第十章位移振動測量

1、機械量檢測及儀表機械量檢測及儀表 機械量檢測儀表是用來對機械量檢測儀表是用來對尺寸、位移、力、重量、轉矩、尺寸、位移、力、重量、轉矩、速度和振動速度和振動等參數進行測量的儀表。等參數進行測量的儀表。 火電廠的汽輪機組是一種高速旋轉的大型設備，為了?；痣姀S的汽輪機組是一種高速旋轉的大型設備，為了保障機組運行的經濟性，其轉動部分（如轉子、葉片、主軸）障機組運行的經濟性，其轉動部分（如轉子、葉片、主軸）與靜止部分（如汽缸、噴嘴和隔板、汽封）之間的與靜止部分（如汽缸、噴嘴和隔板、汽封）之間的間隙很小間隙很小。 在機組在機組啟動、運行和停止過程中啟動、運行和停止過程中，動、靜部分相對膨脹、，動、靜部分相

2、對膨脹、收縮量較大。如果發(fā)生動靜部分摩擦、碰擊，就有可能產生收縮量較大。如果發(fā)生動靜部分摩擦、碰擊，就有可能產生汽輪機的軸封磨損、葉片斷裂，甚至整機損壞的事故。汽輪機的軸封磨損、葉片斷裂，甚至整機損壞的事故。 為了保證機組的安全運行，為了保證機組的安全運行，汽輪機上應裝設轉速、軸向汽輪機上應裝設轉速、軸向位移、熱膨脹、振動及大軸彎曲等機械參數的測量儀表和裝位移、熱膨脹、振動及大軸彎曲等機械參數的測量儀表和裝置。置。這些儀表通?？煞Q為汽輪機保護儀表或機械參數測量儀這些儀表通?？煞Q為汽輪機保護儀表或機械參數測量儀表。表。 位移測量位移測量 測量位移的傳感器種類很多，工作原理各不相同。測量位移的傳感

3、器種類很多，工作原理各不相同。目前火電廠中測量位移常使用的傳感器有目前火電廠中測量位移常使用的傳感器有電渦流式傳電渦流式傳感器和差動變壓器式傳感器感器和差動變壓器式傳感器。 一、電渦流式傳感器一、電渦流式傳感器 電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。下面主要介紹應用廣泛的高頻反射式電渦流傳兩類。下面主要介紹應用廣泛的高頻反射式電渦流傳感器。感器。 1. 1.組成組成 電渦流傳感器由探頭、延伸電纜、前置器三部分組成，電渦流傳感器由探頭、延伸電纜、前置器三部分組成，探頭的外形如圖所示。它的外形與普通螺栓十分相似，探頭的外形如圖所示。它的外形與普通

4、螺栓十分相似，頭部有扁平的感應線圈，把它固定在不銹鋼螺栓一端，頭部有扁平的感應線圈，把它固定在不銹鋼螺栓一端，感應線圈的引線從螺栓的另一端與高頻電纜相連。感應線圈的引線從螺栓的另一端與高頻電纜相連。 (a) 外形外形 (b) 結構示意結構示意1-頭部線圈；頭部線圈；2-固定螺帽；固定螺帽；3-高頻電纜高頻電纜電渦流傳感器電渦流傳感器2、 工作原理工作原理電渦流式傳感器是在渦流效應的基礎上建立起來的。電渦流式傳感器是在渦流效應的基礎上建立起來的。 0)()(222112111ILjRIMjUIMjILjR根據基爾霍夫定律，由圖可列根據基爾霍夫定律，由圖可列出下列方程式出下列方程式對上述方程聯(lián)立求

5、解，可得對上述方程聯(lián)立求解，可得 1221111)(ILjRMjMjILjRU1222222221222222221ILRMLLjLRMRR12121ILLjRR1I Z調幅式測量原理示意調幅式測量原理示意 諧振曲線波形圖諧振曲線波形圖 我國大型汽輪機上使用的 公司的系列和美國 公司的7200系列汽輪機監(jiān)視保護裝置中，都采用了電渦流傳感器。 對于系列的高頻渦流位移傳感器，當線性測量范圍為 時，靈敏度為 , 測量范圍為 時，靈敏度為 ； 測量范圍為 時，靈敏度為 。 0.5mm16/V mm1.0mm8 /V mm2.0mm4 /V mmPhilips700RMSBently渦流傳感器的渦流傳感

