汽轮机转子临界转速实验研究

潘宏刚，郑飞飞，夏永放，崔 洁

(1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳经济技术开发区热电有限公司 生产技术部，辽宁 沈阳 110027)

汽轮机转子临界转速实验研究

潘宏刚1，郑飞飞2，夏永放1，崔 洁1

(1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳经济技术开发区热电有限公司 生产技术部，辽宁 沈阳 110027)

转子临界转速的计算方法有很多种，但是计算结果与实际误差较大。通过转子临界转速实验测量装置，利用伯德图法、频谱分析法和李莎茹图法对转子的临界转速进行测量，分析并比较了3种测量方法的优缺点。实验结果表明，伯德图法对转子临界转速的测量结果较为准确，并能直观地反映出转子在不同转速时刻下对应的相位，为后期转子临界转速影响分析及其灵敏度分析打下基础。

转子系统；临界转速；伯德图；频谱分析

当今火力发电厂向着大容量、高参数趋势发展，机组的稳定运行和集中控制水平要求非常高。汽轮发电机组是火力发电厂的核心设备，其运行可靠性将直接影响全厂的安全性和经济性。汽轮机转子系统由主轴、叶轮、叶片及联轴器等设备组成，转子系统与汽轮机静止部分间隙很小，运行过程中由于振动原因将导致机组发生碰摩现象，造成设备损坏，振动过大将使机组停机。由于汽轮发电机组的转子为挠性转子，汽轮机在启动或停机过程中，要越过转子的临界转速。在临界转速时，转子的振幅急剧增大，造成动静部件之间碰摩，越过临界转速后，振幅减小。所以，在机组启、停机时，要掌握转子的临界转速，应在极短的时间内通过临界转速，避免转子系统和静止部分造成过大的摩擦损坏。

国内外关于转子临界转速的计算方法主要有Stodola矩阵迭代法、Prohl-Myklestad传递矩阵法、Rayleigh-Ritz 能量法、特征方程法、数值积分法和有限元分析法。但是，在临界转速的计算中，由于存在材料不明确、模型简化过于简单、边界条件选取不准确、误差分析不精确等影响因素，导致了临界转速计算不准确，与机组运行参考的临界转速偏差较大，导致机组启、停机过程中造成过大的碰摩损伤，甚至造成机组的跳机现象。如果采用有限元模拟的方法对转子临界转速进行计算和模拟，由于在计算过程中对模型和边界条件进行了一定程度的约束，使得临界转速计算结果和实际值产生了较大偏差，且在实际的汽轮机转子系统中存在大量的扭叶片以及失谐问题，使得有限元简化模型的分析结果存在一定的偏差。

1 实验装置介绍

转子临界转速测量实验装置主要由转子实验台及调速设备、测量分析系统和软件测量等部分组成，如图1所示。转子实验台及调速设备包括转子台基座、支撑轴承、油壶、主轴、联轴器、电机、转速调速仪等设备，主轴安装在转子实验台的两个支撑轴承(通过油壶给油润滑)上，通过调节转速调速仪旋钮控制电机输入电流的大小，电机通过联轴器控制转子转速的大小；转子系统由主轴、轮盘及联轴器组成，主轴长度为500 mm，直径为10 mm，两支撑轴承间距为440 mm,主轴材质为45号钢，在主轴中间位置安装配备轮盘，质量为490 g，材质为碳素合金钢。测试分析系统主要包括电涡流位移传感器、电涡流位移传感器支架、电涡流位移传感器前置放大器、转速传感器、振动分析仪等设备，如图1左上角所示。在转子轴向方向上的不同位置，采用非接触方式，安装了5个同样的电涡流位移传感器，安装间隙为1 mm，其中第1、2、3、5电涡流位移传感器垂直安装，第4电涡流位移传感器水平安装，在联轴器附件安装了转速传感器，5个电涡流位移传感器和1个转速传感器的信号输入到振动数据分析仪中，经信号处理后通过USB接口输入电脑。软件测量主要通过系统软件进行不同方法的临界转速测量，包括伯德图法、频谱分析法和李莎茹图法。

2 转子临界转速测量

2.1 伯德图法

实验设备采取位移测量3通道(转子中间部位位移变化较明显)，转速测量8通道(固定不变)。调试工作结束后，调节转速调速仪，使转子升速到1 000 rpm左右，当稳定的位移正弦信号曲线和稳定的转速方波曲线出现后，开始测绘伯德图，并使转子均匀升速，直到发现位移信号曲线第一次出现波峰后停止升速，关闭转速调速仪，结束实验，得出如图2所示的转子临界转速伯德图曲线。

