专利名称：特定条件下基于移相椭圆技术的单面轴系现场动平衡方法
特定条件下基于移相椭圆技术的单面轴系现场动平衡方法所属领域本发明涉及旋转机械振动诊断与控制领域，尤其是涉及一种在特定条件下的基于移相椭圆技术的单面轴系现场动平衡方法。
背景技术：
目前大型汽轮发电机组转子在出厂前均经过了高速动平衡试验，而且振动标准均较现场运行标准高，以确保转子具有优良的出厂平衡状态。从近几年监测的600MW、1000MW 发电机组调试启动振动数据来看，虽然转子出厂的平衡精度较高，但仍存在部分机组在现场装配后，机组振动超标，必须在现场进行平衡处理。同时，机组运行一段时间后，轴系的平衡状态也将发生改变，考虑到返厂的费用和安全，也需要在现场进行动平衡。现场动平衡受到较多的条件制约，例如机组启动后发现振动超标，但由于汽缸温度较高，部分配重面无法迅速添加平衡配重，必须要等到汽缸温度降至安全范围内，才能停盘车加重，因此增加了处理故障的时间，此外，部分加重面在汽缸内，且空间狭小，即使缸温允许停盘车处理，但也无法在该加重面进行现场配重；再如，发电机的动平衡具有特殊性， 制造厂为了方便现场动平衡试验，在联轴器及风扇附近设计有专门用于现场平衡的孔和槽。如果是空冷机组，技术人员可以很方便将发电机端盖打开，将平衡块加到风扇平衡槽 (平衡孔)内，如果不考虑机组停机后的冷却时间，仅仅考虑加平衡块的时间，从停盘车开始计时到下次启动，空冷机组一次动平衡试验的时间可以控制在6小时内，这包括了加平衡后再次启动前盘车4小时(根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中“10 防止汽轮机大轴弯曲、轴瓦烧损事故”的10. 1. 3. 1款)；但是对于氢冷机组，如果要在跨内风扇槽内实施动平衡操作，必须首先需要排氢，用C02置换H2，打开发电机端盖添加平衡块后，在充氢前还要再次进行发电机风压试验(一次风压试验就需要一天时间)，风压试验合格后用C02置换空气，最后才到充氢阶段，因此氢冷机组在发电机跨内加重至少需要3天时间。为了节省跨内动平衡试验，电厂一般要求在机组检修中将平衡块加上，利用停机数据计算试重大小及方位，但由于检修中可能会重新调整轴系中心或翻瓦检查，影响机组轴系的平衡状态，停机前的振动数据参考意义降低，同时平衡后再次开机如果振动仍未达标，需要调整平衡块时，为诊断人员计算平衡调整量增加了难度，影响平衡精度。对于氢冷发电机转子平衡，如果能在跨外加重，不进行氢置换，将节省大量的平衡处理时间，同时每次打开端盖，其密封圈必须要重新更换，消耗材料的费用也较大。在轴系中任何一个转子上加重，对整个轴系都会产生影响，特别是相邻转子，因此存在一种可能，只在一个现场较为方便的平衡面上添加试重，就可以同时实现两相邻转子的平衡。虽然单面轴系平衡只能在特定的条件下应用，但如果平衡条件一旦满足要求将大大提高平衡效率。发明目的本发明的目的，就是提供一种特定条件下的基于移相椭圆技术的单面轴系现场动平衡方法，可大大提高平衡效率，节省多次平衡试车所带来的人力和物力消耗。
