淺談電廠汽輪機轉子振動信號處理與故障診斷

1、廣東xxx大學xxx畢業(yè)設計(論文)任務書課題名稱電廠汽輪機轉子振動信號處理與故障診斷學 院自動化學院專 業(yè)電廠熱能動力工程姓 名xxx學 號bxxxx9一、畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容1.文獻綜述2.振動原理概述3.汽輪發(fā)電組軸系穩(wěn)定性4.電廠振動常用探測手段與探測方法5.振動數(shù)據(jù)分析與處理方法介紹6.汽輪機組故障的分析、診斷二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數(shù)據(jù)1.大量閱讀汽輪機診斷方面的相關文獻，明確課題的研究目的研究意義和研究方法，了解國內(nèi)外的在該領域的發(fā)展狀況，存在的問題以及可行性方法的提出。2.了解振動原理的基本知識3.掌握汽輪機的工作原理以及汽輪機發(fā)電機組的軸系穩(wěn)定性4.熟悉常用測振原理與測

2、振方法5.掌握一種以上信號處理的方法6.了解振動實驗的數(shù)據(jù)提取過程7.熟練應用工程軟件進行數(shù)據(jù)分析處理以及作圖。三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作1.閱讀與收集相關資料，完成論文綜述內(nèi)容2.電廠實習期間收集現(xiàn)場的測振知識、現(xiàn)場故障分析知識，完善實踐內(nèi)容 3.學習振動原理與振動故障診斷的知識、學習數(shù)據(jù)分析處理的知識、學習工程應用軟件，完成論文原理內(nèi)容4. 采用工程應用軟件進行計算機編程繪圖，完成數(shù)據(jù)分析處理、結論等內(nèi)容，初稿完成5. 撰寫論文，完成畢業(yè)論文四、畢業(yè)設計（論文）進程安排序號設計（論文）各階段名稱地點起止日期1查閱相關文獻學校3.1-3.152收集現(xiàn)場資料xx電廠3.16-3.293學

3、習原理知識學校3.29-4.264編程繪圖分析學校4.27-5.75撰寫畢業(yè)論文學校5.4-5.216畢業(yè)答辯學校5.22-5.23五、應收集的資料及主要參考文獻(1)陸頌元，汽輪發(fā)電機組振動，中國電力出版社，2000 (2)李錄平，汽輪機組故障診斷技術，中國電力出版社，2001 (3)應懷樵，波形和頻譜分析與隨機數(shù)據(jù)處理，中國鐵道出版社，1983 (4)陳亞勇，matlab信號處理詳解，人民郵電出版社，2001 (5)李至斌，夏本春，滾動軸承故障的綜合診斷，煤炭科技，2002，1 (6)南京工學院數(shù)學教研組，工程數(shù)學積分變換，人民教育出版 社,1978 (7) 王肇琪，付勤毅，滾動軸承故障的

4、振動檢測方法，中國期刊網(wǎng)，1999 發(fā)出任務書日期：2008年3月10日 完成期限：2008年5月21日指 導 教 師：xxx 日 期：2008年3月10日系 （所）主 任： 主管院長：學院自動學院專業(yè)電廠熱能動力工程畢業(yè)時間2008年6月學號b0822029學生姓名xxx班級xxx周數(shù)6周起止日期3.55.20指導教師xxx 職稱講師設計（論文）題目電廠汽輪機轉子振動信號處理與故障診斷指導教師評語建議成績指導教師簽名年 月 日評閱人評語建議成績評閱人簽名年 月 日答辯小組評語綜合成績(5級記分制)答辯小組負責人簽名 年 月 日廣東工業(yè)大學?？粕厴I(yè)設計（論文）考核評議表注：本表一式三份，分別

5、存入學校、學院和學生檔案，必須用藍、黑色鋼筆填寫或打印。廣東工業(yè)大學?？粕厴I(yè)答辯記錄學院:自動化學院 專業(yè):電廠熱能動力工程 答辯人:xxx 學號:bxxxx9畢業(yè)設計（論文）題目: 電廠汽輪機轉子振動信號處理與故障診斷記錄人_答辯小組成員：_說明：1.主要記錄答辯委員所提的問題及答辯人對問題的回答。2.本記錄與畢業(yè)設計（論文）考核評議書留院系保存。記 錄 內(nèi) 容1.請對你所做的論文內(nèi)容以及結論做個簡要介紹。答：隨著汽輪機單機容量的增大，汽輪發(fā)電機組系統(tǒng)越來越復雜，引起汽輪發(fā)電機組事故原因越多，嚴重地威脅著電廠設備和人身安全及損害電廠經(jīng)濟效益。而振動信號是設備狀態(tài)信息的載體，蘊含了豐富的設備

