“汽輪機(jī)原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

摘要：按照更新教學(xué)設(shè)施、改進(jìn)教學(xué)方法的思想，重新設(shè)計(jì)、加工并安裝的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)緊密結(jié)合實(shí)際汽輪機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，同時(shí)也采用了先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)處理工具。在啟動(dòng)調(diào)試中運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，可將教學(xué)與科研有機(jī)融合，充分體現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用“新設(shè)備、新技術(shù)、新方法”，打造研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思路。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；實(shí)驗(yàn)；新技術(shù)；改革

作者簡(jiǎn)介：云峰（1975-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，講師；施永紅（1974-），女，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，副教授。（內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

基金項(xiàng)目：本文系內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：X200939）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2012）22-0102-02

“汽輪機(jī)原理”課程是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的主要專業(yè)課之一，于2009年申報(bào)了內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)精品課程建設(shè)，主要包括六個(gè)方面的內(nèi)容：師資隊(duì)伍建設(shè)；教學(xué)內(nèi)容建設(shè)；教材建設(shè)；教學(xué)方法和教學(xué)手段建設(shè)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)；網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)。[1]其中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)作為課程建設(shè)重要的組成部分，既要滿足課程教學(xué)計(jì)劃及鞏固教學(xué)內(nèi)容的要求，又要滿足當(dāng)今電力工業(yè)快速發(fā)展，技術(shù)和設(shè)備不斷更新的要求。本課程汽輪機(jī)設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中最常見、最主要的故障是轉(zhuǎn)子振動(dòng)，[2]機(jī)組振動(dòng)測(cè)試包含振動(dòng)測(cè)量和振動(dòng)試驗(yàn)兩個(gè)方面，只有將振動(dòng)測(cè)量和振動(dòng)試驗(yàn)緊密地結(jié)合，才能深入了解機(jī)組振動(dòng)特征。本實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)量手段和試驗(yàn)條件下，探討了如何獲取和分析振動(dòng)信號(hào)、判斷轉(zhuǎn)子振動(dòng)的類型，最終通過計(jì)算與實(shí)際操作，達(dá)到消除或降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)的目的。因此，學(xué)生熟悉和掌握相關(guān)的振動(dòng)測(cè)試技術(shù)及振動(dòng)消除手段就成為本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首要任務(wù)。

一、本課程實(shí)驗(yàn)要積極打造研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

教學(xué)方法的改革，首先是教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變。在電力技術(shù)和電力工業(yè)快速發(fā)展的今天，教授并要求學(xué)生掌握一定的相關(guān)的專業(yè)知識(shí)固然重要，但讓學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法、開發(fā)創(chuàng)新能力更重要，正如“授之以魚不如授之以漁”。目前，國(guó)內(nèi)高校在不斷擴(kuò)大招生的壓力下，大部分院校教學(xué)資源嚴(yán)重不足。其中，師資力量不足是一方面，很多教師的教學(xué)工作量可能達(dá)到基本工作量的兩三倍甚至更高，這必將影響到教學(xué)效果，同時(shí)，主要精力疲于應(yīng)對(duì)繁重的教學(xué)工作，就減弱了教學(xué)思想更新、教學(xué)手段技藝的提高；另一方面，教學(xué)硬件設(shè)施嚴(yán)重不足，包括實(shí)踐教學(xué)設(shè)施。課程實(shí)驗(yàn)特別是一些專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)，受到場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)限制，面臨的教學(xué)壓力就更大了。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師要在幾天時(shí)間內(nèi)不斷重復(fù)十幾次甚至幾十次，在這種情況下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)難免照本宣科、留于形式。教師沒有太多精力用于擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓寬學(xué)生思路，引導(dǎo)和協(xié)助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)教材以外的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)教材給出的步驟、方法，驗(yàn)證教材內(nèi)容中的原理和定律。在這種習(xí)慣性的思想指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師的主動(dòng)性、創(chuàng)造性得不到發(fā)揮，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和發(fā)揮也不可能得到足夠的重視，這顯然已經(jīng)不能滿足社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求。改變現(xiàn)有的、不符合時(shí)代需求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校特別是工科院校必然的發(fā)展趨勢(shì)。研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重學(xué)生主動(dòng)性和探索性的發(fā)揮，改變學(xué)生完成任務(wù)了事的被動(dòng)學(xué)習(xí)。研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以課題研究或?qū)I(yè)擴(kuò)展、深化為主。采用開放式的實(shí)驗(yàn)過程，形成教學(xué)與科研的有機(jī)融合。通過研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生從提出問題、分析問題到獨(dú)立解決問題的能力，訓(xùn)練其研究和創(chuàng)新能力。