实现上述目的，本发明的特定条件下的基于移相椭圆技术的单面轴系现场动平衡方法步骤依次如下步骤一、采集轴系各轴承处测振截面两个相互垂直测点工作转速下的原始振动信号，通过信号处理获取各频率分量的幅值和相位；步骤二、做出各轴承处工作转速下原始振动工频椭圆；步骤三、定出各原始振动工频椭圆初相点；步骤四、做出各原始振动工频椭圆中心到初相点的向径，即为初相矢；步骤五、建立各轴承测振截面处的工频二维全息谱图；步骤六、根据多传感器信息融合技术，生成三维全息谱；步骤七、画出各轴承测振截面处的移相椭圆；步骤八、根据平衡的历史数据和经验，获取在各加重面的纯试重振动响应，用迁移矩阵表示，生成纯试重振动响应的三维全息谱；步骤九、计算在某个方便的平衡面配重以平衡某号轴承超标振动根据原始振动工频椭圆的初相点与平衡配重椭圆的初相点间应呈镜面对称关系，将平衡配重的初相点旋转到原始振动工频椭圆的初相点的对面，计算平衡某号轴承振动所需的配重；步骤十、画出某号轴承添加所得平衡配重对其它各轴承处振动的工频响应，考察其它振动超标轴承处的纯配重振动响应的初相点是否落在移相椭圆的阴影面积之内；步骤^^一、如果不满足步骤十的要求，按F = Mean (r》* {Max (r》-Min比)}，优化步骤九获得的配重大小和方位，采用遗传算法优化得出最后应加的平衡配重的重量和角度，返回步骤十；若测试振动均满足安全要求，结束。上述方法的采用需要满足以下条件A、轴系中只有一个或两个相邻转子存在明显的不平衡；B、在原始振动超标的轴承处，纯配重振动响应的初相点应落在移相椭圆的阴影面积之内。有关知识简介如下1. 1移相椭圆为了引出单面轴系平衡的适用条件，我们需要首先介绍全息动平衡中移相椭圆的概念。移相椭圆可以预测最终的平衡效果，因此可以用它来指导平衡操作。设原始振动工频椭圆中心到初相点的向径(初相矢)为Org，加配重后初相矢为 Res，则向量Tw表示了配重使初相点产生的移位，即纯配重产生的初相矢。若加重后的初相点IPP’仍然在原始工频椭圆上，则配重仅仅起到使初相点在原始工频椭圆上移位的作用， 并没有改变原始工频椭圆的形状与大小。把这样一类由配重产生的初相点R连接起来，形成了一个与原始工频椭圆大小、形状相同，但中心移位的配重椭圆，我们称之为移相椭圆， 如说明书附图的图1中虚线所示。从图中可以看出，移相椭圆就是将原始工频椭圆的中心移到初相点的镜面对称位置0’后重新得到的椭圆。如说明书附图的图2中所示，当配重的初相点(图中点S)在移相椭圆内时，振动将减小；当配重初相点(图中点Q)落在移相椭圆和原始工频椭圆相交的阴影面积内时，可以用最小的平衡配重达到理想的平衡效果，平衡的安全性更高；当配重椭圆的初相点(图中点P)在移相椭圆以外时，振动将加大；当配重椭圆的初相点在0'与初相点IPP成镜面对称时，振动将减小为零；而当试重椭圆的初相点(图中点R)位于移相椭圆之上时，试重将不会改变原始椭圆的大小。移相椭圆是界定所加试重对平衡影响大小的边界，所以在平衡时，应以移相椭圆的中心作为试重椭圆初相点的努力目标。移相椭圆可以用于指导平衡操作，提高平衡过程中的预见性、安全性和科学性。1. 2单面轴系平衡的条件及方法单面轴系平衡的实施需要满足特定的条件，为了便于方法的应用，首先我们需要给出判断准则。当平衡条件满足该准则时，我们可以应用单面平衡法来提高平衡效率。实践证明，当平衡满足下面论述的两个条件时，单面平衡法也可以获得较好的平衡效果。根据系统论的近似可分性原理，转子各测量面的不平衡响应可用最相关平衡面的加重分别加以平衡。因此，采用单面平衡法，一个首要条件是轴系中只有一个或两个相邻转子存在明显的不平衡。判断的方法为通过判断工频分量为主要成份，同时振动超过国标“旋转机械转轴径向振动的测量和评定第2部分陆地安装的大型汽轮发电机组GB/T 11348. 2-2007”中区域B的边界，通常现场采用120微米报警，超过报警值建议处理。第二个条件在原始振动超标的轴承处，纯配重振动响应的初相点应落在移相椭圆的阴影面积之内。