6、異?；蚬收系男畔ⅲ駝犹卣魇窃O備運行狀態(tài)好壞的重要標志，所以本文主要研究了汽輪發(fā)電機組的振動分析，以達到汽輪發(fā)電機組故障的診斷。其研究方法主要是基于基本科學，利用數(shù)學和物理理論知識，及電子技術等綜合分析方法研究振動的。首先從基本上對振動原理作了概述，其次分析了汽輪發(fā)電機組軸系的穩(wěn)定性和電廠振動常用的探測手段和其組成設備及探測方法，然后介紹了振動信號分析與處理常用方法其中包括有：時域分析、傅里葉分析、短時傅里葉分析、小波分析及常用的事故診斷方法包括有波形分析、頻譜分析析、軸心軌跡分析、啟停過程分析方法，最后分析了常見的汽輪發(fā)電機組故障，并利用波形圖分析和軸心軌跡分析對這些故障進行分析、診斷。通過

7、研究振動來及早發(fā)現(xiàn)汽輪發(fā)電機組故障，找出解決故障的方法，避免事故的發(fā)生。2.常用的對汽輪機轉子振動信號分析和處理的方法有哪些？答：常用的對汽輪機轉子振動信號分析和處理的方法有：時域分析、傅里葉分析、短時傅里葉變換、小波變換、波形分析、頻譜分析、軸心軌跡分析、啟停過程分析等。3.電廠汽輪機轉振動故障可能有哪些？答：電廠汽輪機振動故障可能有：轉子不平衡、轉子不對中、碰磨、軸承松動、轉子裂紋、油膜渦動、油膜振蕩等。4.請簡要解釋軸系穩(wěn)定的基本知識。答：軸系穩(wěn)定即軸系平衡，是指汽輪發(fā)電機組各轉子連接一個軸系后的平衡，目前國內(nèi)制造廠常是僅進行單個轉子的低速或高速動平衡，軸系平衡需要電廠進行。影響轉子平衡

8、狀態(tài)的因素有以下四個：支承條件的不同、臨界轉速的改變、振型的改變、靠背輪的對中不正和熱狀態(tài)的不同。常用的軸系平衡方法有：（1）分別地應用單轉子的平衡方法來對各個轉平衡；（2）使用最小二乘影響系數(shù)對多轉子的多測點系統(tǒng)進行平衡。5.畢業(yè)設計有何心得體會？答：在做這個畢業(yè)設計過程中，我查閱了許多相關的專業(yè)書、期刊，閱讀了許多著名的論文，從中不斷地獲得重要的材料。在老師的指導和同學的請教下，通過自己的努力鉆研，由最初粗淺的理解逐漸深入理解汽輪發(fā)電機組事故分析、診斷，并最終得以完成設計。通過這次畢業(yè)設計，我不僅對本課題有了深刻的理解，還從中鍛煉了自己的學習能力，同時明白了做學術研究需要一種實事求是、一絲

9、不茍的學術精神。這將對我日后的學習、工作帶來重大的影響，使我受益非淺。摘要隨著汽輪發(fā)電機組容量不斷增大，結構越來越復雜，各個零部件之間的聯(lián)系更加緊密，雖然引起機組振動的原因也更趨多樣化，復雜化，但振動狀態(tài)仍是衡量機組運行狀況好壞的一個重要標志。因此，研究汽輪發(fā)電機組振動故障診斷技術對機組的安全穩(wěn)定運行有著十分重要的意義和巨大的經(jīng)濟效益。本文在了解、闡述旋轉機械基本振動原理和汽輪發(fā)電機組軸系穩(wěn)定性的理論基礎上，重點介紹了振動測量系統(tǒng)的組成和測量方法及介紹基于傅立葉數(shù)學理論、matlab軟件技術而來時或分析法、波形分析法、頻譜分析法、軸心軌跡分析法等振動數(shù)據(jù)與處理方法。最后分析常見振動事故的特征，

10、并應用上述方法進行了幾個振動事故實例分析。希望通過本文的講述能給人對汽輪發(fā)電機組振動事故分析有一個比較系統(tǒng)的認識。關鍵詞：汽輪發(fā)電機組 振動 診斷 abstract with the growing capacity of turbine, structure more complex, the links between various parts more closely, although the reasons for the vibration caused unit also more diversified and complicated, but the vibration i