二、實(shí)現(xiàn)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)需解決的硬件問題

設(shè)備陳舊，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備差別大。實(shí)驗(yàn)用測(cè)振轉(zhuǎn)子多為單跨、剛性轉(zhuǎn)子，而實(shí)際汽輪機(jī)組均為多跨、剛性連接的撓性轉(zhuǎn)子；測(cè)試手段落后，測(cè)試數(shù)據(jù)單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜合分析需求；數(shù)據(jù)處理落后，速度慢，數(shù)據(jù)再現(xiàn)性差，不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)測(cè)試對(duì)象和測(cè)試設(shè)備的了解及使用、數(shù)據(jù)處理等，都已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，教學(xué)設(shè)施、教學(xué)方法應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，根據(jù)科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展不斷進(jìn)行更新調(diào)整。因此我們提出在主要專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用“新設(shè)備、新技術(shù)、新方法”的改革思路。為此，重新設(shè)計(jì)、加工了新的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)緊密結(jié)合實(shí)際汽輪機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，同時(shí)也采用了先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)處理工具，該系統(tǒng)具有故障診斷、信號(hào)分析、轉(zhuǎn)子和軸系振動(dòng)測(cè)試等功能，并具有良好的人機(jī)交互界面，兼顧了儀器與軟件分析的優(yōu)勢(shì)，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障診斷課題研究方面發(fā)揮了重要作用。新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合了實(shí)際設(shè)備和實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用，很好的實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與科研的有機(jī)融合，能進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障分析、診斷及相關(guān)課題研究。

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從整體上分成兩部分，一是模擬系統(tǒng)，二是測(cè)試、分析、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和變頻控制器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝置等，為研究轉(zhuǎn)子振動(dòng)及測(cè)試提供基礎(chǔ)條件。其中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是模擬國(guó)產(chǎn)100MW雙缸雙排汽汽輪發(fā)電機(jī)組軸系設(shè)計(jì)的，包括變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子、模擬高壓缸轉(zhuǎn)子和低壓缸轉(zhuǎn)子及外延軸部分共三段轉(zhuǎn)子。其中，模擬高壓缸轉(zhuǎn)子和模擬低壓缸轉(zhuǎn)子及外延軸部分兩段轉(zhuǎn)子由兩根50mm的轉(zhuǎn)軸剛性聯(lián)結(jié)而成，重量為88.2公斤。模擬高壓轉(zhuǎn)子軸長(zhǎng)1520mm，由兩個(gè)滑動(dòng)軸承支承。通過剛性連軸器與模擬低壓缸轉(zhuǎn)子相聯(lián)。軸上裝有3個(gè)厚度均為30mm，外徑分別為400mm、350mm和300mm的模擬葉輪輪盤，葉輪上距外徑25mm的圓周上開設(shè)燕尾槽，用于高速動(dòng)平衡配重塊安裝。在轉(zhuǎn)子前后兩端的兩個(gè)軸承上分別裝設(shè)有垂直方向和水平方向兩個(gè)絕對(duì)式速度傳感器。模擬低壓缸轉(zhuǎn)子軸長(zhǎng)1280mm。同樣由兩個(gè)滑動(dòng)軸承支承。低壓轉(zhuǎn)子上裝有4個(gè)模擬葉輪輪盤，2小2大，厚度均為30mm，大、小葉輪外徑分別為400mm和300mm，盤上距外圓25 mm的圓周上開設(shè)燕尾槽。在轉(zhuǎn)子前后兩端的兩個(gè)軸承上分別裝設(shè)有垂直方向和水平方向兩個(gè)絕對(duì)式速度傳感器，同時(shí)，在兩個(gè)軸承內(nèi)側(cè)分別裝有垂直方向和水平方向兩支電渦流傳感器，低壓轉(zhuǎn)子共設(shè)4個(gè)用于測(cè)量瓦振的絕對(duì)式速度傳感器測(cè)點(diǎn)和4個(gè)用于測(cè)量軸振的電渦流位移傳感器測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)標(biāo)定X為水平方向測(cè)點(diǎn)，Y為垂直方向測(cè)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由光電鍵相傳感器測(cè)得，是由單獨(dú)的支架支撐于高、低壓轉(zhuǎn)子的剛性連軸器位置。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)通過補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償器送入振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，調(diào)理后的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)線輸送到計(jì)算機(jī)，利用專用軟件進(jìn)行振動(dòng)信息顯示和信息分析、故障診斷等。高、低壓轉(zhuǎn)子構(gòu)成的軸系是三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定功率為5.5kW。電機(jī)通過剛性連軸器與高、低壓轉(zhuǎn)子的剛性相聯(lián)，通過變頻控制器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，使轉(zhuǎn)子可以在任何轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