有益效果本发明的单面轴系现场动平衡方法，经多次在现场应用，获得了满意的平衡效果，平衡效率大大提高，可节省了多次平衡试车所带来的人力和物力消耗。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。图1是工频椭圆与移相椭圆关系示意图；图2是用移相椭圆指导平衡操作的示意图；图3是实施例一某汽轮发电机组高、中压缸加重面示意图；图4 (a)是实施例一的原始振动三维全息谱；图4 (b)是实施例一的A面迁移矩阵(添加单位试重IOOOg Z 0°的纯试重振动响
应)三维全息谱；
图5 (a)是实施例一添加平衡配重1082g Z 206. 85°使1瓦处试重振动(粗实线) 与原始振动(细实线)三维全息谱(初相点镜面对称)；图5 (b)是实施例一移相椭圆三维全息谱；图6 (a)是实施例一添加纯配重802g Z 217° 1瓦处移相椭圆三维全息谱；图6 (b)是实施例一的添加优化配重802g Z 217°后的实测平衡效果示意图；图7是实施例二的某汽轮发电机组中、低压缸加重面示意图；图8是实施例二的原始振动(细实线)及添加试重Tl后的结果(粗实线)示意图；图9 (a)是实施例二的低压缸I末级叶轮根部加重面的迁移矩阵三维全息谱；图9 (b)是实施例二的模拟添加配重T2的纯配重振动响应(粗实线)与原始振动 (细实线)的比较示意图10是实施例二的纯配重2040g Z 38°移相椭圆(细实线)三维全息谱；图11 (a)是实施例二实际添加优化配重1386g Z 18°后测量的残余振动(粗实线)示意图；图11 (b)是实施例二与原始振动(细实线)的比较(b)验证纯配重初相点是否落在移相椭圆(细实线)示意图。
具体实施例方式实施例一本发明的实施例一，以一台具体的汽轮发电机组高、中压转子的平衡为例，如图所示，两个转子采用刚性连接，采用四支承方式，在每个轴承截面安装有两个电涡流传感器， 联轴器的凸缘可作为平衡配重面。在一次大修后，1号轴承(轴承)处振动超标，其振动响应的三维全息谱如图4(a)所示，采用现场动平衡降低1号轴承的振动，同时要求所添加配重不会放大各相邻轴承的振动，最低条件也需要保证其它各轴承振动在标准范围之内。当遇到上述情况时，最常用的办法是在离1号轴承最近的加重面(前箱内A面) 添加配重来降低该轴承处振动。根据平衡的历史数据和经验，在已知汽轮机前箱内加重对1 号轴承处振动的影响时(用迁移矩阵表示，迁移矩阵的三维全息谱如图4(b)所示三维全息谱上带有初相点)，根据原始振动椭圆的初相点与配重椭圆的初相点间应呈镜面对称关系， 将平衡配重的初相点旋转到原始振动初相点的对面，计算平衡1号轴承振动所需的配重P =1082g Z 206. 85° (将平衡配重的初相点旋转到原始振动初相点的对面即可得出)。模拟纯配重产生三维全息谱如图5(a)中细实线所示，从图中可以看出原始振动初相点，和纯配重产生的振动响应初相点在1号轴承处完全对称。参见
，图3至图6(b)为实施例一所用到的附图，具体实施步骤依次如下步骤一、参见图3，采集各轴承处测振截面工作转速下两个相互垂直测点的原始振动信号(轴系的测振截面就在各轴承附近，就是通常所说的各轴承处的轴振)目前，大型汽轮发电机组在每个轴承处均装有两个相互垂直的轴振动传感器(位移传感器)，采集故障机组各转速下各测点原始振动信号后，通过信号处理获取机组振动信号的各频率分量的幅值和相位，当工频分量为主要成份时可以判断机组存在不平衡故障，需要通过现场动平衡