轴系扭振
轴系扭振保护(tsr)的原理,功能与定值原则
轴系扭振保护(tsr)的原理,功能与定值原则轴系扭振保护（Torsional Shaft Oscillation Protection, TSR）是一种用于保护旋转轴系免受扭振损坏的控制技术。
在大型机械设备和发动机中使用轴系扭振保护可以防止扭振引起的破坏性振动和损坏，提高设备的可靠性和寿命。
轴系扭振保护的原理是通过检测旋转轴系的扭振状态，当扭振振幅超过预设值时，通过控制系统采取相应的措施，如减小负载、改变转速或调整阻尼，以降低扭振的振幅和危害。
轴系扭振保护的主要功能是保护旋转轴系免受扭振损坏。
扭振会引起轴系的振动增大，导致轴系元件受到过大的应力，甚至造成脱位或断裂，严重损坏设备。
通过实时监测和控制扭振振幅，轴系扭振保护可以阻止扭振振幅继续增大，从而保护设备免受损坏。
轴系扭振保护的定值原则是根据设备的特性和预期工作条件，设定适当的扭振振幅上限。
通常，扭振振幅上限会根据实际情况进行工程计算或试验确定。
定值原则的目的是使系统在正常工作状态下不受扭振干扰，同时在扭振超过上限时能够及时启动保护措施，保护设备。
从技术上讲，轴系扭振保护需要实时监测旋转轴系的扭振状况。
常见的监测方法包括测量旋转轴系的扭振振幅、相位、频率等参数。
这些监测数据可以通过各种传感器和信号处理技术获取，并送到控制系统进行处理。
控制系统会根据扭振监测数据进行实时计算和判断，判断扭振是否超过设定的上限。
当扭振超过上限时，控制系统会触发相应的保护措施。
常见的保护措施包括调整负载、改变转速、调整阻尼等。
例如，如果扭振振幅超过预设值，控制系统可以通过改变负载来降低扭振振幅。
这可以通过调整机械传动装置或控制电机的负载来实现。
如果调整负载无法降低扭振振幅，控制系统还可以考虑改变转速或调整阻尼等其他措施。
此外，轴系扭振保护还可以与其他保护系统和监测系统相结合，形成完整的设备保护系统。
例如，可以与温度监测系统结合，根据扭振和温度数据判断设备的工作状态，并采取相应的保护措施。
内燃机曲轴系统扭转振动-发动机-扭转-振动
是否可靠
轴系的当量换算
原则：振动特性相同
惯量较大且较集中 的部件
惯量较小且较分散 的部件
阻尼
非弹性的惯量元 件
无惯量的弹性元 件
弹性元件的轴段 阻尼和惯性元件 的质量阻尼
激励载荷只作用在惯性元件上轴系的当量系统图来自对应于圆心角 i 的圆
弧带的转动惯量
Ii' 3i602Li(Ri4-Ri41)
整个曲柄臂的转动惯量
Iwi n13i602Li(Ri4Ri41)
用同样的方法可求得平衡重的转动惯量 综上，单位曲柄（crank）的转动惯量为
IcImIp2Iw2Ib
上述转动惯量可在三维CAD软件中求得
活塞、连杆当量转动惯量的换算
原则：运动动能不变
往复运动质量（mj mpmc1）的运动动能
E K 1 2 m jv 2 1 2 m jR 2 ω 2 (si n 2 s2 in )2
曲柄转动一周，往复运动质量的平均动能
EKm
1
2
2
0 EKd
1 2
mjR2ω2
(1 2
2
8
)
设往复运动质量的当量转动惯量为 I rc ，
2 i
及其对应的特征
矩阵[A]
矩阵[A]的第i列矢量{A}i就是 轴系振动 的第i阶固 有圆频率 Ωi的振形矢量
轴系自由扭转振动 振形图
振形图：各质量在 每阶固有圆频率 Ωi 下的相对振幅
相对振幅：将振形 矢量{A}i的第一个 元素进行归1化 ， 但不改变各质量间 的相对振幅比例关 系
不同的自振频率有 不同的振形图
L1 GJ1
汽轮发电机组轴系扭振保护方法及保护装置
汽轮发电机组轴系扭振保护方法及保护装置在现代电力生产中，汽轮发电机组扮演着至关重要的角色。
