轮盘厚度、不同质量对转子扭振频率的影响。调整轮盘6的位置、种类来对应不同型号的发电机组。质量轮盘上有不平衡孔62，试验质量不平衡引起的振动。调节定位螺钉的松紧程度，模拟转子松动试验。

碰磨试验支架11安装在滑轨8上，通过螺钉固定在台架基座上。碰磨支架11上的安装孔111内安装黄铜螺栓，试验多点、单点碰磨。

所述的滑动轴承支架用于放置滑动轴承，通过上轴承端盖和下轴承端盖固定在滑动轴承支架上，上轴承端盖装有X方向振动探头和Y方向振动探头。滑动轴承支架5通过螺钉可固定在滑轨8的不同位置上。

更换不同的刚性联轴器7，模拟不同联轴器类型对转子扭振的影响。转子4更换为裂纹转子，试验裂纹对轴系扭振的影响。

转子上可以安装叶栅，叶栅可以安装不同类型的叶片、模拟叶片-轴系耦合振动，及其叶栅对轴系扭振振动频率的影响。

作为本发明的另一组件，振动测量系统包括转速测量器和振动位移测量器，转速测量器采用光电传感器，振动位移测量器采用电涡流传感器，测量仪器采用bently408对转子振动位移、测量转速进行测量，同时得到轴心轨迹和轴心位置的变化情况。电涡流传感器安装X、Y方向振动探头中，光电传感器安装在传感器支架13上，传感器支架安装在滑轨上。

扭振测量齿轮1安装在衬套上，通过衬套安装在转子上，从而可以对不同位置的扭振信号进行分析。扭振测量齿轮的扭振测量采用磁电式传感器。磁电式传感器安装在传感器支架13上，可以调整在支架上的高度，及其在滑轨上的位置，采集扭振测量齿轮的信号，满足扭振测量的需求。磁电式传感器将扭振角位移信号输入信号处理器和数据采集卡，经过调制后输入AZ308扭振分析系统，进行分析得到频谱图，获得扭振频率。

作为本发明的另一组件，动力系统中的伺服电机9带动转子4转动，伺服电机装有驱动器，可以手动电机调节转速，进行不同转速下振动、扭振试验。发电机10与负荷控制柜2连接，负荷控制柜可以调节负荷，对负荷波动时转子转角进行测量。此外，负荷控制柜2可以进行甩负荷、相间短路、对地短路、重合闸等试验。

实施例2

本实施例提供一种利用实施例1所述多功能试验台进行的多种故障下振动试验方法，其操作方法如下：

首先在台架基座0上安装好试验主体装置、动力系统及测量系统，各个试验部件通过联轴器等连接好，通过滑动轴承支架支撑，质量轮盘、扭振测量齿轮安装在转子上，并固定在相应的位置处。

然后进行试验，包括轴系振动试验和轴系扭振试验，如图8所示。

所述的轴系振动试验包括：

1）调整质量轮盘在转子上的位置、质量、直径和厚度来调节转子振型和临界转速，质量轮盘上的不平衡孔中加装螺栓，模拟质量不平衡试验；

2）滑动轴承支架沿滑轨轴向移动，调节距离，满足不同轴系长度的支撑要求；通过台架基座上固定滑动轴承支架的螺钉松紧程度模拟地脚螺栓松动、地基刚性不足试验；

3）碰磨试验支架上安装黄铜螺栓，进行多点、单点碰磨试验；通过移动碰磨试验支架，进行不同位置碰磨试验；

4）滑动轴承支架内安放故障滑动轴承，模拟滑动轴承故障对振动的影响；

5）采集振动数据，输入计算机，通过AZ308扭振分析系统得到振动图谱；

所述的轴系扭振试验包括：

1）调节质量轮盘的质量、位置、直径和厚度，得到不同的发电机转子类型，对不同转子型号下轴系扭振的振动进行测量；

2）转子更换为裂纹转子，模拟试验转子不同角度裂纹、不同深度裂纹情况下，轴系扭振频率的变化情况；调整转子长度、改变轴径结构，模拟不同轴系情况下扭振情况；

3）转子加装叶栅，建立叶栅-轴系耦合试验系统，试验分析不同数目及叶栅叶片断裂对轴系振动频率的影响；同时对轴系加装叶栅前后的振型进行分析，研究叶栅对轴系扭振的影响；

4）更换联轴器类型，试验不同联轴器连接状态下轴系扭振频率；

5）试验台转速达到3000r/min后，带上不同负荷，进行试验；然后带满负荷后进行甩负荷试验；设置不同的短路时间进行短路试验。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，包括台架基座（0）、试验主体装置、测量系统和动力及控制系统；