6、器的特性曲線特性曲線 二、二、電感式位移測量裝置電感式位移測量裝置 電感式傳感器種類很多，根據轉換原理不同，可分電感式傳感器種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據結構型式不同，可分為氣為自感式和互感式兩種；根據結構型式不同，可分為氣隙型和螺管型兩種。隙型和螺管型兩種。 下圖所示的位移測量下圖所示的位移測量裝置采用了變氣隙互感式原理，裝置采用了變氣隙互感式原理，從結構上可看成由電感式位移傳感器和位移指示儀表組從結構上可看成由電感式位移傳感器和位移指示儀表組成。成。 位移傳感器結構示意位移傳感器結構示意1被測物體的凸緣；被測物體的凸緣；2電感位移發(fā)信器；電感位移發(fā)信器；3調整裝

7、置；調整裝置；4顯示儀表；顯示儀表；5磁飽磁飽和穩(wěn)壓器和穩(wěn)壓器 線性變化差動變壓器線性變化差動變壓器 也采用了螺管型互感式原理，也采用了螺管型互感式原理，是美國是美國 72007200系列中線性位移傳感器，可用于測量汽系列中線性位移傳感器，可用于測量汽輪機的熱膨脹、相對熱膨脹和軸向位移，也可用于汽閥輪機的熱膨脹、相對熱膨脹和軸向位移，也可用于汽閥調節(jié)的行程機構中。調節(jié)的行程機構中。 線性差動變壓器線性差動變壓器 線性差動變壓器的輸出線性差動變壓器的輸出 ()LVDTBently 由此可見，線性變化差動變壓器的輸出電動勢之差正比于被位由此可見，線性變化差動變壓器的輸出電動勢之差正比于被位移量移量

8、 。其比例常數取決于原繞組端電壓、電感、耦合系。其比例常數取決于原繞組端電壓、電感、耦合系數、繞組匝數、氣隙導磁率、磁通面積及繞組尺寸等。公式中數、繞組匝數、氣隙導磁率、磁通面積及繞組尺寸等。公式中負號表示感應電動勢方向與原電壓方向相反。負號表示感應電動勢方向與原電壓方向相反。 三、位移測量應用舉例三、位移測量應用舉例 1. 1. 汽輪機軸向位移的測量汽輪機軸向位移的測量 為了監(jiān)視汽輪機推力軸承的工作狀況，一般在推力瓦上裝為了監(jiān)視汽輪機推力軸承的工作狀況，一般在推力瓦上裝有溫度測點（回油溫度計），再有，在轉子凸緣處裝上有溫度測點（回油溫度計），再有，在轉子凸緣處裝上 型型鐵芯或高頻渦流位移檢測

9、裝置，以測取運行中的實際軸向位移鐵芯或高頻渦流位移檢測裝置，以測取運行中的實際軸向位移量。量。 汽輪發(fā)電機正常運行時，軸向位移量為汽輪發(fā)電機正常運行時，軸向位移量為0.3810.3812.159mm2.159mm；超過以上范圍，且在；超過以上范圍，且在0.2540.2542.268 mm2.268 mm范圍之內，則范圍之內，則必須減負荷運行；最后若超出必須減負荷運行；最后若超出0.2540.2542.268 mm2.268 mm范圍，則應停范圍，則應停機跳閘保護。機跳閘保護。 xKxxlSWWkLUE2000002x300MW2.機組熱膨脹的測量 測量缸脹或差脹的傳感器可以用 型鐵芯傳感器、高

10、頻渦流傳感器或線性變化差動變壓器。 機組高、中、低壓缸缸（差）脹示意機組高、中、低壓缸缸（差）脹示意1-1-推力軸承推力軸承- -轉子死點；轉子死點；2 2差脹裝置；差脹裝置；3 3內汽缸死點；內汽缸死點；4 4外汽外汽缸死點；缸死點；5 5支持軸承；支持軸承；6 6缸脹裝置；缸脹裝置；HP HP 高壓汽缸；高壓汽缸；IPIP中中壓汽缸；壓汽缸； LP-1LP-1、2 2低壓汽缸低壓汽缸1 1和低壓汽缸和低壓汽缸2 2 振動測量振動測量 振動是經常發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。機械振動在很振動是經常發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。機械振動在很多情況下總是有害的，它使機器的零部件加快失效，多情況下總是有害的，它使機器