然而，轴系扭振这一问题却可能对其安全稳定运行构成严重威胁。
轴系扭振是一种复杂的动力学现象，如果不能得到有效的保护和控制，可能会导致轴系部件的疲劳损坏，甚至引发重大事故，给电力系统带来巨大的损失。
因此，深入研究汽轮发电机组轴系扭振的保护方法及保护装置具有极其重要的意义。
要理解轴系扭振的保护，首先需要明白轴系扭振产生的原因。
汽轮发电机组在运行过程中，可能会受到各种突然的扰动，例如电网故障、短路、甩负荷等。
这些扰动会导致扭矩在轴系中传递的不平衡，从而引发轴系的扭转振动。
此外，机组的设计不合理、制造安装误差、运行参数异常等也可能成为轴系扭振的诱因。
针对轴系扭振的保护方法，主要可以分为主动保护和被动保护两大类。
主动保护方法旨在通过对机组的运行控制来预防或减轻轴系扭振。
一种常见的主动保护策略是优化机组的运行方式。
例如，在电网出现故障或异常情况时，及时调整机组的出力、转速等运行参数，以减少扭矩的冲击和不平衡。
另外，采用先进的控制算法，如自适应控制、预测控制等，对机组进行精确的控制，也能够有效地抑制轴系扭振的发生和发展。
被动保护方法则主要是在轴系扭振已经发生的情况下，通过一些装置和措施来限制扭振的幅值和持续时间，从而保护轴系部件免受损坏。
常见的被动保护装置包括扭振阻尼器和扭矩限制器等。
扭振阻尼器是一种能够增加轴系扭振阻尼的装置。
它通过消耗轴系扭振的能量，来快速衰减扭振的幅值。
常见的扭振阻尼器有液压阻尼器、电磁阻尼器等。
液压阻尼器通常利用液压油在特定结构中的流动来产生阻尼力，而电磁阻尼器则是通过电磁感应原理产生阻尼效果。
扭矩限制器则是在扭矩超过设定值时，通过机械或电气方式切断扭矩的传递，从而保护轴系不受过大扭矩的作用。
例如，机械扭矩限制器可以通过摩擦片的打滑或者剪切销的剪断来实现扭矩的限制，而电气扭矩限制器则可以通过监测扭矩信号并控制相关电路来实现保护功能。
轴系扭振
电信号扰动下的轴系扭振摘要本文用一种改进的Riccati扭转传递矩阵结合Newmark-β方法研究非线性轴系的扭转振动响应。
首先，该系统被模化成一系列由弹簧和集中质量点组成的系统，从而建立一个由多段集中质量组成的模型。
第二，通过这种新发展起来的程序可以从系统的固有频率和扭振响应中消除累计误差。
这种增量矩阵法，联合结合了Newmark-β法改进的Riccati扭转传递矩阵法，进一步应用于解决非线性轴系扭转振动的动力学方程。
最后，将一种汽轮发电机组作为一个阐述的例子，另外仿真分析已被应用于分析典型电网扰动下的轴系扭振瞬时响应，比如三相短路，两相短路和异步并置。
实验结果验证了本方法的正确性并用于指导涡轮发电机轴的设计。
关键词：传递矩阵法；Newmark-β法；汽轮发电机轴；电学干扰；扭转振动1.引言转子动力学在很多工程领域起着很重要的作用，例如燃气轮机，蒸汽轮机，往复离心式压气机，机床主轴等。
由于对高功率转子系统需求的持续增长，计算临界转速和动态响应对于系统设计，识别，诊断和控制变得必不可少。
由于1970年和1971年发生于南加州Edison’sMohave电站的透平转子事故，业界的注意力集中在由传动行为导致的透平发电机组内的轴的扭转振动。
当代的大型透平发电机组单元轴系系统是一种高速共轴回转体。
它是由弹性联轴器连接，由透平转子，发电机和励磁机组成。
电力系统故障或操作条件的变化引起的机电暂态过程可能导致轴的扭转振动，而轴的扭转振动对于设计来说是非常重要的。
对于透平发电机轴系扭振的研究，如发生次同步谐振和高速重合，基本的是对固有频率和振动响应的计算的研究。
当前，有限元法和传递矩阵法是最流行的两种分析轴系扭振的方法。
