CN117433791A - 模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置及其试验方法，包括机组模型、主轴动态监测系统以及主轴静态偏心测量系统；所述主轴静态偏心测量系统包括若干偏心测量模块，多个所述偏心测量模块对应于多处所述轴承位置进行设置；所述主轴动态监测系统通过主控系统控制所述机组模型的停机动作；所述机组模型的停机动作通过主控系统联动控制所述主轴静态偏心测量系统的测量动作。本发明通过模拟汽轮机运行，并在停机状态下对主轴的实际变化进行测量，从而为实际机组制定合理的定期检修和维护计划提供数据参考。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮机安全试验技术领域，特别是一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置及其试验方法。
背景技术
汽轮机是发电机组的核心设备，作为大型动力设备，其运行安全极为重要。TSI系统作为汽轮机的安全监测及保护系统，具备对汽轮机运行过程中各项运行参数的采集、记录以及示警等功能，能够有效维持机组安全稳定的运行。然而，当触发报警时往往是故障已经发生，所需停机维修的时间和精力耗费更多，且由于汽轮机体积庞大结构复杂，对于零件损坏而诱发的故障，零件的更换极为不便。故而，对设备的故障进行预期并合理的计划定期检修和维护是极为重要且有效的。
TSI系统主要通过多点位布设传感器，从而对机组的运行状态进行监视。例如对于机组主轴的偏心及轴振的监测，反应的是主轴在运行状态下，由于承受一定的外部或内部的预加负荷导致的暂时性弯曲变形，一般通过调节荷载便能够有所缓解；但长时间的负载运行可能导致主轴发生永久性的弯曲变形或轴承的磨损，从而造成主轴的永久性偏心，进而不得不停机维修；且由于机组主轴直径过大，难以在静止状态下对主轴的永久性偏心进行测量，故而在实际机组上主轴的永久性偏心发生时间是难以预期的，从而难以合理的计划定期检修和维护。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置及其试验方法，通过模拟汽轮机运行，并在停机状态下对主轴的实际变化进行测量，从而为实际机组制定合理的定期检修和维护计划提供数据参考。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置及其试验方法，包括机组模型、主轴动态监测系统以及主轴静态偏心测量系统；所述主轴动态监测系统包括偏心监测端、转数监测端和若干轴振监测端，所述偏心监测端和所述转速监测端位于所述机组模型的端部轴承处，多个所述轴振监测端对应于所述机组模型的多处轴承位置进行设置；所述主轴静态偏心测量系统包括若干偏心测量模块，多个所述偏心测量模块对应于多处所述轴承位置进行设置；所述主轴动态监测系统通过主控系统控制所述机组模型的停机动作；所述机组模型的停机动作通过主控系统联动控制所述主轴静态偏心测量系统的测量动作。
进一步地，所述偏心测量模块包括两个测量单元，两个所述测量单元对称设置于对应轴承的两侧，两个所述测量单元分别测量所在位置的轴偏心值，用于计算获得轴承套设位置的轴偏心值。
进一步地，所述测量单元包括驱动环，用于驱动其上若干测量端相对转动中心旋转一定角度，所述驱动环的圆心与所述转动中心重合；多个所述测量端均匀环绕布设于所述驱动环的内侧环面上，且两两关于所述转动中心对称设置；多个所述测量端到所述转动中心的距离相等；相邻两个所述测量端的夹角为a，则所述驱动环绕所述转动中心旋转的角度为a；两个所述测量单元的驱动环同步转动，且二者上的多个所述测量端沿中心轴向对齐设置。
进一步地，所述驱动环由两个半环拼接构成，两个所述半环由两个滑移驱动机构分别带动相对滑移，使得二者同步靠近或远离机组主轴；同一偏心测量模块中，位于同侧的两个半环由同一滑移驱动机构驱动。
进一步地，通过试验装置模拟汽轮机工作状态，经多次维护周期演变，选定最佳的维护周期方案，具体包括以下步骤：