11、s a measure of the operation of unit an important sign of good or bad. therefore, the study turbine vibration fault diagnosis technology to the safe and stable operation of generating units is very important and great economic benefits. based on the understanding of vibration on the basic principle

12、of rotating machinery and turbine shaft stability on the basis of the theory, focusing on the vibration measurement system and the composition and method of measurement based on fourier, and other mathematical theory, matlab software technology from or analysis, waveform analysis, spectrum analysis,

13、 orbit analysis, such as vibration data and processing methods. finally, common vibration characteristics of the accident, and application of these methods are a few examples of vibration analysis of the accident. hope that through this paper can give the people on the vibration of the accident have

14、 a system of understanding.key words: turbine vibration diagnosis目錄廣東工業(yè)大學專科生畢業(yè)設計(論文)任務書i廣東工業(yè)大學?？粕厴I(yè)設計（論文）考核評議表iii廣東工業(yè)大學?？粕厴I(yè)答辯記錄iv摘要vi目錄vii緒論11.課題研究目的意義任務12. 國外研究進展，國內(nèi)研究進展13.振動測量的設備技術現(xiàn)狀和常用的振動方法理論34.事故振動分析存在的問題34.1傳感器技術問題34.2多故障診斷方法的問題35.本課題的主要內(nèi)容4第一章振動原理概述51振動的基本概念52.汽輪發(fā)電機組的振動53.機組振動的評價標準54.機組發(fā)生振動的原因

15、64.1引起強迫振動的的原因64.2引起自激振動的原因74.3引起軸系扭振的原因8第二章汽輪發(fā)電機組軸系穩(wěn)定性91.軸系平衡的重要性91.1支承條件的不同101.2臨界轉速的改變111.3振型的改變111.4靠背輪的對中不正效應和熱狀態(tài)的不同112.軸系平衡的要求和方法12第三章電廠振動常用探測手段與探測方法151.振動測量系統(tǒng)的組成151.1測振儀器的主要技術性能152.在電廠常用的振動測量系統(tǒng)之一162.1電渦流位移傳感器172.2非接觸式位移振幅測量儀182.3磁帶記錄儀183.我國電廠常用的測量方式193.1離線定期監(jiān)測方式193.2在線檢測離線分析的監(jiān)測方式193.3自動在線監(jiān)測方式

16、19第四章振動數(shù)據(jù)分析與處理方法介紹211.時域分析212.傅里葉分析213短時傅里葉變換224小波變換22第五章汽輪機組故障振動分析、診斷方法231.波形分析方法232.頻譜分析方法243軸心軌跡分析方法244.啟停過程分析方法255.三維譜圖分析方法26第六章汽輪機組故障的分析、診斷281.轉子不平衡281.1轉子質(zhì)量偏心、部件缺損的振動特征281.2示例分析292.轉子不對中302.1轉子不對中故障的振動特征和敏感參數(shù)302.2示例分析313.轉子碰磨323.1轉子碰磨故障的振動特征323.2示例分析334.轉子軸承系統(tǒng)松動334.1轉子軸承系統(tǒng)松動的振動特征344.2示例分析34總結與

17、展望35參考文獻36致謝37緒論1.課題研究目的意義任務隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，電網(wǎng)容量不斷增加，用于發(fā)電的動力設備汽輪機單機容量隨之增大。汽輪發(fā)電機組的振動也隨機組的增大變得越來越受不可忽視，因為汽輪發(fā)電機組的異常振動嚴重的影響電廠設備和人身安全及電廠經(jīng)濟效益。一般來說，機組的振動是不可以避免，但由于機組的缺陷或某部件損壞會造成機組的振動加劇，這樣可能使轉動部件和靜止部件部件摩擦或咬合，導致機組嚴重損壞而被迫停機。同時，振動過大可能使發(fā)電機碳刷磨損加劇，有時甚至可能引起汽輪機危急保安器發(fā)生,嚴重的話會造成轉軸斷裂、汽輪機飛車事故。如1972年日本關西電力公司海南電廠3號600m