有限元法（FEM）通过二阶微分方程构造出转子系统直接用于控制设计和评估，而传递矩阵法（TMM）解决频域内的动态问题。
TMM使用了一种匹配过程，即从系统一侧的边界条件开始沿着结构体连续的匹配到系统的另一端。
第六章 轴系扭转振动
各轴段应力尺标 k,k1
k ,k 1k A ,k 1 1 W U k k ,,k k 1 1A 1 1 e s W k ,k k , k 1 1
(ka/P ra ) d
该轴段抗扭截
面模数
应考虑的简谐次数
临界转速 相对振幅矢量和
列Holzer表如下。并根据已知条件将各质量的 无因次转动惯量和各轴段的无因次柔度分别 填入表中第1和第6列；
e12 e23 e34 e45 e56 e67 e78
J1 J2 J3 J4 J5 J6
J8
J7
en-1,n
Jk
Jn-1
Jn
2021/8/22
19
三. 内燃机轴系自由扭振Holzer表计算方法
2021/8/22
12
二.扭振的计算模型与当量转化
刚度计算
直轴的刚度
对材料剪切弹性模量为G，截面极惯性矩为J0，长度为L的轴
段，扭转刚度为：
K＝GJ0，Nmrad
L
弹性联轴器扭转刚度
应采用动态刚度值:K＝dKs
式中：Ks—静刚度值， N.m/rad； d—动态系数。
通常，制造厂应提供弹性联轴器的扭转刚度值
节振动 自振频率N= （次/分） 自振圆频率ω= （rad/s） △=
质1
2
3
4
5
6
7
量 序
k
E E E k k 1 k 1 ,k k 1 ,k k
k
k
k,k1
k1,k
k
k
k ,k 1
k,k1 k,k1
1
1
1
1.0000
1
1
1
1,2
1
1
转轴扭振测量基本原理.
转轴扭振测量基本原理1 转轴扭振测试基本原理[1]图1 转轴发生扭振时的角速度变化图[1]轴系扭振是在轴系的旋转过程中同时发生的运动现象。
轴系正常稳定运行无扭振时，其按某一角速度0ω回转。
当轴系出现扭振时，会在轴截面上相应产生往复扭转变形值弧长 '''BB 或扭角ϕ，此时轴系的回转角速度因扭振引起的交变角速度ωΔ而发生了变化，其瞬时角速度为0ωω+Δ，如图1所示。
按扭振信号的拾取方式分，扭振测量方法主要有两大类，即接触测量法和非接触测量法。
接触测量法是将传感器(应变片等)安装在轴上，测量信号经过集流环或者无线电方式传给二次仪表。
非接触测量一般采用“测齿法”，即利用轴上的齿轮或其他等分结构，由磁电式、涡流式或光电式非接触传感器感受扭振引起的不均匀脉冲信号，通过二次仪表的解调处理后达到测量扭振的目的。
图2 角位移测试原理图[1]扭振角位移测量基于非接触测齿原理，如图2所示。
图2(a)所示为扭振非接触测量信号拾取装置，由齿轮和传感器(如电涡流传感器等)组成，齿轮随轴转动，传感器感应脉冲信号(每个齿轮经过传感器时，将产生一个脉冲信号)。
当轴平稳旋转，亦即无扭振时，传感器将输出如图2(b)所示的均匀的脉冲波，其基本频率为0Z ω×(0ω为转速频率，Z 为齿轮齿数)。
当轴发生扭振时，这个基频分量将被调制成图2(c)所示的疏密相间的脉冲波，并经扭振仪解调后获得图2(d)所示的扭振角位移信号，由此，可测出扭振振幅，经记录并分析得出扭振频率。
2 消除转轴弯曲振动影响的措施[1]图3 消除弯曲振动双接头180度布置图[1]对于小扭幅的扭振信号，为消除转轴弯曲振动的影响，每个测点应装设二只相对180度的传感器如图3所示，由质量不平衡等引起弯曲振动可分解成垂直和水平两方向。
水平方向的弯曲振动对传感器的调制信号无影响，而垂直方向的弯曲振动则会使靠近传感器的齿轮瞬时线速度叠加上一个由该振动形成的附加分量，影响传感器的调频信号。
