转子现场高速动平衡方法研究

论文总字数：26232字

摘 要

关键词： 高速柔性转子 机械振动 谐分量法 影响系数法 计算软件

The Research about Dynamic Balancing Method of High Speed Rotor

03011405 Chongyao Liu

Supervised by Yu Wang

Abstract:The keys of research about the dynamic balance method of steam turbine unit are the basic theoretical knowledge of rotating machinery vibration ,the basic theory related to rotating dynamics and the rotor vibration signal acquisition and analysis. According to these theories, vibration phase, amplitude and frequency are the data reflecting the vibration characteristics which can help us to analysis the flexible rotor unbalance vibration characteristics. Method of vibration mode balance and influence coefficient method are the most commonly methods of researching the steam turbine unit dynamic balance. Harmonic component method is a special type of vibration mode balance method. The main process for the vibration signal harmonic component decomposition method could be divided into these two steps: The first step is the decomposition of harmonic component, the second is calculating the weight to exert by the method of influence coefficient. The most important part of this project is writing a accurate and practical software base on MFC and testing on the rotor balancing test bench.

Key words: high-speed flexible rotor mechanical vibration harmonic component balance method influencing coefficient method

calculation software

目录

摘要……………………………………………………………………………………………..Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………………………Ⅱ

1.绪 论…………………………………………………………………………………………...1

• 1. 引言…………………………………………………………………………………………1
  2. 当前研究现状………………………………………………………………………………1
  3. 本文的研究目的和主要内容………………………………………………………………1

2.振动的基本理论………………………………………………………………………………3

2.1振动的基本概念…………………………………………………………………………….3

2.2振动位移、速度、加速度………………………………………………………………….4

2.3 振动的基本模型分析………………………………………………………………………5

2.4振动测量…………………………………………………………………………………….8

2.4.1振动传感器原理………………………………………………………………………8

2.4.2 振动传感器特点及选用………………………………………………………………9

2.4.3 振动相位的测量……………………………………………………………………..11

3.振动特征的分析方法和提取………………………………………………………………...12

3.1 从稳态信号中提取动态特征……………………………………………………………...12

3.2 波德图中的振动特征……………………………………………………………………...14

4.旋转机械动平衡理论………………………………………………………………………...17

4.1 动平衡及其方法概述……………………………………………………………………...17

4.2 刚性转子的动平衡概述…………………………………………………………………...17

4.2.1 刚性转子和柔性转子的区分 ….…………………………………………………...18

4.2.2 刚性转子的动平衡理论……………………………………………………………..18

4.3 柔性转子的动平衡概述…………………………………………………………………...19

4.3.1 柔性转子的不平衡振动特性………………………………………………………..19

4.3.2 柔性转子动平衡的影响系数法……………………………………………………..20

4.3.3 柔性转子动平衡的谐分量法………………………………………………………..20

4.3.4 柔性转子的谐分量法和影响系数法的比较………………………………………..21

4.3.5 柔性转子谐分量法的注意事项……………………………………………………..21

5.编制计算软件………………………………………………………………………………….24

5.1 程序框图…………………………………………………………………………………….24

5.2 程序界面…………………………………………………………………………………….28

5.3 计算实例…………………………………………………………………………………….29

6.动平衡试验的验证…………………………………………………………………………….33

6.1 实验目的…………………………………………………………………………………….33

6.2 实验原理…………………………………………………………………………………….33

6.3 实验设备…………………………………………………………………………………….33

6.4 实验思路…………………………………………………………………………………….35

6.5 实验流程及结果分析……………………………………………………………………….35

6.6 实验结论…………………………………………………………………………………….40

7.总结…………………………………………………………………………………………….41

致谢………………………………………………………………………………………………42

参考文献…………………………………………………………………………………………43

转子现场高速动平衡方法研究

1、绪 论

• 1. 引言

从上世纪七十年代开始的改革开放使得我国的经济有了巨大的发展，相应的对于电力的需求也同时大大增加，在开发水电、风电、核电的同时，火电行业作为电力行业的中流砥柱发挥了不可磨灭的作用。

旋转机械在发电中厂中是非常重要也是十分常见的，汽轮发电机组在发电设备中也是不可或缺的一部分，在发电厂机炉电三大部分中汽轮机和发电机都是以旋转机械为主要部件的，旋转机械的运行状况是否正常直接关系到整个发电厂的效益。而在旋转机械的运作过程中，高速转子作为其典型代表也是我们研究的重点。在实际的运行过程中，因旋转机械出现故障而导致机组必须停转而出现严重的经济损失的事故也是时有发生，以1000MW机组为例，其启停一次的经济损失大约为几十万元。

