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热 能 动 力 工 程 1 9 9 9 年3 月 旋转机械的功率在线测试技术 T I q 3 3 I M9 3 3 3TM9 3 3 3 中 图分 类 号 1 引言 旋 转机 械物理 参 数的 测量 和应 用，无 疑地将 为 新产品的设计 提供 可靠 的动态设 计 参 数，也可 为故 障分析提供 实质性依 据。早期 的测量系统 常用水银 引电器或刷环 引 电器，由于汞 中毒 的危 害 和较 大噪 声，已逐渐 被 淘汰。7 0年 代末，由于 电 子 设备 小 型 化，美国、日本等 发 达国家相继推 出无线电遥测 技术 在旋转体 上应用。某大 型 化工厂一 为扩 大 生产 能力，对原 汽轮 机机 组进 行扩容 改造，要 求 测 出改造 后机 组在 运行 状 态 下的实发功 率值，并要求 长期监测，以保障机组 有序 生产的安全 运行。除此 之外，研 制 的测试 系统 必须 适 应恶劣 的大、小 环 境(大 环境：易燃、易爆 化 工 企 业、环境：油气 和 油 浸，高 速旋 转 体和 封 闭壳 体)，当然，绝 不允许改 变原 机组结构 和运行状态，其实质 也就成 为在运行机 组 上实施功率 在线测量。从 目前 国 内外 技术水平来 看，传 输精度 高、抗干 扰能 由强 的遥测 系统并 不 少见，但旋 转 遥测 系 统的 电源 受发射 组件必 须 装在转 子 上，需 视测 试 对 象不 同而 专门作结构设 计，因此 国内外均是专题专 做，而 无成套设 备可供直 接采 用。按 照要求 和现 实条 件，研 制 了感 应供 电无线 电 功率遥测 系统，实施 丁在 线测 量，投人 运 行 已 l 0个 多月，所 有测试数 据准 确 可靠，操作 极 为 简便，工程 误差小 于 1 5。投 人运 行 的 初 始 阶段，就 为机 组 发生意 外故障提供 了，判据，缩 短 了，检修周期，增加 了，经济效益 收 稿 期】9 9 8 0】一0 5 收 悔 改稿 1 9 9 8 0 3 0 3 文 章犏 号：1 101 2 O 6 0 t 1 9 9 9 J 0 2 0 1 3 50 5 (啥尔滨七0三研究所)徐 军 李春兰卢文发(大庆石油 化工工程 公司)顾喜 春 2 基本原理的应用 2 1 功率与扭矩的关系 N=M n 9 7 4 0 3 2 (1 j 式 中：一功 率k W 一旋转轴扭矩k g c i n n 一 旋转轴 转速r rai n 式(1)又可 改写 为：N=0 1 0 4 7 M n (2)由式(1)、(2)可知，功率 的测量 实质 上就是 在一 定转速 下的扭矩测 量。2 2 扭矩与应变的关系 汽轮 机通 过套 齿联 轴器 与负 载连 接，在 不改 变 套齿 联轴器 功能 的前 提 下，将联 轴 器作 为应 变式 扭 矩传 感器 的弹性 元件，在其 适 当部位 粘 贴 电阻应 变 计 并组成全 桥，经标定后 即成应 变式 扭矩传感 器，其 应变与扭矩 的关系 为：=(1+u)M c o E (3)式 中：一轴 的扭 转应变 一轴 材料泊桑 系数 一轴材料弹 性模 量 一轴抗扭断 面系 数 一扭矩 由式(3)可 知，测得旋 转轴扭转 应变即得该轴 扭 矩值。其它 数据 皆为 常数，它取 决 于轴 材料 和其 结 构 尺寸 2 3 输出电压与应变的关系 根据 应变 计全 桥线 路 的理论，其输 出电压与 应 变的关系 为：U：U K e (4)式 中：d u 一 输 出电压 一供桥 电压 一应变 计灵敏系 数 一 应变值 维普资讯 http:/ l 3 6 热能动力工程 1 9 9 9 由此 亦可得 出电桥输出灵敏度 U=K e 3 遥测系统的构成 弹 陛元件，在 其适 当部位粘贴 电阻应变计研 制而成(5)现将其综 合性 能列表 如下 遥测 系统的构 成 为 图 1框 图所 示，它 包 括感 应 供 电设备、微型发射 机、应变式 扭矩 传感 器、耦台 线 圈、发射和 接收 天线 以及 接收 机等。安 装示 意 图见 图 2。现对 各主要设备 作一简要 叔述。图 1 遥测 系统框 图 l应变式扭矩传感器2 遥测发射机3 发射 天线 4 转动耦音线圈及电舜线路5 接收天线6 静止耦音线圈 接 收机8 感 应供 电电 源振 荡 嚣9 汽 辛 龟 机 l 0+压缩 机 1 l 联 轴 器 图 2 遥测 系统 安装 图 3 1 应变式扭 矩传感器 应 变式 扭矩传感 器是 将原机组 中的联轴器作 为 序 导 特性名称 单位 值 l 输 出灵敏 度 mV V 2 非 线 性误 差 (F S j 3 不重 复 性 误差 (F S)4 蠕 变 h 5 零 漂 惦，h 6 热 输 出 (F S】7 工作 温 度 范围 3 2 感应供 电 系统 感应 供 电原理 如 同一 般变 压器，基本结 构 如 图 3框图所示。