发动机轴系扭振ppt课件
I1 C12 I2 C23 I3 C34 I4 C45 I5 C56 I6 C67 I7
Internally:
19
IRing IHub
Iweb+CW IMJ
ICP,Rot, Recip IMJ
ICP,Rot, Recip IMJ
ICP,Rot, Recip IMJ
ICP,Rot, Recip IMJ
c1,2 (I1 I1I 2
I2)
;
2 e2,3
c1,2 (I2 I2I3
I3)
11
三自由度扭摆系统
第一主振型 单结振动主振型有一个结点。
第二主振型 双结振动主振型有两个结点。 三质量扭振系统的运动是由以 上两种振型合成的结果。
1 1 sin(et 1) 1 sin(et 2 )
IFW
I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12
I1 I2
CDamper
CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP
汽 车发动机 设 计
1
第三章发动机轴系扭振
3.1 基本概念 3.2 发动机轴系扭振分析 3.3 减振措施
2
2.1 基本概念
共振现象 定义：内燃机轴系由钢材或球墨铸铁制成﹐既有弹性﹐又有
惯性﹐并有自身的固有频率。在简谐性扭矩的激励下﹐它会产 生强迫扭转振动﹐当激励扭矩的频率趋近于轴系的固有频率时
﹐扭振振幅急剧增大。缸数越多，曲轴越长这种现象越明显。
第七章船舶推进轴系的扭转振动与控制
e12
2 n
I
1
A1
2
e23
2 n
I i Ai
i 1
Ak
k 1
Ak 1 ek 1,k
2 n
I i Ai
i 1
0
n
m 1
A Ast
2)
m0
n
3) 1
n
n
m 1
此时阻尼对放大系数的影响最大
4) 2 m 1
n
2 n
1 Ie
增大I或e可使n 下降
时共振
n
tg 1 2n
2 n
2
2
小结： 1）系统自振频率仅与结构有关 n 1/(I e)
1 2 n1
A(1) 1
A(2) 1
A(n1) 1
高速机一般只考虑
1， 2， 3
k
A(1) k
sin(1t
1
)
A(2) k
sin(
2t
2
)
A(n1) k
s
in(
n1t
n1 )
取第一质量作为分离体
S1 U12 0
A
h
h
1
(
2 n
2)2
4n 2
2
2 n
[1 ( n
)2 ]2
n2
4
2 n
(
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
汽轮发电机组的轴系扭振
电力系统的某些故障和运行方式，往往导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动，以致造成轴系某些部件或联轴器的疲劳损坏。
轴系扭振是指组成轴系的多个转子，如汽轮机的高、中、低压转子，发电机、励磁机转子等之间产生的相对扭转振动。
随着汽轮发电机组单机容量增大，轴系的功率密度亦相对增大，以及轴系长度的加长和截面积相对下降，整个轴系成为一个两端自由的弹性系统，并存在着各种不同振型的固有的轴系扭转振动频率。
同时随着大电网远距离输电使系统结构和输电技术愈趋复杂。
由于这两方面的原因，电力系统因故障或运行方式的改变所引起的电气系统与轴系机械系统扭振频率的耦合作用，将会导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动，严重威胁机组的安全运行。
产生轴系扭振的原因，归纳起来为两个方面：一是电气或机械扰动使机组输入与输出功率（转矩）失去平衡，或者出现电气谐振与轴系机械固有扭振频率相互重合而导致机电共振；二是大机组轴系自身所具有的扭振系统的特性不能满足电网运行的要求。