进行处理；步骤二、画出各轴承处工作转速下原始振动工频椭圆提取某轴承处互相垂直布置的两个位移传感器信号的工频幅值和相位，将两个方向的工频分量进行合成，其形成的轴心轨迹为一椭圆，称之为工频椭圆，或工频二维全息谱图；步骤三、定出原始振动工频椭圆初相点当转子上的键相槽正好对着键相传感器时，转子在工频椭圆上的位置即为初相点；步骤五、做出原始振动工频椭圆中心到初相点的向径，即为初相矢；步骤六、按上述步骤建立各轴承测振截面的工频二维全息谱图；根据多传感器信息融合技术，然后将各截面工频椭圆根据空间相对位置排列，并按时间顺序连接工频椭圆上相应的点，即生成三维全息谱；参见图4(a)；步骤七、画出各测量面的移相椭圆移相椭圆就是将原始工频椭圆的中心移到初相点的镜面对称位置0’后重新得到的椭圆；步骤八、根据平衡的历史数据和经验，获取加重面的纯试重振动响应，用迁移矩阵表示，生成纯试重振动响应的三维全息谱；参见图4(b)；步骤九、计算在某个方便的平衡面配重以平衡某号轴承超标振动根据原始振动椭圆的初相点与配重椭圆的初相点间应呈镜面对称关系，将平衡配重的初相点旋转到原始振动初相点的对面，计算平衡某号轴承振动所需的配重(大小及方位)P = 1082gZ206.85° (是现有技术的矢量计算，平衡的基本方法)，通过该配重，理论上可以将该轴承处的振动将为零；步骤十、画出添加该配重对其它各轴承处振动的工频响应，考察其它振动超标轴承处的纯配重振动响应的初相点应落在移相椭圆的阴影面积之内。此为本发明能够进一步实施的第二个条件，即在原始振动超标的轴承处，纯配重振动响应的初相点应落在移相椭圆的阴影面积之内。为了确保该平衡配重不会恶化其它各轴承处的平衡状态，考察配重在 2、3、4轴承处初相点满足单面平衡的第二个条件，作出移相椭圆，如图5(b)中细线所示，发现原始振动较大的2号轴承处配重初相点落在移相椭圆的阴影面积之外；步骤i^一、如果不满足步骤十的要求，按F = Mean (ri)*{MaX (A)-Min比)}，优化步骤九获得的配重大小和方位，采用遗传算法优化得出最后应加的平衡配重的重量和角度，返回步骤十；若满足第二个条件，结束。事实上，在平衡过程中，无需将1号轴承处振动降低为零，为此可以采用优化算法在P = 1082g Z 206. 85°的附近搜索一个更为合理的配重，以获得整个轴系更为均勻的平衡效果。优化的目标函数可以设为F = Mean Cri) * {Max Cri) -Min Cri)}式中，用初相点向径长A表示各轴承处的振动幅值，Mean^i)为各个轴承处振动的均值，Max(ri)为各轴承处最大振动，Min(ri)为各轴承处最小振动。由于采用单面平衡，优化的参数只有两个，即配重的大小和方位，而且优化的初始值已经给定P= 1082gZ206.85°，因而很多优化算法，如遗传算法，都能获得很好的效果。在本例中，我们在现场采用计算机模拟微调获得了一个较优的配重方案P'= 802gZ217°兼顾了各测量面的振动响应。模拟平衡配重P' = 802gZ217°产生的振动响应，用三维全息谱表示，并作出原始振动的移相椭圆图6(a)，可以看出平衡配重响应在各轴承处初相点基本落在阴影面积内，满足单面轴系平衡的第二个条件。由此可以预测，在前箱内添加合适配重后，完全可以实现高、中压缸各轴承振动的同时降低。在前箱内添加配重P' = 802gZ217°后的平衡结果，如图6 (b)所示，1、2、4号轴承处的振动降幅较大。3号轴承处振动基本维持原状，对照图6(a)分析发现，这是由于3 号轴承处配重响应初相点落在移相椭圆上所致。如图6(b)所示平衡后所有轴承处振动均在标准范围内，平衡效果较好。上述方法的采用需要满足以下条件A、轴系中只有一个或两个相邻转子存在明显的不平衡；通过判断工频分量为主要成份，同时振动超过国标“旋转机械转轴径向振动的测量和评定第2部分陆地安装的大型汽轮发电机组GB/T 11348. 2-2007”中区域B的边界即可认为满足条件A，通常现场采用120 微米报警，超过报警值建改处理；
