1、中华人民共和国国家标准水力机械振动和脉动现场测试规程发布实施国家技术监督局发布目次前言第一篇概论适用范围和目的引用标准术语定义符号和单位关于保证值第二篇试验的实施试验计划试验程序第三篇测量方法及数据采集处理方法测量方法率定信号记录数据处理与分析测量不确定度试验报告附录标准的附录用应变花进行动应力测量时的主应力计算公式及信号处理附录标准的附录用应变片技术测量轴扭矩和连杆轴向载荷时的计算公式附录提示的附录试验报告举例附录提示的附录传感器装在长连接管上时压力脉动测量结果的偏差前言水力机械的振动发生于运行中的各类水电站和抽水蓄能电站振动的大小取决于许多因素其中最重要的包括不同工况下流道内的流态机组结构
2、以及制造安装维修的质量极限情况下水力机械的振动可导致裂纹的产生引起疲劳破坏以及其他故障水力机械的强烈振动不仅会缩短它们的使用寿命而且还会影响调速器控制系统和电气仪表的正常运行对运行人员的健康以及厂房结构等产生不良影响水力机械的振动状态通常根据机组结构的某些关键点上的振动测量结果来评价标准试验方法得出的结果能够充分表明机组的一般振动情况如果在标准试验中发现某些重要部件上有较强的局部振动共振应另外采用具有针对性的试验方法对有关部件作更加深入的专门试验研究水轮机流道中的流态对机组振动有着重要的影响为了准确地分析机组振动除测量一些有代表性部位的振动见和外尚需测量有关部位的压力脉动及其他一些重要的脉动参
3、数见在每个具体机组上试验的种类实际测点位置和数量等取决于机组的结构型式设备的具体条件以及重要性不要求每种情况下都进行本规程所列的全部项目的测量本规程非等效采用国际电工委员会水力机械水轮机蓄能泵和可逆式水泵水轮机振动和脉动现场测量导则并根据我国的具体情况编写本规程与相比主要有以下不同根据国标的规定增加了引用标准一章为适应我国的情况本规程对第章的内容和编排作了大幅度的调整对其他各章的内容和条款也有所改动本规程的适用范围比有所扩大部分技术条款的条件或范围也有所放宽就规程的本质内容而言本规程和是一致的在涉外的试验中如有关各方同意也可直接采用本标准的附录和附录是标准的附录本标准的附录和附录是提示的附录本
4、标准由全国水轮机标准化技术委员会提出并归口本标准起草单位中国水利水电科学研究院哈尔滨大电机研究所本标准主要起草人李启章曹春林付联桂李志民阮华福中华人民共和国国家标准水力机械振动和脉动现场测试规程第一篇概论适用范围和目的适用范围本规程适用于一切反击式冲击式水轮机可逆式水泵水轮机蓄能泵也适用于与它们连接的发电机或电动机的机械部分本规程可用于振动脉动的标准试验试验目的如下从振动的角度评价水力机械的设计制造和安装质量振动评价标准的制定和施用也依赖于振动脉动试验的标准化提出有利于机组运行的建议为故障诊断及改善机组振动脉动水平提供依据评价机组在使用寿命期限内振动特性的变化及正常运行工况下的振动水平非标准试
5、验也应参照本规程提出的原则进行每次试验的试验项目和测量项目应参照本规程由有关方面协商确定规程中列出的试验项目和测量项目并非每次试验时都是必须的目的确定统一的振动脉动试验方法测量方法及试验数据的处理方法使测量结果在同类的不同型号水力机械上具有一致性和可比性不包括的内容本规程不包括为研究目的所作的专门振动和脉动试验本规程一般不包括实验室模型和制造厂未组装的真机零部件的振动和脉动试验但当检验原型和模型机组的某个相似特性参数时例如尾水管涡带压力脉动则原型和模型的测试方法应当一致并符合本规程本规程不包括土木结构的振动测量问题一般也不包括电机轴轴承等机械部分除外的电气参数脉动的测量问题在水电站中水轮机调速
6、系统可能引起水力机械或电气参量的脉动但本规程不包括对调速器系统进行人为扰动试验的有关规定引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文本标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性第三版国家技术监督局批准实施术语定义符号和单位单位本规程采用国家法定计量单位国家法定计量单位以国际单位制为基础术语本规程所用水轮机水泵水轮机和蓄能泵的术语定义和符号与和有关规定相一致有关振动脉动和数学的术语定义和符号与和相一致本规程专用术语一览表本规程使用的术语定义符号和单位如下本节中没有定义的术语在规程中说明条术语定义符号单位说明振动和脉动时域函