因此，无论产生的原因如何，从性质上又可将轴系扭振分为：短时间冲击性扭振和长时间机电耦合共振性扭振等两种情况。
从原则上讲，电力系统出现的各种较严重的电气扰动和切合操作都会引起大型汽轮发电机组轴系扭振，从而产生交变应力并导致轴系疲劳或损坏，只是其影响程度随运行条件、电气扰动和切合操作方式、频率（次数）等不同而异。
其中影响较大的可归纳为以下四个方面：
1．电力系统故障与切合操作对轴系扭振的影响：通常的线路开关切合操作，特别是功率的突变和频繁的变化；手动、自动和非同期并网；输出线路上各种
类型的短路和重合闸等都会激发轴系的扭振并造成疲劳损伤。
2．发电厂近距离短路和切除对轴系扭振的影响：发电厂近距离（包括发电机端）二相或三相短路并切除以及不同相位的并网，都会导致很高的轴系扭转机械
应力。
例如在发电机发生三相短路时，短路处电压下降接近于零，于是在短
路持续时间内，一方面与短路前有功负荷对应的同步电磁转矩接近于零，同
时发电机因短路并以振荡形式出现的暂态电磁转距将激发起整个轴系的扭
转振动。
3．电力系统次同步振荡对轴系扭振的影响：在电力系统高压远距离输电线路上，当采用串联补偿电容用以提高输电能力时，该电容器同被补偿的输电线
路的电感，将构成L-C回路（略去回路电阻）并产生谐振。
当电网频率与上
述的谐振频率的差值与轴系某一机械固有扭振频率相同或接近时，则上述的
电气谐振与机械扭振合拍并相互激励，从而给机组轴系的安全运行构成严重
的威胁。
由于电气谐振频率低于电网频率，通常称为次同步振荡。
4．电力系统负序电流对轴系扭振的影响：发电机定子绕组中的负序电流可由三相负荷不平衡、各种不对称短路、断线故障引起。
负序电流相当于一个外力
源，因此由负序电流产生的轴系扭振有别于上述的自激扭振，并称之为强迫
扭振。
负序电流在电机中产生的旋转磁场与转子的励磁磁场相互作用，并产
生交变转矩作用在轴系上，如果这一交变转矩的频率同机组轴系某一个固有
的扭振频率重合，就会激发起轴系的扭振。
预防和抑制轴系扭振的措施可以从设计制造、运行方式，机—电配合、在线监测等几个方面针对不同的情况采取相应的措施。
设计制造，是指包括汽轮发电机轴系扭振频率、绕组的设计、选材、工艺和机械加工以及输电系统的线路的结构方式、继电保护、控制手段以及串联电容补偿方式的设计与选择
等。
例如：轴系的结构尺寸和刚度要考虑避免机—电谐振合拍，使轴系固有的扭振频率避开对应出现的谐振频率，一般倍频要求避开±7HZ，工频要求避开±15HZ。
电网的规划设计如需采用串联电容补偿方式，在考虑满足电力系统稳定的同时，还要考虑避开可能出现的激发轴系扭振的谐振频率或采取相应的抑制措施。
运行方式，是指在满足输电的条件下，尽量避免采用前述的可能导致高轴系扭振应力的运行方式。
例如，尽量避免使机组输出的有功功率发生±0.5(标么值)突变量的正常线路的切合操作(包括甩负荷).
在线监测,是利用机组扭振在线监测装置准确测量系统冲击所造成的轴系扭振的损伤国外的一些大型汽轮发电机组，根据系统的需要所配备的扭振在线监测装置（简称TSA，于1977年在欧洲投入使用），是防止机组出现过大扭应力和疲劳损伤的有效手段。
对于运行人员来说，轴系扭振不象机组的横向机械振动那样易于感受和发现，但应注意遇到电力系统大的扰动如发电机短路、机组甩负荷等可能造成的轴系扭振损坏。
经验证明：在轴系扭振造成轴系某些部件损坏时，都伴随着机组振动的变化。
严格监视机组的振动变化，尤其是机组受到电力系统重大扰动时引起的振动变化，在一定程度上可以监督轴系的扭振造成的轴系损坏。