由电源 振荡 器 产生 的 1 6 0 k H z的交 变 信号送到 静止线圈并耦 合到旋转 的次级线 圈。次级 线圈上的感应 电压 经 变压 器变 换成 所需 电压，然 后 再进行整 流、滤波，最后 经稳压输送 至应变 电桥和发 射机 图 4为 整流稳压 电路 图。耦台线圈 图 3 感应供 电原 理框 图 图 4整 流、稳 压 电路 多项性能 测试 表 明，该 系统 耦 合 线 圈问 隙 以 1 m m至 3 0 m m都 能 正 常可 靠 地 工 作、负 载 电流从 7 m A至 5 0 m A，供 电 电压 仍稳 定 不 变，长时 间测 量 无 漂移 现象，8 0 温度 范围 内，系统 正常工作 高 速转 动试 验表明，系统 输 出量 增 加 了 3 m V，约 占满 量 程 的 0 2 3 3 遥 测发射机 遥测发射 机系 采 用从 美国 A c c u x 公 司引 进 的 维普资讯 http:/ 第 2期 徐 军等 旋转机 械的功率 在线 测试技 术 1 3 7 2 0 6 A型，其 特 点 是体 积 小、重 量 轻(0 2 5 ram2 1 mm，重2 1 g)；灵敏度高5 0 0,u E v，信噪比高(相当于输入端 l O p E)，能承受 较 大 离心 加 速 度(3 0 O O g)，密封 性 好，能在油雾 中工 作。主要技 术性 能见表 2 表 2 2 0 6 A发射机技术性能 电 源 电压 V 2 2 7 喧变 计 电阻 n 3 5 0 I K 灵敏 度 v 0 2 上 射频 MH z 频响 k H 0 I(I d B)鹾用 温度 范 隔a c I O 0 3 4接收机 3 4 1 基 奉原理厦框 图 由射频输 入的调频信 号经高频 放大后与压 控振 荡器(V C O)产 生 的 第 一 本 振 信 号 混 频，产 生 1 O 7 M H z的第一 中频信 号。第一 中频 经 滤 波、放 大后 与 第二 本振进行 二次 混频，第 二本 振 频率 由晶 振产 生 为 1 0 2 4 5 MH z，故第二 中频 为 4 5 5 k H z，经 滤渡、放 大 后馈 人精密监 频器 进行 调频 解 调，监频 器输 出调 频 的基 带信 号，经全 波整流、滤渡、直流放 大等，输 出信 号的大小与零点可通过增益粗调电位计和零点粗调 电位计来 调节。直流输 出的基 带幅度信 号经衰减后 由四位半 的 L E D数 码 显 示 器予 以指 示。通 常 再通 过增益 细 调 和零 点 细 调 进行 精 确 标 定 框 图 见 图 5 3 4 2 主要技 术性 能 接收机 主要 技术性 能见表 3。4 标定 图 5 接收机 原理框 图 为了减 少整个测试 系统各组成 部分间 的匹配 误 差 有条件时，常采 用现 场标 定或 模 拟标 定的 方 法。我们采 用 了系统 绝对标定法，即通过 专用标定设备，输入被 标物理量，然后，直接从 接收 系统 获得显示数 值，稍 加整理后 即可 获得 标定 常数 并 可进行 误 差分 析。图 6为扭 矩 校 验 台。用液 压 千斤 顶施 加 载荷，由标 准测力计读 数，其乘积 就是标准扭矩，标定结 果 见表 4一 维普资讯 http:/ 1 3 8 热能动力工程 1 9 9 9拄 图 6扭 矩 校 验 台 表 3 接收机技 术性能 表 4 遥测系统标定结果 5 基本误差分析 遥测 系统总的标定 常数应 为各环 节标定常 数之 积，如 下 式 所 示 K=n Ki 式 中 一 总标定 常数；艇一环 节标定 常数；一环节 总系数。采 用 系统 绝对 标 定法，将 直接 获得 显 示数 据与 标准扭 矩的关 系，即：A=I L a d 0 式 中 一遥 测系统显 示数值：一标准扭 矩值：一标定 系数 根据 表 4的标 定结 果，简要分析如 下：5 1 基准误 差 扭矩 为施 加的力和力 臂杆长度之乘 积，印 Mn=PL 则标 准扭 矩之误差 为=d j+爵 测力计经 标 准 计 量局 检 定 和 传递，精 度 为 0 3 级，力 臂 杆 长 度 计 量 误 差 以 2 mm 计 误 差 为 0 2 ，则标准扭矩 的误差代 A上式 计算 得：8 M=0 3 6 5 2其他误差 由表 4的标 定结 果按 全 量 程分 析计 算得，非 线 I生 误 差 8 为 1 O(含滞 后 差)，重复性 误 差 为 1个数。