11、的零部件加快失效，破壞機器的正常工作，降低設備的使用壽命，甚至導破壞機器的正常工作，降低設備的使用壽命，甚至導致機器部件損壞而產生事故。致機器部件損壞而產生事故。 在火電廠中，汽輪機由于轉軸失穩(wěn)、轉子動平衡欠在火電廠中，汽輪機由于轉軸失穩(wěn)、轉子動平衡欠佳及轉系中心不準，在運行中會產生不同程度的振動。佳及轉系中心不準，在運行中會產生不同程度的振動。振動過大，會加速軸封的磨損，轉動部件的疲勞強度振動過大，會加速軸封的磨損，轉動部件的疲勞強度下降，調速系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引起重大事故。因此，下降，調速系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引起重大事故。因此，在汽輪機啟停和運行中，對軸承和大軸的振動必須嚴在汽輪機啟停和運行中，

12、對軸承和大軸的振動必須嚴格進行監(jiān)視。格進行監(jiān)視。 磁電式傳感器磁電式傳感器 基本原理：利用電磁感應原理，將輸入（運動速度）轉換成線圈中感應電動勢輸出二、機組振動監(jiān)測系統(tǒng)二、機組振動監(jiān)測系統(tǒng) 振動監(jiān)測系統(tǒng)通常具有下列測振內容：振動監(jiān)測系統(tǒng)通常具有下列測振內容： （1）采用復合式振動傳感器測取主軸的絕對振動量。）采用復合式振動傳感器測取主軸的絕對振動量。 國家或公司正常值（m）報警值（m）緊急停機值（m）ISO軸相對振動80165250ISO軸絕對振動100200300國產300MW機組506090110130160美國西屋公司125254美國GE公司100127178日本三菱公司50125200

13、日本日立公司76125152 軸振動評價標準參考表軸振動評價標準參考表 （2 2）由振動量及轉速工況確定安全、報警、停機的區(qū)域，）由振動量及轉速工況確定安全、報警、停機的區(qū)域，以指導機組的實時工況操作。采用振動位移和振動速以指導機組的實時工況操作。采用振動位移和振動速度兩種信號綜合，可以及時防止機組動、靜部分的摩度兩種信號綜合，可以及時防止機組動、靜部分的摩擦。擦。（3 3）采用矢量監(jiān)視器測知轉速與振動幅值及相角以指導）采用矢量監(jiān)視器測知轉速與振動幅值及相角以指導機組啟動或停止過程中的軸故障（如裂紋）或動平衡機組啟動或停止過程中的軸故障（如裂紋）或動平衡程度的征兆出現(xiàn)與否。程度的征兆出現(xiàn)與否。

14、（4 4）采用頻譜儀對振動信號進行頻譜分析，對振動頻率、）采用頻譜儀對振動信號進行頻譜分析，對振動頻率、相位、振幅等參數作實時記錄，通過對啟停過程的分相位、振幅等參數作實時記錄，通過對啟停過程的分析，了解機組存在某種隱患缺陷。析，了解機組存在某種隱患缺陷。 轉速測量轉速測量 轉速是熱力機械的一個重要參數?；痣姍C組要維轉速是熱力機械的一個重要參數。火電機組要維持電網的周波不變，就必須及時調節(jié)汽輪機的轉速，持電網的周波不變，就必須及時調節(jié)汽輪機的轉速，使其維持在使其維持在30003000轉轉/ /分。汽輪機高速旋轉時，各轉動部分。汽輪機高速旋轉時，各轉動部件會產生很大的離心力，這個離心力直接與材料