18、w汽輪機發(fā)電機能和1988年我國秦嶺電廠的200mw汽輪發(fā)電機組的嚴重斷軸毀機事件。振動信號是設備狀態(tài)信息的載體，蘊含了豐富的設備異?；蚬收系男畔?，振動特征是設備運行狀態(tài)好壞的重要標志，因此利用監(jiān)測機組的振動情況來進行故障診斷是電廠常用的方法之一，更是防止事故發(fā)生有效的方法之一。汽輪發(fā)電機振動故障診斷系統(tǒng)是許多國家多年來致力研究、開發(fā)的設備故障診斷系統(tǒng)之一，并取了很大了成效。有效地減少了汽輪發(fā)電機組的事故，一定程度地提高電廠的經(jīng)濟效益。2. 國外研究進展，國內(nèi)研究進展 從一些國家的旋轉機械的檢修的歷史和現(xiàn)狀來看，故障診斷技術的發(fā)展大致經(jīng)歷了事后維修、預防性檢修、預測性維修三個階段。在18世紀及

19、19世紀時期，由于機組設備本身的技術水平和復雜程度很低，設備的利用率和設備的維修費用問題尚未引起人們的注意，對設備事故也缺乏認識。因此，對設備的管理采取的是出現(xiàn)事故之后才維修的方式，即事后維修方式。這種維修方式是被動的，當災難事故發(fā)生后，要造成很大的經(jīng)濟損失和危及人身安全。進入20世紀以后，生產(chǎn)方式起了很大變化，加上出現(xiàn)了預防性維修的方式，它力圖在機器發(fā)生事故之前就進行維修和更換零件、部件。但這種定期性預防維修的修理間隔主要是根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計資料，維修只能保持在較低的水平，很難預防由于隨機因素引起的偶然事故，而且汽輪發(fā)電機組振動故障本身又十分復雜，零部件多以及影響因素多，從而不可避免地要產(chǎn)生“過

20、剩維修”。實踐表明，在相當多的情況下，頻繁拆卸換零件非但不能改善機組設備的性能，反而每次裝復后故障率比較高，所以常常得不到預期的效果。70年代以后，隨著計算機技術、電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了適用完善的監(jiān)視和分析診斷系統(tǒng)，對設備運轉情況進行在線監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)機能的異?，F(xiàn)象，預測設備可能會出現(xiàn)的故障的維修部方式。這種維修部方式稱為預測性維修。由于在預測性維修前準備充分，又判斷出機組的故障及其發(fā)生的部位，所以可大大減少維修所用的時間。當時，比較出名的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)有美國公司的“可移動診斷中心”和日本三菱公司的“旋轉機械健康管理系統(tǒng)”。80年代以后，隨著監(jiān)測技術、計算機技術、電子技術和通訊技術的發(fā)

21、展，以及模糊數(shù)學、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術和小波分析理論等在故障診斷的應用，設備故障診斷技術從理論到實際應用都有了新的發(fā)展，已形成一門集數(shù)學、物理、力學、化學、電子技術、計算技術、信息處理和人工智能等各種現(xiàn)代科學技術于一體的綜合性極強的智能化故障診斷技術。這種智能化故障診斷技術逐漸由理論轉變?yōu)閷嵺`。國外的研究成果有美國性bently nevada coration (bnc)系列產(chǎn)品、scientific atlanta 公司的m6000系統(tǒng)以及日本三菱公司的 mhm 系統(tǒng)等。在我國雖然起步比較慢，經(jīng)過30多年的發(fā)展，振動診斷涉及的領域最廣、理論基礎最為雄厚、研究得最為充分而最具生機和活力。由于

22、計算機技術的發(fā)展，目前可用于振動測試的設備十分豐富，從少通道(1一2通道)、較低采樣頻率(10khz)、較低精度(sbits)、只有簡單的分析功能的低價位簡易設備到多通道(可達256通道甚至更多)、超高速(1一zoomhz)、超高精度(16一 24bits)、超大容量(幾個g)的巨型系統(tǒng)應有盡有。對于振動信號的采集來說，目前的計算機技術己足以勝任各種場合的需要。在硬件技術突飛猛進發(fā)展的同時，軟件技術日新月異的進步也極大地促進了信號分析與處理技術的發(fā)展。在振動信號的分析處理方面，除了經(jīng)典的統(tǒng)計分析、時頻域分析、時序模型分析、參數(shù)辨識外，近來又發(fā)展了頻率細化技術、倒頻譜分析、共振解調(diào)分析、三維全息