所述的试验主体装置安装在台架基座（0）上，包括质量轮盘（6）、叶栅（12）、滑动轴承支架（5）、挠性联轴器（3）、刚性联轴器（7）、碰磨试验支架（11）和多个转子（4）；所述的多个转子（4）通过滑动轴承支架（5）支撑，各个转子（4）之间通过刚性联轴器（7）连接，质量轮盘（6）和叶栅（12）安装在转子（4）上；

所述的测量系统包括振动测量系统和扭振测量系统，振动测量系统包括转速测量器和振动位移测量器，扭振测量系统包括扭振测量齿轮（1）和用于测量扭振测量齿轮（1）转速的磁电式传感器，所述的扭振测量齿轮（1）安装在转子（4）上；

所述的动力及控制系统包括伺服电机（9）、发电机（10）及负荷控制柜（2），伺服电机（9）与发电机（10）安装在台架基座（0）上且均通过挠性联轴器（3）分别与多个转子（4）拼接后的两端连接，保证对中；负荷控制柜（2）用于控制发电机（10）的工作，伺服电机（9）用于带动转子转动。

2.如权利要求1所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的台架基座（0）上装有可使滑动轴承支架（5）和碰磨试验支架（11）在其上轴向移动的滑轨（8），所述的滑动轴承支架（5）和碰磨试验支架（11）通过螺钉固定在台架基座（0）上。

3.如权利要求2所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的滑动轴承支架（5）用于放置滑动轴承，通过上轴承端盖和下轴承端盖固定在滑动轴承支架（5）上，上轴承端盖装有X方向振动探头和Y方向振动探头，所述的X方向振动探头和Y方向振动探头中装有振动位移测量器。

4.如权利要求3所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的转速测量器为光电传感器，所述的振动位移测量器为电涡流传感器，所述的电涡流传感器安装于X方向振动探头和Y方向振动探头中，所述的光电传感器和磁电式传感器分别安装在一传感器支架（13）上，传感器支架（13）安装在滑轨（8）上。

5.如权利要求1-4任一项所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的质量轮盘（6）安装在衬套（61）上，衬套（61）通过定位螺栓固定在转子（4）上；质量轮盘（6）上设有多个不平衡孔（62），在不平衡孔（62）内安装不同质量螺栓来进行质量不平衡试验。

6.如权利要求1-4任一项所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的碰磨试验支架（11）上设有多个安装孔（111），所述的安装孔（111）用于放置黄铜螺栓。

7.如权利要求1-4任一项所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的转子（4）上安装多个位于不同位置的叶栅（12）和多个位于不同位置的质量轮盘（6）。

8.如权利要求1-4任一项所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的叶栅（12）上装有多个直叶片或/和弯扭叶片，叶片的长度不一，所述的扭振测量齿轮和叶栅均通过衬套安装在转子上，并通过螺栓固定在转子上。

9.如权利要求1-4任一项所述的汽轮发电机转子扭振与故障模拟多功能试验台，其特征在于，所述的转子（4）为变形转子或裂纹转子。

10.权利要求1-9任一项所述多功能试验台的试验方法，其特征在于，包括轴系振动试验和轴系扭振试验；

所述的轴系振动试验包括：

1）调整质量轮盘在转子上的位置、质量、直径和厚度来调节转子振型和临界转速，质量轮盘上的不平衡孔中加装螺栓，模拟质量不平衡试验；

2）滑动轴承支架沿滑轨轴向移动，调节距离，满足不同轴系长度的支撑要求；通过台架基座上固定滑动轴承支架的螺钉松紧程度模拟地脚螺栓松动、地基刚性不足试验；

3）碰磨试验支架上安装黄铜螺栓，进行多点、单点碰磨试验；通过移动碰磨试验支架，进行不同位置碰磨试验；

4）滑动轴承支架内安放故障滑动轴承，模拟滑动轴承故障对振动的影响；

5）采集振动数据，输入计算机，通过扭振分析系统得到振动图谱；

所述的轴系扭振试验包括：

1）调节质量轮盘的质量、位置、直径和厚度，得到不同的发电机转子类型，对不同转子型号下轴系扭振的振动进行测量；

2）转子更换为裂纹转子，模拟试验转子不同角度裂纹、不同深度裂纹情况下，轴系扭振频率的变化情况；调整转子长度、改变轴径结构，模拟不同轴系情况下扭振情况；

3）转子加装叶栅，建立叶栅-轴系耦合试验系统，试验分析不同数目及叶栅叶片断裂对轴系振动频率的影响；同时对轴系加装叶栅前后的振型进行分析，研究叶栅对轴系扭振的影响；

4）更换联轴器类型，试验不同联轴器连接状态下轴系扭振频率；

5）试验台转速达到3000r/min后，带上不同负荷，进行试验；然后带满负荷后进行甩负荷试验；设置不同的短路时间进行短路试验。