潘宏剛，鄭飛飛，夏永放，崔 潔

(1.沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，遼寧 沈陽 110027)

汽輪機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速實驗研究

潘宏剛1，鄭飛飛2，夏永放1，崔 潔1

(1.沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，遼寧 沈陽 110027)

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計算方法有很多種，但是計算結(jié)果與實際誤差較大。通過轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速實驗測量裝置，利用伯德圖法、頻譜分析法和李莎茹圖法對轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速進行測量，分析并比較了3種測量方法的優(yōu)缺點。實驗結(jié)果表明，伯德圖法對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果較為準確，并能直觀地反映出轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速時刻下對應(yīng)的相位，為后期轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速影響分析及其靈敏度分析打下基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；臨界轉(zhuǎn)速；伯德圖；頻譜分析

當今火力發(fā)電廠向著大容量、高參數(shù)趨勢發(fā)展，機組的穩(wěn)定運行和集中控制水平要求非常高。汽輪發(fā)電機組是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備，其運行可靠性將直接影響全廠的安全性和經(jīng)濟性。汽輪機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由主軸、葉輪、葉片及聯(lián)軸器等設(shè)備組成，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與汽輪機靜止部分間隙很小，運行過程中由于振動原因?qū)е聶C組發(fā)生碰摩現(xiàn)象，造成設(shè)備損壞，振動過大將使機組停機。由于汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子，汽輪機在啟動或停機過程中，要越過轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。在臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子的振幅急劇增大，造成動靜部件之間碰摩，越過臨界轉(zhuǎn)速后，振幅減小。所以，在機組啟、停機時，要掌握轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，應(yīng)在極短的時間內(nèi)通過臨界轉(zhuǎn)速，避免轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和靜止部分造成過大的摩擦損壞。

國內(nèi)外關(guān)于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計算方法主要有Stodola矩陣迭代法、Prohl-Myklestad傳遞矩陣法、Rayleigh-Ritz 能量法、特征方程法、數(shù)值積分法和有限元分析法。但是，在臨界轉(zhuǎn)速的計算中，由于存在材料不明確、模型簡化過于簡單、邊界條件選取不準確、誤差分析不精確等影響因素，導致了臨界轉(zhuǎn)速計算不準確，與機組運行參考的臨界轉(zhuǎn)速偏差較大，導致機組啟、停機過程中造成過大的碰摩損傷，甚至造成機組的跳機現(xiàn)象。如果采用有限元模擬的方法對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速進行計算和模擬，由于在計算過程中對模型和邊界條件進行了一定程度的約束，使得臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果和實際值產(chǎn)生了較大偏差，且在實際的汽輪機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中存在大量的扭葉片以及失諧問題，使得有限元簡化模型的分析結(jié)果存在一定的偏差。

1 實驗裝置介紹

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測量實驗裝置主要由轉(zhuǎn)子實驗臺及調(diào)速設(shè)備、測量分析系統(tǒng)和軟件測量等部分組成，如圖1所示。轉(zhuǎn)子實驗臺及調(diào)速設(shè)備包括轉(zhuǎn)子臺基座、支撐軸承、油壺、主軸、聯(lián)軸器、電機、轉(zhuǎn)速調(diào)速儀等設(shè)備，主軸安裝在轉(zhuǎn)子實驗臺的兩個支撐軸承(通過油壺給油潤滑)上，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)速儀旋鈕控制電機輸入電流的大小，電機通過聯(lián)軸器控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大??；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由主軸、輪盤及聯(lián)軸器組成，主軸長度為500 mm，直徑為10 mm，兩支撐軸承間距為440 mm,主軸材質(zhì)為45號鋼，在主軸中間位置安裝配備輪盤，質(zhì)量為490 g，材質(zhì)為碳素合金鋼。測試分析系統(tǒng)主要包括電渦流位移傳感器、電渦流位移傳感器支架、電渦流位移傳感器前置放大器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動分析儀等設(shè)備，如圖1左上角所示。在轉(zhuǎn)子軸向方向上的不同位置，采用非接觸方式，安裝了5個同樣的電渦流位移傳感器，安裝間隙為1 mm，其中第1、2、3、5電渦流位移傳感器垂直安裝，第4電渦流位移傳感器水平安裝，在聯(lián)軸器附件安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，5個電渦流位移傳感器和1個轉(zhuǎn)速傳感器的信號輸入到振動數(shù)據(jù)分析儀中，經(jīng)信號處理后通過USB接口輸入電腦。軟件測量主要通過系統(tǒng)軟件進行不同方法的臨界轉(zhuǎn)速測量，包括伯德圖法、頻譜分析法和李莎茹圖法。