B、在原始振动超标的轴承处，纯配重振动响应的初相点应落在移相椭圆的阴影面积之内。实施例二参见图7至图11(b)，本发明的具体实施例二，某330MW四缸四排汽轮发电机组在一次大修中，更换了低压缸I的断裂叶片。叶片更换后发现中压缸、低压缸I的4、5、6号轴承(如图7所示)处振动超标。经故障分析后，认为振动超标的主要原因是更换叶片导致转子不平衡造成，决定对中、低压转子进行动平衡。步骤依次如下步骤一、采集各轴承处工作转速下两个相互垂直测点的原始振动信号，通过信号处理获取各频率分量的幅值和相位，平衡前汽轮机8个轴承处振动数据见下表；平衡前空载下机组振动数据
权利要求
1. 一种特定条件下的基于移相椭圆技术的单面轴系现场动平衡方法，步骤依次如下 步骤一、采集轴系各轴承处测振截面两个相互垂直测点工作转速下的原始振动信号， 通过信号处理获取各频率分量的幅值和相位；步骤二、做出各轴承处工作转速下原始振动工频椭圆； 步骤三、定出各原始振动工频椭圆初相点；步骤四、做出各原始振动工频椭圆中心到初相点的向径，即为初相矢； 步骤五、建立各轴承测振截面处的工频二维全息谱图； 步骤六、根据多传感器信息融合技术，生成三维全息谱； 步骤七、画出各轴承测振截面处的移相椭圆；步骤八、根据平衡的历史数据和经验，获取在各加重面的纯试重振动响应，用迁移矩阵表示，生成纯试重振动响应的三维全息谱；步骤九、计算在某个方便的平衡面配重以平衡某号轴承超标振动根据原始振动工频椭圆的初相点与平衡配重椭圆的初相点间应呈镜面对称关系，将平衡配重的初相点旋转到原始振动工频椭圆的初相点的对面，计算平衡某号轴承振动所需的配重；步骤十、画出某号轴承添加所得平衡配重对其它各轴承处振动的工频响应，考察其它振动超标轴承处的纯配重振动响应的初相点是否落在移相椭圆的阴影面积之内；步骤i^一、如果不满足步骤十的要求，按F = Mean (A) * {Max (r》-Min比)}，优化步骤九获得的配重大小和方位，采用遗传算法优化得出最后应加的平衡配重的重量和角度，返回步骤十，若测试振动均满足要求，结束； 上述方法的采用需要满足以下条件A、轴系中只有一个或两个相邻转子存在明显的不平衡；B、在原始振动超标的轴承处，纯配重振动响应的初相点应落在移相椭圆的阴影面积之
全文摘要
本发明公开了一种在特定条件下的基于移相椭圆技术的单面轴系现场动平衡方法。本发明结合现场平衡实例，提出了基于移相椭圆的判断准则，该方法首先要满足轴系中只有一个或两个相邻转子存在明显的不平衡；其次，在原始振动超标的轴承处，纯配重振动响应的初相点应落在移相椭圆的阴影面积之内的条件。当轴系的振动响应满足该评判准则时，可以通过单面配重实现轴系整体平衡，从而提高了平衡效率。
文档编号G01M1/32GK102183339SQ201110047599
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者刘石, 廖与禾, 张征平, 沈玉娣 申请人:广东电网公司电力科学研究院