7、数的术语振动位移振动质点偏离参考平均位置的距离振动速度振动质点运动的速度等于位移对时间的一阶导数振动加速度振动质点运动的加速度等于速度对时间的一阶导数或位移对时间的二阶导数绝对振动量位移速度加速度振动的参考坐标为惯性坐标或大地基础相对振动量位移速度加速度振动的参考坐标为非惯性坐标或另一振动体压力脉动在选定时间间隔内液体压力相对于平均值的往复变化应变脉动在选定时间间隔内应变相对于平均值的往复变化应力脉动在选定时间间隔内应变相对于平均值的往复变化目前为条术语定义符号单位主轴扭矩脉动在选定时间间隔内主轴扭矩相对于平均值的往复变化转速脉动在选定时间间隔内转速相对于平均值的往复变化功率脉动在选定时间间隔
8、内功率相对于平均值的往复变化导叶扭矩脉动在选定时间间隔内导叶扭矩相对于平均值的往复变化径向载荷脉动在选定时间间隔内导轴承径向载荷相对于平均值的往复变化轴向载荷脉动在选定时间间隔内推力轴承轴向载荷相对于平均值的往复变化有关振动和脉动参数的一般术语振动脉动机械系统相对于平衡位置随时间的往复变化除振动外其他物理量相对于平均值随时间的往复变化周期性振动和脉动经相等的时间间隔后能重复出现的量周期周期量的一个循环的时间频率单位时间内周期量的循环数等于周期的倒数基波频率为最小的正弦分量谐波频率为基波整数倍的正弦分量角频率正弦波频率与的乘积简谐振动或脉动可用一项正弦函数表示的周期振动或脉动相位角相位表示正弦量
9、相对于某基准信号位置的角度偏移值条术语定义符号单位振幅正弦量的最大值峰峰值一个量的最大值与最小值的代数差正弦量的峰峰值为振幅的两倍即复合振动或脉动由几个简谐振动或脉动叠加而成的振动或脉动共振谐振在强迫振动中激励频率的任何微小的变化都会使系统响应明显降低这种状态随机振动或脉动在任一给定瞬间时其大小不可能预先准确确定的振动或脉动数学术语平均值或算术平均值一组同一变量的离散值的平均值等于这些值的代数和除以它们的总个数式中为第个值为离散值的总个数在时间间隔内连续函数的平均值为标准偏差相对于平均值的有效偏差值一组数或一个函数与其平均值的偏差的均方根值有效值对于一组数为的连续函数则至时间间隔内该函数的标准
10、偏差为条术语定义符号单位均方根值有效值一组数的均方根值等于这些数的平方的平均值的平方根在时间间隔内连续函数的均方根值等于此间隔内该函数平方的平均值的平方根注根据振动理论振动的平均值等于零此时均方根值等于标准偏差均方根的平方值等于方差当简谐振动的幅值为时其有效值为方差标准偏差的平方注当变量的平均值为零时方差等于该量的有效值的平方均方值在给定区间内某函数或一组数的均方值等于该区间内这个函数或一组数的平方的平均值注均平值为均方根值的平方当平均值为零时均方值等于方差若平均值不等于零则其他专门术语导叶或扩散段导叶数目水斗式水轮机喷嘴数目转轮叶片或泵轮叶片数目水斗式水轮机水斗数目条术语定义符号单位相对流速
11、图相对流速的定义在边界层厚度以外如点水流流过所研究的部件的相对流速图转轮叶片导叶等出水边厚度图出水边厚度的定义靠近叶型出水边切于两相对表面间圆形的最大直径见图极限频率下限上限待研究过程的频率范围的下限上限测量通道频率下限上限测量系统实际频率下限上限它们对应频率响应曲线上与平坦部分偏离的频率范围功率谱密度某量单位频率带宽内的均方值在极限情况下带宽趋近于零平均时间趋于无穷大条术语定义符号单位分析仪的恒等百分比带宽比率信号记录时间传感器信号记录时间磁带或纸的速度磁带或记录纸记录速度水力机械的主要结构类型不同参数水力机械的结构和尺寸差别很大按照轴和轴承的数量和位置并从振动试验角度将水力机械主要结构类型
12、分成以下几种图立式机组悬垂式机组图混流式图轴流式伞式机组图半伞式机组图推力轴承在主轴下末端的机组图卧式机组两轴承机组图四轴承机组图贯流式机组转轮为悬臂式的机组图在尾水管进口有附加径向支撑的机组图轴伸贯流式机组图图例中各主要部件及其代号转轮泵轮主轴发电机电动机顶盖下导轴承支架上导轴承支架推力轴承支架水轮机蓄能泵水泵水轮机导轴承发电机电动机轴承推力轴承导轴承和推力轴承组合结构联轴器齿轮箱本规程仅给出部分例子图悬垂式机组混流式水轮机图悬垂式机组轴流式水轮机图伞式机组推力轴承在下机架图半伞式机组推力轴承在水轮机顶盖图伞式机组推力轴承在下机架图半伞式机组推力轴承在水轮机顶盖图推力轴承在主轴下末端的机组图