旋转机械的振动是影响机组运行，设备安全的重要因素。振动也可以称为机组运行情况的“体温计”，振动的大小是设备评估安全与否的重要指标。一台机组在正常运行的过程中，振动的幅值和振动幅值的变化都应该小于一定的标准。如果振动过大，就说明机组的运行出现了故障。而本毕业设计项目的目的就在于当机组出现故障之后，能通过计算及时准确安全的将机组恢复正常状态，这其中不仅要求最少的启停次数，也要求试加重位置的安全以保证机组振动不会再次扩大。这对于汽轮发电机组来说是十分有意义的。

1.2当前研究现状

现在业界上对于汽轮发电机组现场动平衡已经有了一套成熟的方法，并且已经取得了

可喜的研究成果。进行转子动平衡的方法主要有振型平衡法和影响系数法，振型平衡法又可以称为模态平衡法。振型平衡法是基于柔性转子动平衡理论的方法，按照分离振型的手段可以被分为共振分离法和临界转速下分解振型的方法。共振分离法分为 “N”法、“N 2”法以及振型圆平衡法，分解振型的方法又包括谐分量法以及莫尔法^[1]。影响系数法的主要优点在于数学的计算上的方便但是可能存在加重角度上的问题，而在振型平衡法的基础上利用影响系数法来计算不平衡问题则是可行的，而且两种方法的结合使得动平衡问题的计算更加准确和方便。

不过在现场处理汽轮发电机组动平衡问题的时候，理论上的东西往往要结合实践才能发挥作用，本课题由于中对于现场汽轮发电机组的实际情况并没有涉及，所以相信还存在一些缺陷，但是在研究柔性转子动平衡的过程中理论上的研究和验证性的实验也是必要的。

1.3 本文研究的主要目的和内容

在对汽轮发电机组现场动平衡方法的研究过程中，掌握旋转机械振动基础理论、转子

动力学相关理论以及振动信号的采集和分析的方法是三个关键。在振动信号方面，振动的幅值，相位，频率是非常重要的三个因素。本文通过对振动参数的分析和振动不平衡的消除的研究，对于柔性转子动平衡的理论有了一个比较具体和正确的认识。在此基础上利用本科期间学习过的MFC软件来编制具有使用价值的相应计算软件。最后在转子实验台上验证计算软件的计算结果的正确性。本课题在经过详实的理论研究和缜密的实验验证之后，用基于谐分量法的影响系数法解决的实际的动平衡问题，并且编写出了较为实用且准确的、经过实验验证的动平衡计算软件。

2、振动的基本理论

2.1 振动的基本概念

振动是一种动态变化的量。图2-1所显示的是最简单的一种振动的形式——简谐振动，简谐振动的振幅按照以下函数呈周期性变化。

(2-1)

ω=2πf (2-2 )

式中，y是振动位移；A是振动幅值；是振动相位；ω是圆频率；f是振动频率；T 是周期。振动幅值表征了振动的烈度大小；振动频率显示了振动量随时间变化的速度；振动相位显示了振动信号在起始时刻的振动状态。^[2]图2-2给出了三组相似的振动波形：这三幅图分别反映了振幅，相位和频率不同的波形。从这三幅图中可以看出这三个参数对于分析振动的重要性。

上文提到振动信号是一个动态变化的量。分析振动波形时取波形中正的最大值和负的最大值的差值作为振动幅值，也称为峰峰值，通常以App表示。

图2-1 简谐振动波形

图2-2 三组相似的振动波形

简谐振动是一种最常见也最简单的振动形式，实际机组转子产生的振动问题比简谐振动要更加复杂。但是不管振动多么复杂，由振动信号分析的理论可得，都可以将复杂的信号分解为若干个具有不同频率ω、幅值A和相位ϕ的简谐信号分量。

(2-3)

图2-3给出了一组复杂波形分解实例。旋转机械振动分析离不开转速，为了方便和直观起见，在分析过程中1x频率就是与转动频率相等的频率，然后以0.5x、2x等表示与转动频率的0.5倍、2倍等相等的频率，又称为半频、二倍频。

图 2-3 复杂简谐振动波形分解实例

2.2 振动位移、速度、加速度

除了振动位移外，在进行振动分析的时侯还时常用到振动速度和加速度。振动速度和加速度是通过对位移信号进行求导得来的。也就是说这三种信号是可以通过微积分互相转换的。这三种信号具有以下几个特点：

（1）振动的位移、速度和加速度信号在经过微积分运算之后不改变其频率。而且在不同的信号的波形下，故障性质都是不会变化的，振动位移，振动速度、振动加速度这三种信号在旋转机械振动问题的分析中有着各自的应用。比如振动位移是直接测量转子上的振动，而振动速度一般用在轴瓦振动的测量，且振动速度适用于不同转速的振动测量。

（2）在相同的振动幅值下，频率越高，旋转机械在该振动下产生故障的可能性越大，对设备安全的危害也越大。因此，对旋转机械日常维护而言，转速越高，振动标准应当越加严格。

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