2 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測量

2.1 伯德圖法

實驗設(shè)備采取位移測量3通道(轉(zhuǎn)子中間部位位移變化較明顯)，轉(zhuǎn)速測量8通道(固定不變)。調(diào)試工作結(jié)束后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)速儀，使轉(zhuǎn)子升速到1 000 rpm左右，當穩(wěn)定的位移正弦信號曲線和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速方波曲線出現(xiàn)后，開始測繪伯德圖，并使轉(zhuǎn)子均勻升速，直到發(fā)現(xiàn)位移信號曲線第一次出現(xiàn)波峰后停止升速，關(guān)閉轉(zhuǎn)速調(diào)速儀，結(jié)束實驗，得出如圖2所示的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速伯德圖曲線。

1.轉(zhuǎn)子臺基座;2.油壺;3.支撐軸承;4.電渦流位移傳感器及支架;5.主軸;6.位移傳感器前置放大器;7.轉(zhuǎn)速傳感器;8.聯(lián)軸器;9.電機;10.振動數(shù)據(jù)分析儀;11.轉(zhuǎn)速調(diào)速儀;12.電腦及軟件

圖1 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測量實驗裝置

圖2中，橫坐標為轉(zhuǎn)速信號(rpm)，縱坐標為位移信號(mm)和相位信號(度)。從位移隨著轉(zhuǎn)速的變化曲線上可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，位移逐漸增大，當位移達到最大值后，又逐漸減小，最大位移點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速；從相位隨著轉(zhuǎn)速的變化曲線上可以看出，在臨界轉(zhuǎn)速前后，相位有明顯的變化，從臨界轉(zhuǎn)速前的144度增大到288度，臨界轉(zhuǎn)速前后相位變化了144度，符合臨界轉(zhuǎn)速前后相位變化范圍(70度～180度)。

通過測繪臨界轉(zhuǎn)速的伯德圖曲線，得出轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為3 197 rpm，最大振幅為0.202 mm，臨界轉(zhuǎn)速前后的相位差為144度。

2.2 頻譜分析法

利用頻譜分析法進行轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速實驗時，首先開啟頻譜分析軟件，點擊開始采集后，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速從“0”開始均勻上升，直到軟件上的圖形產(chǎn)生第一個波峰后，再均勻地減速到“0”，得出如圖3所示的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速頻譜圖。

圖2 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速伯德圖曲線

圖3 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速頻譜

圖3中的上半部分所示為升速和降速過程中轉(zhuǎn)子振幅(縱坐標)隨著時間(橫坐標)的變化示意圖。可以看出，在升速過程中，轉(zhuǎn)子的振幅逐漸增大，在5.4 s時振幅達到最大值0.197 mm，然后開始減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；在降速過程中，轉(zhuǎn)子在7.4 s時又一次經(jīng)歷了臨界轉(zhuǎn)速，所以轉(zhuǎn)子又出現(xiàn)一次最大振幅，同樣也為0.197 mm。根據(jù)振幅隨著時間的變化曲線，在圖3下半部分的幅頻曲線圖像中找出轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，其中，橫坐標為頻率(Hz)，縱坐標為幅值(mm)。在轉(zhuǎn)子升速和降速過程中，有一幅值最大的狀態(tài)點，該點對應(yīng)的頻率為54.4 Hz，即為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速頻率，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為3 264 rpm。