13、卧式两轴承机组图卧式两轴承机组左侧为水轮机右侧为单级泵图卧式四轴承机组图转轮为悬臂式的贯流式机组图在尾水管进口有附加径向支撑的机组图轴伸贯流式机组关于保证值提出保证值不是本规程的目的和任务但如果按本规程的规定进行试验则对得出的结果进行统计分析后可为保证值的确定奠定基础保证值必须以一定的测试规程为基础而当应用保证值或标准和测试结果对机组进行评价时则保证值和测量结果都必须符合同一测试规程第二篇试验的实施试验计划试验计划的拟定试验负责人根据下述各项草拟试验计划并提交有关各方协商试验目的列出所有被测量及传感器的安装位置试验工况列出准备运行的工况及每个工况运行的时间需要开停机的次数及每次停机的持续时间测
14、试设备列出所有被测量的测量记录仪器和方法提供必要的率定结果或有关率定方法的说明试验条件列出试验时机组应具备的条件和操作方式等准备工作包括需要非试验承担单位配合进行的工作或提供的条件振动脉动被测量及测点布置振动脉动被测量及测点位置根据试验目的具体确定对于结构振动的测量如仅为评价机组的振动水平应测量振动位移如为了研究结构的振动特性或其他专门参数可根据需要或所含频率范围分别测量振动位移振动速度或振动加速度也可同时测量两种量对于暂态过程的振动测量还必须考虑传感器的暂态响应特性应满足被测量的暂态类型和时间历程见以下各节为主要测量项目应优先安排各节所列项目可根据需要确定主要项目中的测点部位及数量也可根据需
15、要适当增删如在发生强烈振动的有关部位增设测点振动应在机组的关键部件和部位上测量如各导轴承和推力轴承的轴承座及支架水力机械顶盖转轮室的非混凝土部分轴流式及贯流式机组贯流式水轮机的灯泡体及加强筋导叶水轮机及可调式水泵水轮机固定导叶特殊情况下振动传感器的布置如下在各导轴承座或支架的互成的两个方向在推力轴承机架上尽可能靠近旋转中心的一个或两个轴向方向上在转轮室上尽量不受混凝土限制的径向方向水力机械顶盖上尽量靠近旋转中心的轴向和径向的一个方向或两个方向如互成在灯泡体内两个横断面的加强筋径向和切向布置其中一个断面靠近水轮机另一个靠近发电机在任何刚性地固定在导叶上的可拆卸部件的三个方向上即垂直于导叶最小刚度
16、平面方向垂直于导叶轴平面且平行于导叶最小刚度平面的方向平行于导叶轴的方向主轴径向振动主轴摆度下同应在靠近导轴承处测量并在各测量平面相隔的两个方向安装涡流传感器或其他位移传感器测量相对振动时传感器固定在导轴承体上且尽量靠近主轴测量绝对振动时传感器应安放在固定于基础的支架上如果需要也可在两个导轴承间的主轴上不同位置测量其相对于某一固定点的振动绝对振动有的轴流式水轮机在暂态过程工况下出现抬机或轴向串动现象试验时应在适当位置安装测量主轴轴向位移的传感器压力脉动应在下述部位测量按水轮机运行方式机组高压侧如钢管末端蜗壳进口蜗壳内的其他地方以及在需要和可能时在钢管的某个断面尾水管锥段如需要也可在扩散段或其他
17、部位与转轮上冠相对的顶盖内表面转轮与导叶之间的空间等压力脉动传感器应安装在机组高压侧流道相应位置尾水管锥段距进口为的方向对于轴流式及斜流式水轮机可取对混流式水轮机可取为尾水管锥管进口直径对于弯型尾水管测点也可设在弯段的小半径侧应力脉动由实测应变计算得到参看附录应变用电阻应变片测量测点应选在应力集中的位置如孔槽倒角或其他具有应力集中的部位主轴扭矩脉动可在转轮与电机之间适当的位置上测量主轴的扭应变而求得见图及附录信号从旋转主轴向固定部分的传送可采用滑环或遥测应变仪转速脉动可用光学式电磁式或其他装置测量测量位置可选在主轴任何可见部位功率脉动用功率变送器测量如果功率脉动受到发电机或电网的激励则应测量相
18、应激励的影响当用指针式仪表读取功率脉动时还应注意到仪表本身的动态特性对指示值的影响导叶扭矩脉动可在导叶轴或连杆上用应变片测量见图及附录轴承摩擦对测量结果的影响程度不确定导轴承径向载荷脉动可用应变片测量在分块瓦滑动轴承中径向力必须在每块瓦的调节螺栓上测量以求得轴承所受的合力筒式轴承的径向力只有可在导轴承支架上进行应变测量时才有可能测量此时应相隔的两个方向布置测点轴向力脉动可用下述方法估计在刚度可确定的支持部件上测量其应变或变形从而求得其支反力脉动在每块推力瓦上测量应变脉动测量轴的轴向应变同时应对弯曲应变进行补偿脉动基准标记信号轴信号基准标记信号轴信号用于确定旋转体动态方位随时间的变化并作为转频振
19、动相对相位角的基准点建议将基准标记信号选在通过电机首末磁极平分线的轴截面的主轴表面上如无可能也可选在其他位置如与盘车轴号对应的主轴表面上信号传感器或电刷一般应安装在机组的方向或与主要测振方向一致试验工况需要试验的工况取决于当地条件机组情况试验目的及共同的协议下面为一些例子基本试验工况基本试验工况包括以下四种空转工况机组转速逐级升高到额定转速或以上变化范围可在额定转速的间选定空转励磁在额定转速条件下励磁电流可取为发电机空载额定电压对应的励磁电流的和暂态过程工况包括起动停机甩负荷等所甩负荷可由小到大甩次如额定或最大负荷的和可根据机组具体情况确定稳定负荷工况稳定负荷最低限度应包括下列几种工况额定负荷