A1、启动机组模型，通入蒸气使机组运行，通过主轴动态监测系统的轴动态信息反馈，调节机组参数使主轴运行稳定，记录并维持当前参数持续运行，直至轴动态信息反馈超出允许范围，触发异常停机，记录触发停机前的总转数N0作为空白对照组；
A2、更换损坏零件，再次启动机组模型，调节机组参数至与空白对照组一致，经预设转数n转运行后停运机组模型，通过主轴静态偏心测量系统对主轴进行偏心检测，获取并计算出各轴承位置处的轴偏心值；
A3、预设一个主轴偏心维护阈值D0，判断计算所得的多个轴偏心值是否达到阈值D0，若未达到则再经预设转数n转运行后，重新测量各轴承套设处的轴偏心值，直至所得是多个轴偏心值中存在达到阈值D0的值，记录试验次数k并计算获得周期转数T＝kn；
A4、根据达到阈值D0的轴偏心值判断损耗类型并采取对应的维护方案，经维护修复后，以周期转数T为一个周期进行运行，并在每次停机后进行一次维护，经多个周期的运行直至轴动态信息反馈超出允许范围，触发异常停机，记录触发停机前的总转数N作为试验对照组；
A5、重复上述步骤A2～A4，通过预设不同的轴偏心维护阈值D0，获得多个试验对照组，包括对应的多个周期转数T以及多个总转数N，比较多个总转数N，选定N最大值对应的周期转数T作为最佳的维护周期方案。
进一步地，假定触发异常停机前的维护次数为r，最后一次维护后至停机前的转数为b，则N＝rkn+b，N>N0。
进一步地，将驱动环上对称的两个测量端为一组，以其中一个测量端在竖向平面内的角度位置为横向坐标，所测的间距值d为纵坐标建立平面直角坐标系，将该测量端的数据绘制为正值图像，另一个测量端的数据则对应绘制为负值图像。
进一步地，在同一偏心测量模块中，依据同侧半环上测量单元数据绘制的图像正负相同；根据任意轴承位置的前侧测量单元绘制图像，以其正值图像的极点坐标(β，d1)为参考，获取负值图像的对应点坐标为(β，d2)，则计算当前轴承位置前侧的轴偏心值：D前＝(d1+d2)/2；以横坐标β在该轴承位置的后侧测量单元绘制的图像中，分别获取(β，d3)和(β，d4)，则计算当前轴承位置后侧的轴偏心值：D后＝(d3+d4)/2，则当前轴承套设位置的轴偏心值Dx＝(D前+D后)/2，x为轴承位置编号。
进一步地，当D前≠D后时，则机组主轴发生弯曲；当D前与D后正负相同时，则存在磨损。
有益效果：本发明的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置及其试验方法，通过模拟汽轮机的实际运行，综合分析机组参数对轴运行寿命的影响，着重监测机组主轴在运行中的偏心状态以及测量撤去工作负荷后造成的实际偏心损耗，通过试验的方式模拟对机组进行有规划的定期维护，研究在不同维护周期下轴寿命的沿长程度，最终归纳总结出最为合理的维护周期，为汽轮机的运行安全提供了保证，合理规划利用人力资源，延长机组停机维修的间隔以及缩短停机维修的时间，并减少了因更换大型损坏零件而产生的成本。
附图说明
附图1为本发明一种实施例的整体结构示意图；
附图2为本发明一种实施例的偏心测量模块结构示意图；
附图3为本发明一种实施例的测量单元相对主轴结构位置横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1-3所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置及其试验方法：其中所述试验装置包括机组模型1、主轴动态监测系统以及主轴静态偏心测量系统；所述主轴动态监测系统包括偏心监测端2、转数监测端3和若干轴振监测端4，所述偏心监测端2和所述转速监测端3位于所述机组模型1的端部轴承处，多个所述轴振监测端4对应于所述机组模型1的多处轴承位置进行设置；所述主轴静态偏心测量系统包括若干偏心测量模块5，多个所述偏心测量模块5对应于多处所述轴承位置进行设置；所述主轴动态监测系统通过主控系统控制所述机组模型1的停机动作；所述机组模型1的停机动作通过主控系统联动控制所述主轴静态偏心测量系统的测量动作。