2.3 李莎茹圖法

利用李莎茹圖成像原理進行轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測量時，轉(zhuǎn)子位移測量通道要同時選取布置在轉(zhuǎn)子主軸同一徑向位置、互相垂直的位移3通道和位移4通道，并測量同一時刻轉(zhuǎn)子水平和垂直位移的變化。給轉(zhuǎn)子均勻升速的過程中，會在軟件上顯示出李莎茹圖的變化過程，如圖4所示?？梢钥闯?，臨界轉(zhuǎn)速前后相位有明顯的變化，臨界轉(zhuǎn)速在2 905～3 196 rpm之間，找到最大振幅 0.2 mm對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為3 153 rpm。

3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述3種臨界轉(zhuǎn)速的測量方法，將臨界轉(zhuǎn)速、最大振幅、轉(zhuǎn)速誤差、最大振幅誤差、轉(zhuǎn)速誤差率和振幅誤差率等數(shù)據(jù)列于表1，得出如下結(jié)論：

1)3種方法所測轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速基本一致，以伯德圖法為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)速誤差和最大振幅測量誤差均小于2.5%，證明這3種方法對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的測量都比較準確；

圖4 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速李莎茹圖

2)采用伯德圖法進行測量時，臨界轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的相位變化清晰明了，實驗結(jié)果準確，所以現(xiàn)場測量時多數(shù)采用的此方法；

3)采用頻譜分析法測量時，臨界轉(zhuǎn)速的最大位移偏小，可能是在升速過程中，在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速刻時的速度較快，從而導致測量數(shù)值偏小，且只能分析得到轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時的對應(yīng)頻率，并沒有相位大小的變化，這樣會產(chǎn)生臨界轉(zhuǎn)速的誤判斷；

4)采用李莎茹圖法所測的臨界轉(zhuǎn)速只能確定其大概范圍，不能很準確的讀取轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的大小，而且轉(zhuǎn)子的相位也不能準確地判斷出來。

綜上所述，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速多數(shù)采用伯德圖法進行測量。

表1 3種方法測量轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 結(jié) 論

通過采用3種方法對轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速進行了實驗測量，所測結(jié)果誤差很小，確保了實驗結(jié)果的準確性，同時分析了3種方法測量轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的優(yōu)缺點，得出轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測量最好選用伯德圖方法進行，為接下來不同影響因素對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速影響分析及其靈敏度分析打下了基礎(chǔ)。

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(責任編輯 張 凱 校對 佟金鍇)

The Steam Turbine Rotor Critical Speed Measurement Experiment

PAN Hong-gang1,ZHENG Fei-fei2,XIA Yong-fang1,CUI Jie1

(1.School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136;2.Maintenance Section,Shenyang Economic and Technological Development Zone thermoelectric co.,Ltd.,Shenyang 110027,Liaoning Province)

There are various methods to calculate the critical speed of the steam turbine,but the calculation results have greater error with the actual one commonly.In this paper,the Bode diagram method,spectrum analysis method and Lissajous figure method were chosen to measure the critical speed respectively by means of the rotor critical speed experiment measuring device.The advantages and disadvantages of three kinds of methods were obtained through comparison analysis of the measurement results.It showed that the Bode diagram method is relatively more accurate and can intuitively reflect the corresponding rotor phase under different rotational speed.The measurement result is the basis of the following rotor critical speed impact analysis and its sensitivity analysis.

Rotor system;Critical speed;Bode diagram;Spectrum analysis

2016-07-05

沈陽工程學院青年基金項目(LGQN-1601)

潘宏剛(1982-)，男，遼寧沈陽人，高級實驗師，博士研究生。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.005

TK263.6

A

1673-1603(2016)04-0314-05