1.转子台基座;2.油壶;3.支撑轴承;4.电涡流位移传感器及支架;5.主轴;6.位移传感器前置放大器;7.转速传感器;8.联轴器;9.电机;10.振动数据分析仪;11.转速调速仪;12.电脑及软件

图1 转子临界转速测量实验装置

图2中，横坐标为转速信号(rpm)，纵坐标为位移信号(mm)和相位信号(度)。从位移随着转速的变化曲线上可以看出，随着转速的升高，位移逐渐增大，当位移达到最大值后，又逐渐减小，最大位移点所对应的转速为临界转速；从相位随着转速的变化曲线上可以看出，在临界转速前后，相位有明显的变化，从临界转速前的144度增大到288度，临界转速前后相位变化了144度，符合临界转速前后相位变化范围(70度～180度)。

通过测绘临界转速的伯德图曲线，得出转子临界转速为3 197 rpm，最大振幅为0.202 mm，临界转速前后的相位差为144度。

2.2 频谱分析法

利用频谱分析法进行转子临界转速实验时，首先开启频谱分析软件，点击开始采集后，使转子的转速从“0”开始均匀上升，直到软件上的图形产生第一个波峰后，再均匀地减速到“0”，得出如图3所示的转子临界转速频谱图。

图2 转子临界转速伯德图曲线

图3 转子临界转速频谱

图3中的上半部分所示为升速和降速过程中转子振幅(纵坐标)随着时间(横坐标)的变化示意图。可以看出，在升速过程中，转子的振幅逐渐增大，在5.4 s时振幅达到最大值0.197 mm，然后开始减小转子的转速；在降速过程中，转子在7.4 s时又一次经历了临界转速，所以转子又出现一次最大振幅，同样也为0.197 mm。根据振幅随着时间的变化曲线，在图3下半部分的幅频曲线图像中找出转子的临界转速，其中，横坐标为频率(Hz)，纵坐标为幅值(mm)。在转子升速和降速过程中，有一幅值最大的状态点，该点对应的频率为54.4 Hz，即为转子的临界转速频率，对应的临界转速为3 264 rpm。

2.3 李莎茹图法

利用李莎茹图成像原理进行转子临界转速测量时，转子位移测量通道要同时选取布置在转子主轴同一径向位置、互相垂直的位移3通道和位移4通道，并测量同一时刻转子水平和垂直位移的变化。给转子均匀升速的过程中，会在软件上显示出李莎茹图的变化过程，如图4所示。可以看出，临界转速前后相位有明显的变化，临界转速在2 905～3 196 rpm之间，找到最大振幅 0.2 mm对应的临界转速为3 153 rpm。

3 实验结果与分析

根据上述3种临界转速的测量方法，将临界转速、最大振幅、转速误差、最大振幅误差、转速误差率和振幅误差率等数据列于表1，得出如下结论：

1)3种方法所测转子的临界转速基本一致，以伯德图法为基础，转速误差和最大振幅测量误差均小于2.5%，证明这3种方法对转子临界转速的测量都比较准确；

图4 转子临界转速李莎茹图

2)采用伯德图法进行测量时，临界转速和转子的相位变化清晰明了，实验结果准确，所以现场测量时多数采用的此方法；

3)采用频谱分析法测量时，临界转速的最大位移偏小，可能是在升速过程中，在经过临界转速刻时的速度较快，从而导致测量数值偏小，且只能分析得到转子临界转速时的对应频率，并没有相位大小的变化，这样会产生临界转速的误判断；

4)采用李莎茹图法所测的临界转速只能确定其大概范围，不能很准确的读取转子临界转速的大小，而且转子的相位也不能准确地判断出来。

综上所述，转子临界转速多数采用伯德图法进行测量。

表1 3种方法测量转子临界转速数据统计

4 结 论

通过采用3种方法对转子的临界转速进行了实验测量，所测结果误差很小，确保了实验结果的准确性，同时分析了3种方法测量转子临界转速的优缺点，得出转子临界转速测量最好选用伯德图方法进行，为接下来不同影响因素对转子临界转速影响分析及其灵敏度分析打下了基础。

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(责任编辑 张 凯 校对 佟金锴)

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

沈阳工程学院青年基金项目(LGQN-1601)

潘宏刚(1982-)，男，辽宁沈阳人，高级实验师，博士研究生。

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

TK263.6

A

1673-1603(2016)04-0314-05