20、或最大负荷的和空载如有可能工况数量应适当多些以充分反映不同工况下的不同振动特性或不同振动区的振动特性其他试验如果水轮机装有自由补气或强迫补气装署则应进行补气试验如有可能还应测量补气量飞逸试验一般不进行如需试验各有关方面应事先达成专门协议如机组有调相任务应进行调相试验确定工况点的参数稳态工况稳态试验时各参数的测量应在所有参数保持不变的条件下进行机组的有功无功输出功率或输入功率用功率表测量仪表精度在试验前率定如需要更高精度可采用专门仪表如功率变送器测量转速测量装置应保证其测量结果的不确定度小于同步转速的如有可能并提供一个轴信号脉冲以确定相位机组的水头扬程通过测量上下游水位确定若需精确测定水头可按第
21、三版第章的规定进行导叶或喷嘴开度在导叶或喷嘴开度表盘上读取或用接力器行程刻度读取精度应达到全开度的转轮叶片可调时叶片角度用反馈机构的位移测量测量精度应达到接力器全行程的对于用阀门进行调节的特殊倩况如不可调多级可逆式水轮机在空载时阀门开度的测量精度应达到接力器全行程的除上述参数外必要时还可测量其它有关参数如有关温度等暂态过程工况在正常暂态过程试验中为便于全面分析暂态过程除应记录所需的振动脉动外还应记录确定暂态过程所必需的其他参数如转速水头导叶或阀门开度等机组的输出或输入功率应采用适当的功率传感器测量转速采用适当的传感器测量传感器的输出应与瞬时转速成正比也可直接测量其他与瞬时转速成正比的信号上述信
22、号应能用于记录测量不确定度应小于额定转速的水头和吸出高度由合适的压力传感器测量瞬时压力确定传感器装在机组进出口压力测量管路上导叶开度用安装在接力器可动部件或导叶轴上的传感器测量转轮叶片可调时叶片转角应采用专用传感器测量如需要阀门开度也可用适当的传感器测量试验条件试验机组应处在正常状态下参看稳定负荷工况试验时试验工况应保持稳定不得受电力系统变化的影响水头扬程对机组振动脉动测量结果有直接影响有关方面应事先对在哪几种水头扬程下进行试验达成一致意见水力机械的振动脉动试验应在规定的吸出高度范围内进行人员组织试验承担单位由合同各方共同协商确定或由试验委托方选择合同各方和试验单位可协商指定一名试验总负责人如
23、合同各方同意总负责人也可由试验单位自定总负责人负责组织指导试验处理试验过程中的一切有关问题编写或指导编写试验计划并提出最终报告合同双方特别是经贸合同的买方和卖方应派人员参加试验或作为试验的观察员试验程序试验程序的协商试验程序由试验总负责人提出并提前足够长的时间提交有关各方酝酿及协商试验准备检查机组并确认机组完全符合设计技术参数导叶或喷嘴开度的刻度叶片转角刻度与实际测量结果相符合流道光滑且无外部杂物轴承间隙与设计值一致主轴轴线偏差在允许范围内机组能满足全部试验条件在各施测地点设置通信系统按规定的位置安装传感器连接传感器放大器记录器并进行检查核对准备投入使用建议绘制传感器布置图建议下述各项以表格形
24、式给出传感器代号及布置位置传感器型号及编号连接线与电缆的编号放大器记录器分析仪等的型号与编号测量通道编号测量仪器应尽可能在安装后进行原位率定至少应在现场率定不能在现场率定的仪器应将其最新率定结果的证明带到现场在正式试验前应先确定好各记录量的比例尺记录速度及记录时段长度试验完毕后应尽可能进行重复率定准备工作完成后试验负责人应进行检查准备工作过程中如出现与计划不符之处应与有关各方磋商并达成一致意见预备试验需要时可在正式试验前安排预备试验预备试验的目的为检验测试系统和信号系统使参试人员熟悉试验进行的方法预备试验可选择部分典型的或易操作的工况并完全按正式试验的方法进行预备试验的结果应加以整理并与以后的
25、正式试验结果相比较如差别较大则应分析原因必要时作适当处理或评价正式试验及观察正式实验按拟定的试验计划进行每个工况的试验中都要记录所有与工况有关的特征量附求中给出了记录表格的参考形式试验中还应充分记录其他与试验有关的信息以便计算所有的转换因素并使单个记录与整个试验联系起来试验记录应同步进行试验工况改变后应有足够长的时间使机组在新工况下稳定下来数据初步处理可在试验中进行或在试验后立即进行试验结果可填入附录所示的表格上重复试验试验完毕后或在试验进行过程中若某一方有充分的理由根据已有的代表性数据对某个试验不满意则该方可以提出重做有关各方应就此进行磋商并作出决定第三篇测量方法及数据采集处理方法测量方法本