机组模型由实际机组等比例缩小设置，具体由主轴11、高中低压气缸以及多处轴承构成，其中主轴11的前端即机头位置为前轴承箱12，所述主轴11的后端即机尾位置为发电机13，所述前轴承箱12和发电机13的碳刷室内分别设置有一个端部轴承16，所述主轴由前端至后端依次穿过高中压气缸14和低压气缸15，所述高中压气缸14和低压气缸15的两端分别套设有一处支撑轴承17，以及其他若干功能性轴承18，例如止推轴承等。在进行机组模型等比例复刻时，可连通复刻实际机组上的TSI安全监测保护系统，TSI安全监测保护系统自带的监测传感器可用作本方案的偏心监测端2和轴振监测端4，而转数监测端3则在端部轴承处设置常见的计数传感器实现计数功能即可。
所述偏心测量模块5包括两个测量单元51，两个所述测量单元51对称设置于对应轴承的两侧，两个所述测量单元51分别测量所在位置的轴偏心值，用于计算获得轴承套设位置的轴偏心值。
所述测量单元51包括驱动环511，用于驱动其上若干测量端512相对转动中心10旋转一定角度，所述驱动环511的圆心与所述转动中心10重合；多个所述测量端512均匀环绕布设于所述驱动环511的内侧环面上，且两两关于所述转动中心10对称设置；多个所述测量端512到所述转动中心10的距离相等；相邻两个所述测量端512的夹角为a，则所述驱动环511绕所述转动中心10旋转的角度为a；两个所述测量单元51的驱动环511同步转动，且二者上的多个所述测量端512沿中心轴向对齐设置。
例如图3所示，一种实施例，测量端设置有六个，相邻夹角a＝60°。
通过对轴承两侧等距位置进行独立的偏心测量，再依据两个点位的偏心值对轴承套设位置的中部偏心值进行估算，使得算得的偏心值误差更小，具体计算方法如下：
将驱动环上对称的两个测量端512为一组，以其中一个测量端在竖向平面内的实际角度位置为横向坐标，所测的间距值d为纵坐标建立平面直角坐标系；优选的实施例，所述实际角度位置以驱动环横截面的圆心上侧半径为0°参考，以顺时针方向180°覆盖范围内的测量端的实际角度建立坐标系。
将顺时针方向180°覆盖范围内的测量端的所测数据以正值绘制为正值图像，而相对称180°范围内的测量端则与其共用相同横坐标，并将所测的数据转化为负值，对应绘制为负值图像。在轴身无磨损状态下，此时正值图像与负值图像的竖向间距最小处对应的角度坐标，表示当前位置偏心所在的径向偏角。而间距最小处一般对应于两个图像的极点位置，若存在微小偏差，可能是轴发生了轻微的扭转。
所述驱动环511由两个半环拼接构成，两个所述半环由两个滑移驱动机构分别带动相对滑移，使得二者同步靠近或远离机组主轴；同一偏心测量模块5中，位于同侧的两个半环由同一滑移驱动机构驱动。所述驱动环511由两个半环拼接构成，两个所述半环由两个滑移驱动机构分别带动相对滑移，使得二者同步靠近或远离机组主轴；同一偏心测量模块5中，位于同侧的两个半环由同一滑移驱动机构驱动。
优选的，两个半环的拼接面通过常规的卡扣结构或磁吸结构进行固定，二者拼接后构成完整圆环，驱动环的驱动可由齿轮结构传动实现，通过在驱动环外侧设置有齿轮结构，使得环体外侧与驱动齿轮啮合，再由步进电机带动驱动齿轮定向转过固定角度，从而使得驱动环随动转过固定角度。半环与对应的滑移座之间通过导向限位结构进行限位，例如通过弧形的滑槽和滑块结构进行配合，使得二者间只发生一定角度范围内的相对摆动，从而保证驱动环上各测量端的测量精度，保证精准的测量覆盖，以使得绘制的图像完整平滑，排除多项干扰因素，避免对试验数据造成严重干扰。
为了便于试验数据的采集，结合上述图像绘制方法，刚好可将位于同一半环上的多个测量端所测数据输出为正负相同的数值，而在同一偏心测量模块5中，依据同侧半环上测量单元数据绘制的图像正负相同。
根据任意轴承位置的前侧测量单元绘制图像，由于轴产生的轻微扭转较小，可忽略不计，故而以正值图像的极点坐标(β，d1)为参考，获取负值图像的对应点坐标为(β，d2)，则计算当前轴承位置前侧的轴偏心值：D前＝(d1+d2)/2；以横坐标β在该轴承位置的后侧测量单元绘制的图像中，分别获取(β，d3)和(β，d4)，则计算当前轴承位置后侧的轴偏心值：D后＝(d3+d4)/2，则当前轴承套设位置的轴偏心值Dx＝(D前+D后)/2，x为轴承位置编号，即沿轴向从机头至机尾方向轴承的排列顺序，例如前轴承箱内的端部轴承为一号轴承，则其对应的x＝1，一号轴承套设位置的轴偏心值D1＝(D1前+D1后)/2，其中D1前指代一号轴承位置前侧的轴偏心值，D1后指代一号轴承位置后侧的轴偏心值；计算所有轴承位置的轴偏心值归纳成数集D＝{D1，D2，D3，…，DX}，便于试验数据的记录和区分。如附图3中所示位置的偏心对应的β＝0°。