四、測(cè)試、分析、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

1.系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、便攜式振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀和終端計(jì)算機(jī)等硬件及軟件系統(tǒng)組成，采用渦流傳感器、速度傳感器以及加速度傳感器檢測(cè)振動(dòng)，用光電鍵相傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速及鍵相信號(hào)。傳感器傳來的經(jīng)過補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?hào)經(jīng)過振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀調(diào)理為符合標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，并具有過流保護(hù)和鍵相整形等功能。監(jiān)測(cè)儀設(shè)有線性電源和充電電池，允許在失電狀態(tài)下工作兩個(gè)小時(shí)左右。振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀還設(shè)有1路鍵相信號(hào)采集板和16通道位移、速度傳感器等。軟件系統(tǒng)采用分層式樹狀結(jié)構(gòu)，由以下幾個(gè)專用程序組成：一是數(shù)據(jù)采集程序，按照設(shè)定（時(shí)長(zhǎng)或變轉(zhuǎn)速）完成測(cè)振儀振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和儲(chǔ)存，并可用于交互界面的實(shí)時(shí)顯示或建立啟停數(shù)據(jù)文件或?qū)崟r(shí)分析數(shù)據(jù)來源；二是實(shí)時(shí)分析程序，對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軸心軌跡、時(shí)域波形圖、頻域波形圖、數(shù)據(jù)表格及棒圖等分析；三是歷史分析程序，可對(duì)采集并存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行再現(xiàn)并進(jìn)行波特圖、三維譜、頻譜及細(xì)化分析、軸心軌跡、歷史波形和趨勢(shì)分析；四是動(dòng)平衡計(jì)算程序，可將采集并存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)作為動(dòng)平衡計(jì)算依據(jù)，可進(jìn)行直接試重平衡、諧分量平衡、直接影響系數(shù)查詢平衡試重預(yù)測(cè)等計(jì)算；五是輔助功能和數(shù)據(jù)管理程序，用于對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)建立參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)表、波形數(shù)據(jù)表、機(jī)組啟停數(shù)據(jù)表、連續(xù)采集數(shù)據(jù)表、動(dòng)平衡影響系數(shù)數(shù)據(jù)表等。另外，還設(shè)有單獨(dú)的連續(xù)采集程序，用于建立連續(xù)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行波形實(shí)時(shí)顯示和動(dòng)態(tài)頻譜分析。各個(gè)功能形成獨(dú)立模塊，易于維護(hù)，條理清晰，并可保障數(shù)據(jù)的安全。

2.系統(tǒng)的主要功能

該系統(tǒng)具有頻域波形分析、時(shí)域波形分析、軸心軌跡分析等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析功能以及包括波特圖、級(jí)聯(lián)圖、瀑布圖在內(nèi)的數(shù)據(jù)回放分析功能；通過相關(guān)濾波或快速傅里葉變換（FFT）對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行波形放大、選頻分析等功能；能夠按照事先設(shè)定好的存儲(chǔ)模式（時(shí)長(zhǎng)或變轉(zhuǎn)速）記錄數(shù)據(jù)；動(dòng)平衡計(jì)算能解決1～6個(gè)平衡面和最多達(dá)12個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的平衡問題。動(dòng)平衡計(jì)算原始數(shù)據(jù)輸入可用手動(dòng)輸入，也可根據(jù)歷史圖、表數(shù)據(jù)自動(dòng)裝入，并具有配重分解、試重預(yù)測(cè)、配重優(yōu)化等多種功能。同時(shí)，系統(tǒng)具有一次平衡功能。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡工作而言，機(jī)組啟停過程中耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用大，而且每一次啟停都會(huì)對(duì)設(shè)備造成額外的疲勞損傷甚至?xí)驗(yàn)椴僮鞑划?dāng)直接造成設(shè)備損壞，釀成事故。因此要求盡可能減少機(jī)組的啟停次數(shù)甚至做到一次起動(dòng)即可完成平衡最好。目前有效減少動(dòng)平衡過程中啟停次數(shù)的最好方法是使用已知的影響系數(shù)。系統(tǒng)具有動(dòng)平衡計(jì)算原始數(shù)據(jù)和影響系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠存儲(chǔ)大量歷次動(dòng)平衡得到的影響系數(shù)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)試重動(dòng)平衡、減少機(jī)組的啟停次數(shù)提供了可能。[3]