26、部分对水力机械振动流道内压力脉动及其他脉动的测量方法对测量系统布置系统中各独立测试仪器的选择作了原则性规定或建议当对振动水平的允许极限有疑问时可根据应变应力脉动水平作辅助判断振动测量传感器频率范围在选择测量方法时必须考虑所测振动脉动的上下限频率频率的上下限受激振力谱以及叶片水斗导叶等的固有频率的影响可采用下述公式作初步估算下限频率式中为对应于额定转速的转速频率上限频率水斗式水轮机当喷嘴非对称布置时为喷嘴轴线间的最小角度弧度当时其他型式的水轮机式中为斯特罗哈数作为一阶近似可取参看图和图测试仪器必须根据估计的频率范围选择需要时一个测量值可同时用几个测量通道以覆盖整个频率范围在暂态过程测试中所有传感
27、器的固有周期应小于输入脉冲的历程当传感器无阻尼时脉冲历程与传感器固有周期之比应达比传感器从到频率范围内其频率幅值响应非线性偏差应小于灵敏度传感器的灵敏度应使最小被测信号电平大于测量系统的动态范围下限电平约倍传感器的灵敏度也不应过大以避免最大信号电平使测量系统过载传感器和测量系统的整体分辨率对于振动位移应达到安装当这个要求不能满足时有时可允许此非线性偏差为否则在测量或数据处理中应根据测量系统的实际频率响应进行修正使用专门支架安装传感器时应保证该支架有足够的刚度使传感器安装后支架的固有频率远大于最高被测频率传感器类型选择各振动量位移速度加速度应分别采用专门型式的传感器测量当进行一般振动水平的测量和
28、评价时宜首先选用位移传感器测量振动位移当没有专门传感器时理论上可对另一种传感器的输出进行积分或微分得到所需振动参数但需特别注意排除可能由此引起的误差测量仪器测量仪器包括各种前置放大器主放大器滤波器等它们的频率范围也应覆盖被测信号的有用频率范围测量仪器的动态范围应足够大以便能适应信号的变化范围为便于进行振动分析建议测量系统配置适当的多档低通滤波器测量系统测量系统可根据图框图构成图为简单测试系统适合于稳态试验配备足够的记录仪器后也可用于简单的暂态过程试验图所示系统更为完整适用于包括暂态过程试验在内的各种试验为适应被测信号的较大变化范围测量系统的动态范围应足够大动态范围的下限由测量系统的噪声决定其中
29、电路噪声占极大部分接地回路不当也是噪声大的一个原因为减小测量系统的噪声应将传感器与被测物体电气绝缘复合系统用于测量仅用于率定图振动测量和分析系统主轴的径向振动测量测量主轴的径向振动时应优先选用非接触式传感器如涡流传感器测量相对振动时传感器装在轴承或轴承支撑部件上测量绝对振动时传感器装在以基础为支点的专门支架上压力脉动测量传感器传感器的线性频率范围应能覆盖信号的有用频率范围压力传感器的工作压力应能满足被测流道中可能出现的最高压力或负压如装于钢管和蜗壳的传感器应能承受最高水头和最大水锤压力之和而不改变其灵敏度及固有频率装于尾水管的传感器则应能在负压状态下正常工作传感器的灵敏度应根据压力脉动信号的大
30、小来选择传感器和测量系统的整体分辨力一般应达到或水柱传感器的幅值响应非线性偏差应不超过其满量程的传感器安装后应与流道内壁齐平注意避免连接管的共振及阻尼的影响尽量减小传感器对机械冲击的灵敏度避免连接管的次生振荡测量管路中的空气应排除干净测量仪器测量仪器的工作频率范围应覆盖被测信号的有用频率范围测量仪器应具有信号调零回路当传感器的实际工作压力较高而脉动压力幅值较小时为满足压力脉动测量灵敏度要求又不使测量系统过载此时可用调零回路消除由工作压力产生的直流信号当传感器本身带有信号放大回路及调零回路时也可用它来调零测量仪器传感器应与测量系统的其他部分相匹配测量系统测量系统可按图所示框图建立系统的频率范围按
31、中估计的结果确定需要时直流零频率响应也可包括在内应力测量应力测量用应变片电桥法放大器的工作频率范围应为或其中最重要的频率范围当温度为时宜采用电阻丝式箔式或其他类型的应变片它们的特性应满足应变测量范围一批应变片的应变灵敏度系数标准偏差不大于平均值的横向变形效应小于纵向变形效应的如需要应进行温度补偿应变片的粘贴应严格遵守生产厂家的要求必须采取可靠的防潮措施当主应力的大小和方向未知时应采用三向应变花测量参看附录当主应力的方向已知时可使用少于三向的应变花主轴扭矩脉动测量主轴扭矩脉动可采用应变测量法此时应将应变片粘贴成专门测扭应变的方式参看图由于主轴刚度较大测量系统的分辨力一般不高在测量前应估计可能达到