15、承受件會產生很大的離心力，這個離心力直接與材料承受的應力有關，而離心力與轉速的平方成正比。在設計的應力有關，而離心力與轉速的平方成正比。在設計時，轉動部件的強度裕量是有限的。運行時若轉速超時，轉動部件的強度裕量是有限的。運行時若轉速超過額定值，就會發(fā)生嚴重損壞設備事故，甚至會造成過額定值，就會發(fā)生嚴重損壞設備事故，甚至會造成飛車事故。特別在啟動升速過程中，還會遇到臨界轉飛車事故。特別在啟動升速過程中，還會遇到臨界轉速的影響，使機組產生較大的振動，甚至發(fā)生共振而速的影響，使機組產生較大的振動，甚至發(fā)生共振而大大超過設計強度，故在啟大大超過設計強度，故在啟/ /停過程中也要求準確地測停過程中也要求

16、準確地測量轉速，盡快越過各個臨界值轉速。量轉速，盡快越過各個臨界值轉速。 一、轉速傳感器一、轉速傳感器測量轉速常用的有磁阻式、磁敏式和渦流式轉速傳感器測量轉速常用的有磁阻式、磁敏式和渦流式轉速傳感器 。1.1.磁阻式轉速傳感器磁阻式轉速傳感器（a）開磁路磁阻式轉速傳感器）開磁路磁阻式轉速傳感器 （b）閉磁路磁阻式轉速傳感器）閉磁路磁阻式轉速傳感器磁阻式轉速傳感器磁阻式轉速傳感器1，9-永久磁鐵；永久磁鐵；2-軟鐵；軟鐵；3-感應線圈；感應線圈；4-齒輪；齒輪；5-轉軸；轉軸；6-內齒輪；內齒輪；7a，7b-外外齒輪；齒輪；8-線圈線圈 磁阻式轉速傳感器采用轉速磁阻式轉速傳感器采用轉速脈沖變換電

17、路，如脈沖變換電路，如圖所示。傳感器感應電壓由二極管圖所示。傳感器感應電壓由二極管V V削去負半周，送到削去負半周，送到V1V1進行放大，再由射極跟隨器進行放大，再由射極跟隨器V2V2送入送入V3V3和和V4V4組成的射組成的射極耦合觸發(fā)器進行整形，得到方波輸出信號。極耦合觸發(fā)器進行整形，得到方波輸出信號。 磁阻式轉速磁阻式轉速脈沖轉換電路脈沖轉換電路 3. 3. 渦流式轉速傳感器渦流式轉速傳感器 采用電渦流傳感器測速時，在旋轉軸上開一條或采用電渦流傳感器測速時，在旋轉軸上開一條或數條槽，或者在軸上安裝一塊有輪齒的圓盤或圓板，數條槽，或者在軸上安裝一塊有輪齒的圓盤或圓板，在有槽的軸或有輪齒的圓

18、板附近裝一只電渦流傳感器。在有槽的軸或有輪齒的圓板附近裝一只電渦流傳感器。 當軸旋轉時，由于槽或齒的存在，電渦流傳感器當軸旋轉時，由于槽或齒的存在，電渦流傳感器將周期性地改變輸出信號電壓，此電壓經過放大、整將周期性地改變輸出信號電壓，此電壓經過放大、整形變成脈沖信號，然后輸入頻率計指示出脈沖數，或形變成脈沖信號，然后輸入頻率計指示出脈沖數，或者輸入專門的脈沖計數電路指示頻率值。此脈沖數者輸入專門的脈沖計數電路指示頻率值。此脈沖數（或頻率值）與轉速相對應。（或頻率值）與轉速相對應。 如有如有6060個槽或齒，若頻率計指示個槽或齒，若頻率計指示3000Hz3000Hz，則轉速，則轉速為為3000r/min3000r/min，這時每分鐘的轉數就可直接讀出。，這時每分鐘的轉數就可直接讀出。二、轉速監(jiān)測器二、轉速監(jiān)測器 上述三種傳感器都是把轉速轉換成與轉速成比例上述三種傳感器都是把轉速轉換成與轉速成比例的脈沖信號。要讀出轉速，還必須計算這些脈沖數。的脈沖信號。要讀出轉速，還必須計算這些脈沖數。根據計算方法分為測頻率法和測周期法，相應的監(jiān)測根據計算方法分為測頻率法和測周期法，相應的監(jiān)測儀器為數字轉速監(jiān)測器和零轉速監(jiān)測器。儀器為數字轉速監(jiān)測器和零轉速監(jiān)測器。 1. 1. 數字轉速監(jiān)測器數字轉速監(jiān)測器