即 0 2 3 5 3 总误 差 遥测 系统总 的测量 误差可按下 式计算：8=+4-赴 =1 1 由此 可 见，该 遥 测 系 统 总 的 测 试 误 差 小 于 1 5 6 关键技术及特点 6 1 自行研制 的高精度应 变式扭矩 传感 器，采用 了，严密 的防护 措施 和保 护技 术，致 使传 感 器在 恶 劣条 件下运 行也无任 何漂 移现 象，保证 传感 器长期 可 靠 地 工=作 一 6 2 电源系统 和发 射 机组 件在 高速 旋 转的 构 件 中 维普资讯 http:/ 处于 全密封状态，隔绝可能 泄漏 的可燃气 体，保证安 全可靠 6 3=：半 环组 合的静止 耦台线 圈，得 以使感 应 供电 技术实现，解决 了传感 器和发射 机的供电 问韪，从而 实现 长期 在线测量的 要求。6 4结构 设计新 颖，不改 变 机组 原结 构，不 改 变机 组运行 状态，且能实现系统绝 对标定，提高 了测试精 度、7 工程应用 该系统 1 9 9 7年 4月进入 现场 安装并 投入 使用。至今 已 1 0个 多月，不仅准 确测 出 了改造 后 机组 实发 功 率值 且对 机组 运行实施 监控 保 障有序生产 和安 全运行 测 试误 差小于 1 5 该 系统投 入运 行的 初始 阶段，曾显 示 了异 常扭 矩 值 机组 发生 了意外 故 障，为 迅速 查找 故 障，该系 统提 供 了有力 判 据，最 后 迅 速 排故，缩 短 了检 修 周 期，赢得 了时间和 经济 效益 8 结束语 研究 的功率在线遥 测系统 还可应用于 汽车主轴 扭矩测试，轧钢机轧辊的扭矩测试，船舶功率测定，装载机随机功 率分 配 和扭 矩分 配 的测 试等，配 以 不 同传感器，对旋转 机械 实施 故 障诊 断 的新技 术 更具 有重大 的发展前景。在从事该项研究工作过程 中，曾得到马 良理教 授、周富走教授 关德新教授 的指导和热忱帮助，在 此表 示谢 意。参考 文献 I 褒希兜主编 传感器拄术于册国防工 业出版社，1 9 8 6年 t 2月 2 刘瑞复主编_ l 程遥测技术机槭工业 出版札，1 9 8 5年 t 2月 作者简介橹 军 男，1 9 6 6年 生 工程 师，1 9 8 9年毕业于唔 尔 滨工业文学工程力学 系。现 在哈 尔滨七0 三研 究所从 事鲒 构强度和测试技术研 究工作 参与研究 的“数显扭 力扳手”燕 1 9 9 3 年 中船忌套 司科技进步三等 奖 通讯址：1 5 0 0 3 0 唔 尔滨 7 75信 箱 信息之 窗 我国最大功率单级烟气 西 璺 总 重量 达 2 2吨、输 出功 率为 1 6 5 0 0千 瓦的 国 内 最大功 率 的单 级 烟 气 能量 回收 装 置 1 1烟 气 轮 机 日前在 西量 航空 发动 扭【集 团)互阻 公 司主 械 厂制 造完成，一次试车运转 成功，并通 过用户的现场 检测：一 、，烟气 轮机是 石油化工企业 催化裂 化装 置烟气 f量回收系统的关键设备，它利用废高温烟气产生动 l力驱动风机或发电机运转，不但能变废 为宝重新获；得 廉价 电力 资源，达到 能量 回收再生 的功 效，而且 还 大 大 减 少了 废 生 壁 竺 耍 銎：基 趣 堑 盐 丝 进 垫 、益和 社会效 益 这 台烟 气轮机是 西航集 团公 司 自行 设计、制造的 T P系列十余台烟机中功率最高、体积 最大的 产 品，其 1 6 5 0 0千瓦 的输 出功率居 国内所有 自行生产 和进 IS I 的 同类 产 品之 首。在制 栅虫。西航集团公 司机械厂用国标质量管理体系严格控和、每 一 个 零 营 丝 生 z 至 茎查 羔望塞 耋 制造难划 使一万多个零组件一次装配合格在试车 过程 中一 次运转 成功，各项 技 术 指标 全部 达到 设计 要求，其 中主轴 转速 达 每 分钟 5 0 0 0转 超 过 了每分 钟 4 6 6 0转的设 计 要求，体 现 了该 公 司烟 机设 计、制 造技术 的国 内领 先水 平。一 一 一 一一 、一甘 前 该相 r E 雨 中国石化总公司浙江镇海 石化总厂使用。此前，由西航集团公司设计制造的 j 十余台烟机已分别被大庆油田、辽河油田、南京炼油f I 厂、天津炼油厂、吉林炼油厂、广东茂名炼油厂、湖南f 帐岭炼油厂、呼和浩特炼油厂等国内众多石化企 为使 用并 收到 良好成效(刘安瑞 于建军)维普资讯 http:/