32、的分辨力图测量轴扭距时应变片粘贴扭矩传感器输出信号从旋转主轴向固定不动部分的测试仪器的传送可采用滑环非接触式电容或电感发射机旋转的电磁波发射机和固定的接收机应注意传送装置的噪声对整个测量系统分辨力的影响转速脉动测量转速脉动可采用数字和模拟两种方式测量在模拟方式中可从固定在机组上的频率发生器或转速表获得测量信号与转速成正比的频率信号转换成模拟信号它的幅值脉动就表示转速的脉动当采用数字方式时使用上述相同的频率发生器此时两相邻脉冲间的时间间隔周期用快速的时间测量装置的数字方式记录见然后以适当的方法计算出来功率脉动测量在稳态工况下机组的功率脉动可通过测量发电机输出功率或电动机输入功率来确定这一方法也能
33、用于测量起动停机负荷扰动等暂态过程的功率变化对于甩负荷这样的暂态过程则需同时测量主轴扭距和转速脉动然后以适当的方法计算出来如果需测量水流功率脉动则还应加上转动部分质量加速或减速所需的功率脉动导叶扭矩脉动测量导叶扭矩可采用下述两种方法测量在导叶轴上贴应变片图将应变片贴成可消除轴向弯曲影响的形式在导叶连杆上贴应变片图应变片同样贴成能消除连杆弯曲影响的形式测出连杆受力后根据导叶操作系统的几何尺寸算出导叶扭矩参看附录图导叶扭距测量应变片贴在导叶轴上图导叶扭距测量应变片贴在导叶连杆上导轴承径向载荷脉动测量对于分块瓦式导轴承的径向载荷可在导轴承调节螺栓上贴应变片进行测量推力轴承轴向载荷脉动测量轴向载荷脉动
34、可用下述方法间接地测量在推力轴承支承部件上贴应变片测量推力轴承支承部件的轴向变形测量主轴的轴向变形或应力等确定机组工况参数的被测量各被测量的值在有关的仪表上读取并列入表格见附录当数据随时间发生很大变化时下述各量需与振动脉动量一起连续记录球阀开度蝶阀开度或闸阀开度导叶或喷嘴开度叶片角度机组转速在甩负荷试验中机组功率进出口瞬时压力率定概述测试系统必须在试验前进行率定在试验后作校核在长时间的测试中试验期间也应进行校核率定一般应在测值的全部范围内进行率定信号的记录及或存贮应使用与实际测量相同的记录仪器及或存贮器率定可用下述两种方法直接率定对包括传感器放大器连接电缆及记录仪器在内的完整测量系统按严格指定
35、的方式直接施加率定信号标准电信号率定用已知的标准电信号模拟传感器信号进行率定原则上测量系统的所有技术参数如灵敏度频率特性等均应定期地进行直接率定或至少应在出厂后在国家法定计量单位或在厂家的试验室进行率定并提供检定证书实际试验时在确有把握的情况下可只进行灵敏度率定直接率定振动对具有振动质量块的传感器如加速度计磁电式拾振器等需用专门的振动台进行动态率定也可用其他可发生已知振动量的设备进行灵敏度或幅值响应特性率定当采用相对式位移传感器如涡流式时应采用具有足够精度的装置给传感器施加一相对于实际被测表面的已知位移进行静态原位率定压力脉动标准压力由压力机施加给传感器压力值由已率定的精密压力计或砝码压力计测
36、量也可用已知高度温度的水柱施加给传感器传感器的动态特性由厂家给出应力当应变量用于作用力测量时可进行直接率定此时粘贴应变片的部件可能需拆下并给它施加一个已知的力主轴扭矩脉动一般不进行测量系统的原位率定在额定转速下测出发电机或电动机功率扣除机械电气损失后可得出主轴的扭矩用它进行静态率定转速脉动采用仪表盘上转速显示仪表进行静态校核或采用脉冲信号发生器频率计模拟量方法等进行率定功率脉动电功率测量仪器瓦特表电压表电流表应在专门计量检定单位率定当连续测量功率脉动时记录器用已率定的精密瓦特表在稳态条件下率定瓦特表的传递函数在试验前确定导叶扭矩脉动需专门安排进行一般不在现场进行静态率定导轴承推力轴承载荷脉动可
37、给试验导瓦或试验推力瓦施加一个准确的已知力进行静态率定当立式机组的转动部分重量已知时用风闸将转子顶起可对推力瓦进行整体静态率定导叶开度轮叶角度阀门和闸门开度位置传感器现场安装后进行静态率定标准电信号率定这种率定方法不包括传感器传感器的技术参数需经试验室率定得出或如应变片取厂家给出的典型数据率定信号在测量放大器内部产生静态的或动态的也可采用外部参考信号振动由内部信号发生器向放大器输入级供给一个幅值和频率都确定的信号用于放大器和记录器的率定压力脉动电桥放大器和记录器由内部静态信号一起率定应力应变电桥放大器和记录仪器由内部静态信号率定扭矩脉动与相同转速脉动当传感器输出为模拟量时可采用参考电信号进行间