通过上述试验装置模拟汽轮机的实际工作状态，经多次不同维护周期下的机组状态演变模拟，选定最佳的维护周期方案，具体包括以下步骤：
A1、启动机组模型，通入蒸气使机组运行，通过主轴动态监测系统的轴动态信息反馈，调节机组参数使主轴运行稳定，记录并维持当前参数持续运行，直至轴动态信息反馈超出允许范围，触发异常停机，记录触发停机前的总转数N0作为空白对照组。
A2、更换损坏零件，再次启动机组模型，调节机组参数至与空白对照组一致，经预设转数n转运行后停运机组模型，通过主轴静态偏心测量系统对主轴进行偏心检测，获取并计算出各轴承位置处的轴偏心值，所得数据记录为一个数集D。
A3、预设一个主轴偏心维护阈值D0，判断计算所得的多个轴偏心值是否达到阈值D0，即数集D中是否存在DX≥D0；若未达到则再经预设转数n转运行后，重新测量各轴承套设处的轴偏心值，直至所得是多个轴偏心值中存在达到阈值D0的值，记录试验次数k并计算获得周期转数T＝kn。
A4、根据达到阈值D0的轴偏心值判断损耗类型并采取对应的维护方案，具体损耗类型判断方法如下：当D前≠D后时，则机组主轴发生弯曲；当D前与D后正负相同时，则存在磨损；经维护修复后，以周期转数T为一个周期进行运行，并在每次停机后进行一次维护，经多个周期的运行直至轴动态信息反馈超出允许范围，触发异常停机，记录触发停机前的总转数N作为试验对照组；假定触发异常停机前的维护次数为r，最后一次维护后至停机前的转数为b，则N＝rkn+b，N>N0。
A5、重复上述步骤A2～A4，通过预设不同的轴偏心维护阈值D0，获得多个试验对照组，包括对应的多个周期转数T以及多个总转数N，比较多个总转数N，选定N最大值对应的周期转数T作为最佳的维护周期方案。
基于上述方法步骤，可以实际机组的运行参数等比例映射至机组模型运行，从而对正在运行的实际机组进行预期维护计划的研究和制定。
以上描述仅为本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明上述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也同样视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置，其特征在于：包括机组模型(1)、主轴动态监测系统以及主轴静态偏心测量系统；所述主轴动态监测系统包括偏心监测端(2)、转数监测端(3)和若干轴振监测端(4)，所述偏心监测端(2)和所述转速监测端(3)位于所述机组模型(1)的端部轴承处，多个所述轴振监测端(4)对应于所述机组模型(1)的多处轴承位置进行设置；所述主轴静态偏心测量系统包括若干偏心测量模块(5)，多个所述偏心测量模块(5)对应于多处所述轴承位置进行设置；所述主轴动态监测系统通过主控系统控制所述机组模型(1)的停机动作；所述机组模型(1)的停机动作通过主控系统联动控制所述主轴静态偏心测量系统的测量动作。
2.根据权利要求1所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置，其特征在于：所述偏心测量模块(5)包括两个测量单元(51)，两个所述测量单元(51)对称设置于对应轴承的两侧，两个所述测量单元(51)分别测量所在位置的轴偏心值，用于计算获得轴承套设位置的轴偏心值。