五、系統(tǒng)啟動(dòng)測(cè)試

汽輪發(fā)電機(jī)組的額定工作轉(zhuǎn)速是3000r/min，因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速也定為3000r/min，為保證模擬系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)達(dá)到良好狀態(tài)，需對(duì)剛完成安裝的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)測(cè)試和調(diào)試，以保證高、低壓轉(zhuǎn)子原始的平衡狀態(tài)以及轉(zhuǎn)子的聯(lián)結(jié)對(duì)中是否達(dá)到要求，另外，通過初次啟動(dòng)測(cè)試，觀察轉(zhuǎn)子的支撐軸承及實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)是否達(dá)到使用要求。利用變頻控制器控制電機(jī)升速，過程中監(jiān)測(cè)各段轉(zhuǎn)子水平和垂直方向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)情況。在轉(zhuǎn)速?gòu)?開始逐漸升高達(dá)到1800r/min的過程中，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值不斷加大，其中低壓轉(zhuǎn)子前后水平方向的振動(dòng)最大，1800r/min分別達(dá)到117μm和107μm，通過頻譜圖觀察，振動(dòng)頻率主要為1倍頻，半頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)均沒有出現(xiàn)，并且振動(dòng)相位也未發(fā)生明顯變化，可以判定振動(dòng)是轉(zhuǎn)子原始不平衡造成的。為保護(hù)轉(zhuǎn)子，避免過大的振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐部件和轉(zhuǎn)子本身部件造成損壞，決定對(duì)1800r/min進(jìn)行初步動(dòng)平衡。啟動(dòng)數(shù)據(jù)記錄當(dāng)前振動(dòng)峰值和相位，后經(jīng)對(duì)低壓轉(zhuǎn)子在兩個(gè)端面內(nèi)進(jìn)行試重，利用影響系數(shù)法計(jì)算配重，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加重，再次啟動(dòng)到1800r/min后各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均明顯減小，最大振幅仍在低壓轉(zhuǎn)子前后水平方向，最大為12μm。之后繼續(xù)升速，并繼續(xù)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速升高不斷加大，但始終都在正常范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到3000r/min時(shí)最大振幅在低壓轉(zhuǎn)子前水平方向測(cè)點(diǎn)為124μm。且頻譜主要為1倍頻，無(wú)半頻振動(dòng)，2倍和3倍及其余高頻振動(dòng)均不明顯，振動(dòng)相位變化不大，仍然判定是轉(zhuǎn)子不平衡造成的。經(jīng)過再次平衡后，最大振幅降為9μm。根據(jù)平衡結(jié)果及測(cè)試數(shù)據(jù)分析，軸承工作良好，轉(zhuǎn)子對(duì)中良好，基礎(chǔ)也不存在共振的問題。經(jīng)觀察系統(tǒng)波特圖可看出，模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分別在1100r/min左右和2100r/min左右有比較明顯的振幅峰值，可以判定這兩個(gè)轉(zhuǎn)速是系統(tǒng)的一階和二階臨界轉(zhuǎn)速。經(jīng)測(cè)試確認(rèn)轉(zhuǎn)子、軸承工作正常，轉(zhuǎn)子對(duì)中良好，傳感器信號(hào)正常，數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確，平衡效果優(yōu)良。

六、結(jié)束語(yǔ)

“汽輪機(jī)原理”課程振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工、安裝完成后，經(jīng)啟動(dòng)測(cè)試中確認(rèn)轉(zhuǎn)子、軸承工作正常，轉(zhuǎn)子對(duì)中良好，傳感器信號(hào)正常，數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確；利用影響系數(shù)法進(jìn)行初步動(dòng)平衡，效果良好。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)很好地結(jié)合了生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力起到很好的作用，將教學(xué)與科研有機(jī)融合在一起，對(duì)實(shí)現(xiàn)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：孫晴）