38、接率定功率脉动当仪表的输出为已知时仅能率定记录器导叶扭矩脉动与相同导轴承推力轴承载荷脉动放大器电桥和记录器用内部静态信号率定传感器输出与受力间的关系由计算或实测确定信号记录应采用图形记录器磁带记录器或数字记录器直接记录记录器的精度应尽可能与测量仪器设备的精度相匹配图形记录器可使用的记录器类型光线示波器或笔绘记录器热敏式或静电式电子记录器记录器的上限频率需大于信号中有用的最高频率记录速度选择记录速度根据仪器使用说明及所需的时间分辨力或测量频率选择纸速及记录时间的选择记录时间由待研究的频率分量和该频率分量在记录中包含的周期数来确定若相应于一个周期的记录长度为则总记录长度为所需的纸速为记录器中所含周
39、期数取决于频谱特性以及所用的分析方法一个周期的长度应根据最重要的频率成分对应的振幅的大小来选择使其能在图形上清楚地显示出来磁带记录器磁带记录器的频率范围应宽于实际测量范围使用时应注意其实际上限频率由带速决定也可用脉冲码调制系统的多通道磁带记录器此时测量值用数码记录几个参数同时记录时应采用多通道磁带记录器多通道记录器应有单独通道用来记录时间信号或备忘信号或声音信号以便识别磁带上的内容当磁带记录器具有同步记录重放功能时应在其输出端接一个阴极射线示波器用于监视记录情况若不具备这种功能则需在适当的记录时间间隔后将已录器脱离测量系统并把信号重放给一台图形记录器或阴极射线示波器用以检查记录的质量磁带速度选
40、择磁带速度根据最高测量频率及仪器使用说明书选择数字记录器转换器的位数应足够多使其能包括整个测量动态范围连续数据记录连续记录时转换器对某量连续采样到满足需要的数量后再去采集另一个量这种方式仅能用于稳态工况下作低速准静态或监测试验无限循环巡回数据记录这种记录方式尤其适用于暂态过程的块存贮在每次测量后由计算机将数据传送给数据存贮器最大记录时间长度受处理器存贮器容量的限制可用下式计算式中容量字节每个采样占用的字节数通道数每个通道的采样率这种限制必须在准备测量仪器时加以考虑因为最小必须的记录时间与被测量和分析方法有关每一通道的采样率需与测量设备相适合采样率应不小于信号中的最高频率或需要的最高频率的倍采样
41、前要采用防混滤波器最大扫描速度和或转换器转换时间应满足系统的最大整体采样率的要求如需比较通道间的相位见应采取适当的措施以保证在有关的通道间有修正相对时间基准的可能性或保证各通道具有补偿因顺序扫描引入的时间滞后的可能性数据处理与分析概述水力机械振动水平的评价需根据规定的测量部位和规定的分析处理方法得到的振动及脉动测量结果进行因此正确的测量和正确的数据分析处理是正确评价振动水平的基础和保证通过在线或离线方式观察被测振动量如在阴极射线示波器上以时间为横轴显示或以模式显示对机组振动进行初步评价并建议采用永久媒质如照片或计算机输出硬拷贝保存观察结果记录详见信号记录对数据的进一步处理可更深刻地理解振动或脉
42、动现象分析处理包括手工或自动测量和计算振相应的频率和其他各种专门参数专门参数的计算一般需通过电子数据处理系统或计算机进行数据处理方法的选择水力机械的振动和脉动信号可看作下述两类信号的合成周期信号随机信号在稳态工况下合成信号可认为是稳态的从实际应用角度周期振动和脉动更重要一些测量数据的分析处理方法取决于所用测量仪器和试验目的最常用的数据处理方法是峰峰值或峰值分析有效值分析数据统计处理功率密度谱分析完整的谱分析包括相位分析峰峰值或峰值分析测点处的振动或脉动水平通常用其峰峰值来表征因此峰峰值分析特别适用于峰值振幅不变或稍有变化或瞬时值不重要的情况峰峰值或峰值分析可采用时段法即把整个记录时间分成若干时
43、段量出每一时段中的最大偏移量从最低峰到最高峰即可得出峰峰值随时间的变化分析结果可用表格或直方图示出在峰值分析中则需量出偏离平均值的绝对最大值当振荡过程具有尖锐峰值特征时应采用平均时段法即取一定数量时段的峰峰值或峰值的平均值每段时段中至少应有一个尖锐峰值峰峰值也可进行所定义的平均值分析此时需连续取若干或更多个波的峰峰值并求其平均值峰峰值分析的具体执行方法取决于试验时所用的记录仪器和数据处理设备当采用图形记录器时分析只能用人工方式当用磁带记录器时可用两块峰值电压表分别测量最大值和最小值测量峰值时要对平均值进行补偿当用数字式数据采集存储方式或上述磁带记录方式时可用适当的计算机程序或分析仪进行分析有效