3.根据权利要求2所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置，其特征在于：所述测量单元(51)包括驱动环(511)，用于驱动其上若干测量端(512)相对转动中心(10)旋转一定角度，所述驱动环(511)的圆心与所述转动中心(10)重合；多个所述测量端(512)均匀环绕布设于所述驱动环(511)的内侧环面上，且两两关于所述转动中心(10)对称设置；多个所述测量端(512)到所述转动中心(10)的距离相等；相邻两个所述测量端(512)的夹角为a，则所述驱动环(511)绕所述转动中心(10)旋转的角度为a；两个所述测量单元(51)的驱动环(511)同步转动，且二者上的多个所述测量端(512)沿中心轴向对齐设置。
4.根据权利要求3所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置，其特征在于：所述驱动环(511)由两个半环拼接构成，两个所述半环由两个滑移驱动机构分别带动相对滑移，使得二者同步靠近或远离机组主轴；同一偏心测量模块(5)中，位于同侧的两个半环由同一滑移驱动机构驱动。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置的试验方法，其特征在于：通过试验装置模拟汽轮机工作状态，经多次维护周期演变，选定最佳的维护周期方案，具体包括以下步骤：
A1、启动机组模型，通入蒸气使机组运行，通过主轴动态监测系统的轴动态信息反馈，调节机组参数使主轴运行稳定，记录并维持当前参数持续运行，直至轴动态信息反馈超出允许范围，触发异常停机，记录触发停机前的总转数N0作为空白对照组；
A2、更换损坏零件，再次启动机组模型，调节机组参数至与空白对照组一致，经预设转数n转运行后停运机组模型，通过主轴静态偏心测量系统对主轴进行偏心检测，获取并计算出各轴承位置处的轴偏心值；
A3、预设一个主轴偏心维护阈值D0，判断计算所得的多个轴偏心值是否达到阈值D0，若未达到则再经预设转数n转运行后，重新测量各轴承套设处的轴偏心值，直至所得是多个轴偏心值中存在达到阈值D0的值，记录试验次数k并计算获得周期转数T＝kn；
A4、根据达到阈值D0的轴偏心值判断损耗类型并采取对应的维护方案，经维护修复后，以周期转数T为一个周期进行运行，并在每次停机后进行一次维护，经多个周期的运行直至轴动态信息反馈超出允许范围，触发异常停机，记录触发停机前的总转数N作为试验对照组；
A5、重复上述步骤A2～A4，通过预设不同的轴偏心维护阈值D0，获得多个试验对照组，包括对应的多个周期转数T以及多个总转数N，比较多个总转数N，选定N最大值对应的周期转数T作为最佳的维护周期方案。
6.根据权利要求5所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置的试验方法，其特征在于：假定触发异常停机前的维护次数为r，最后一次维护后至停机前的转数为b，则N＝rkn+b，N>N0。
7.根据权利要求6所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置的试验方法，其特征在于：将驱动环上对称的两个测量端作为一组，以其中一个测量端在竖向平面内的角度位置为横向坐标，所测的间距值d为纵坐标建立平面直角坐标系，将该测量端的数据绘制为正值图像，另一个测量端的数据则对应绘制为负值图像。
8.根据权利要求7所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置的试验方法，其特征在于：在同一偏心测量模块(5)中，依据同侧半环上测量单元数据绘制的图像正负相同；根据任意轴承位置的前侧测量单元绘制图像，以其正值图像的极点坐标(β，d1)为参考，获取负值图像的对应点坐标为(β，d2)，则计算当前轴承位置前侧的轴偏心值：D前＝(d1+d2)/2；以横坐标β在该轴承位置的后侧测量单元绘制的图像中，分别获取(β，d3)和(β，d4)，则计算当前轴承位置后侧的轴偏心值：D后＝(d3+d4)/2，则当前轴承套设位置的轴偏心值Dx＝(D前+D后)/2，x为轴承位置编号。
9.根据权利要求8所述的一种模拟汽轮机运行诱发轴偏心的试验装置的试验方法，其特征在于：当D前≠D后时，则机组主轴发生弯曲；当D前与D后正负相同时，则存在磨损。
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