44、值分析有效值分析既可用于周期信号分析也可用于随机信号分析当振动过程本质上是随机过程整体振动水平随时间变化且出现不规则的尖锐峰时进行有效值分析更为合适如果所研究的过程为非稳态随机过程如暂态过程可采用类似峰峰值分析的方法把整个记录时间分成多个时段把每一时段内的信号作平稳随机过程处理求出每一时段的有效值就可得出整个记录的有效值随时间变化的特性有效值分析结果可以列表或以图线示出有效值分析一般均用专用仪器或计算机进行用图形记录器记录的结果不适宜作这种分析数据统计处理数据统计处理方法适用于随机振动或随机脉动过程并采用概率密度的概念综合描述振动或脉动现象以及估计它们的强度概率密度定义为振动量的瞬时值落在一定
45、范围内的概率除以该范围大小在指定幅值水平处的概率密度为其中为瞬时值大于的概率而为瞬时值大于的概率将的全体值对应的概率密度值画成曲线就得到概率密度曲线沿该曲线从到积分就得出瞬时值落在间的概率振动或脉动的最大幅值峰值统计分布也可用峰值概率密度曲线表示该曲线表示振动量在给定水平处的振动幅值窗内峰值出现的概率在实际分析中数据的统计处理都用专门的仪器设备如分析仪或计算机程序来完成功率密度谱分析谱分析的目的在于得出各频率分量的综合分析适用于稳态工况谱分析技术有两种功率密度谱分析可用模拟式或数字式分析仪快速付立叶变换分析用数字式分析仪进行当采用第一种分析方法时可使用不同的频率分析仪分析仪的频率范围应包括所研
46、究的频率范围当分析仪的频率下限高于所分析信号的最低频率时可采用磁带记录器在低速档下记录低频信号然后在较高的带速档下重放的办法当对磁带记录器的记录进行数据处理时宜采用具有显示频谱功能的实时分析仪或计算机程序完整的谱分析包括相位分析完整的谱分析包括幅值分析和相位分析两部分由完整的谱分析得到的完整信息原则上可以进行信号由频域向时域的反向变换而且可以判断同一频率分量的不同振动量间的可能联系由完整的谱分析可得到每一频率下的幅值和相位因此在给定频率下谱密度幅值是复数量或向量这些量可由模拟量分析系统或用数字式信号处理系统如分析仪对信号进行分析得到进行这种分析时应注意可能由分析方法引入的各种误差测量不确定度在
47、估计测量不确定度前尤其在自动估计前必须保证例如通过波形图检查所记录的信号无干扰如果存在干扰则应细心地进行人工计算中由简单谱分析得出的谱幅值与此处的模一致即也可由相关函数单个信号的自相关函数两个信号的互相关函数的付立叶变换得到它和由分析得到的等价所有振动量的测量不确定度都应进行估计估计可采用原位率定曲线或厂家提供的率定曲线进行要考虑的因素包括传感器放大器滤波器记录器数据处理系统等确定运行工况的所有参数如水头功率导叶开度轴流和斜流式水轮机的叶片安放角吸出高度等的测量不确定度需要时按有关规程进行计算计算得出的不确定度应保证与下列各项的一致性仪器的工作状态率定等级测量系统最大期望不确定度以及评价振动或
48、脉动的允许极限等评价时用到的专门参数的相对不确定度计算应由参数的数学表达式中各物理量的相对不确定度根据一般误差理论进行计算通常是总不确定度等于各单项不确定度平方和的平方根试验报告完整的试验报告见附录包括下面各项内容试验目的被测机组的主要技术参数试验计划试验单位及人员名单试验条件仪器设备的型号参数生产厂家率定系数数据处理方法传感器的布置位置说明及示意图试验结果文字图表记录实例等测量不确定度的说明结论和或建议附录标准的附录用应变花进行动应力测量时的主应力计算公式及信号处理计算主应力的公式主应力不能直接获得而需根据所测应变进行计算不同应力条件下的计算公式如下单向应力情况式中要计算的应力杨氏弹性系数测
49、得的应变主应力方向已知时的平面应力情况式中泊松比主应力方向未知时的平面应力情况在此情况下必须在测量点贴上由三个应变片构成的应变花不同形式的应变花及其计算公式如下应变花式中方向应变片轴线方向与最大应力方向间的夹角最大主应力最小主应力和应变花用应变花作动应力测量时的信号处理用应变花作动应力测量时的信号处理可用下述两种方法在模拟计算机上进行模拟信号处理三个应变信号并行采样在数字计算机上进行处理在模拟方法图中最大可分析频率在线处理时受信号处理器和信号调制设备速度的限制在数字方法图中最大信号处理频率受采样率及处理器速度的限制各通道间的采样必需精确地同步不论是模拟方法还是数字方法其输出都应是和的瞬时值和瞬时方向图应变花测应力时的模拟式在线处理系统框图图应变花测应力时的数字在线处理系统框图附录标准的附录用应变片技术测量轴扭矩和连杆轴向载荷时的计算公式利用应变片测量机器部件的扭矩和轴向载荷是可行的在此情况下可先按照理论公式见下估算一下被测值的大小并用以估计电桥回路的总不平衡值的大小以此选择测量系统并估算