23、譜分析、軸心軌跡分析以及基于非常平穩(wěn)信號假設的短時傅立葉變換和小波變換等。目前，隨著國際新一輪設備故障的研究發(fā)展，振動信號的分析處理技術還在不斷的發(fā)展之中，新的理論和技術還將不斷涌現(xiàn)，多參量、多故障的綜合診斷己經(jīng)興起即人工智能的研究成果為機械故障診斷注入了新的活力。人工智能的另一個重要分支人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究也逐步滲透到機械故障診斷領域，并己成為機械故障診斷領域的一個最新研究熱點，但目前還多處于研究室實驗階段，應用成功實例還不多見，最近又有人探索將人工神經(jīng)網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)結合起來，建造神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)。初步的研究結果表明，這種新型的專家系統(tǒng)能較好地克服傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡各自獨立的缺

24、陷而具有很多優(yōu)點。我國從事人工智能這方面也積極的探索研究，并取得了一定的進展，具體成果有鄭州工業(yè)大學的mmds一9000系統(tǒng)、重慶大學的cdms一8900系統(tǒng)以及西北工業(yè)大學的md39oo系統(tǒng)等。3.振動測量的設備技術現(xiàn)狀和常用的振動方法理論傳感技術.由于汽輪機組工作環(huán)境的特殊性(高溫、高壓、高應力),所以在汽輪機組故障診斷系統(tǒng)中,對傳感器的性能要求很高,所以在汽輪機組故障診斷系統(tǒng)中,對傳感器的性能要求很高.目前,對傳感器的研究,主要是提高傳感器性能的可靠性、開發(fā)新型傳感器,以及研究如何診斷傳感器故障以減少誤診率和漏診率等方面問題.當前,許多學者正在研究利用多傳感器信息融合技術來診斷故障,提高

25、對故障的分辨率.在信號分析與處理研究領域中,最具有吸引力的是振動信號的分析與處理.汽輪機組故障診斷系統(tǒng)中的振動信號處理大多采用快速傅立葉變換.快速傅立葉變換的思想在于將一般時域信號表示為具有不同頻率的諧波函數(shù)的線性疊加,它認為信號是平穩(wěn)的,所以,分析出的頻率具有統(tǒng)計不變性.快速傅立葉對很多平穩(wěn)信號的情況具有適用性,因而得到了廣泛的應用.但是,實際中的很多信號是非線性的,所以為了提高分辨精度,新的信號分析與處理方法成為該領域的重要研究課題.目前,正在研究的信號分析與處理的方法有短時傅立葉變換、小波變換等.4.事故振動分析存在的問題4.1傳感器技術問題由于汽輪發(fā)電機組工作環(huán)境惡劣，常因傳感器故障而

26、引起誤診和漏診現(xiàn)象，高性能的傳感器有待研究開發(fā)。4.2多故障診斷方法的問題由于汽輪發(fā)電機組自身的特點，它是一個多故障系統(tǒng)，并且經(jīng)常出現(xiàn)多種故障同時發(fā)生的情況。目前對于多故障的診斷問題，還未能很好的解決。原因很多。第一，系統(tǒng)復雜，對于多故障的研究還不夠深入；第二，在工程實際中，多機組同時運行，互相影響，多故障發(fā)生的機會增多，診斷分析更加困難；第三，診斷方法不夠成熟。由于規(guī)則和知識庫的限制，專家系統(tǒng)等人工智能方法對多故障的處理也顯得力不從心，在神經(jīng)網(wǎng)絡診斷技術中，如果將各種多故障的組合作為訓練樣本，將使得網(wǎng)絡規(guī)模非常龐大，網(wǎng)絡的歸納、聯(lián)想能力將大幅度下降，甚至完全失敗。因此，研究多故障診斷的方法是

27、目前診斷問題所迫切需要的，也是診斷問題求解發(fā)展的必然趨勢。5.本課題的主要內(nèi)容本課題為了更深刻地了解汽輪發(fā)電機組振動問題，首先從基本上對振動原理作了概述，然后分析了汽輪發(fā)電機組軸系的穩(wěn)定性和電廠振動常用探測手段和其組成設備及探測方法，最后介紹了振動信號分析與處理常用方法其中包括有：時域分析、傅里葉分析、短時傅里葉分析以及小波分析及常用的事故診斷方法包括有波形圖分析、頻譜分析、軸心軌跡分析、啟停過程分析方法，最后分析了常見的汽輪機組故障，并利用波形圖分析和軸心軌跡分析對這些故障進行分析、診斷。第一章振動原理概述1振動的基本概念振動就是物體圍繞平衡位置做往復運動，其有三要素：振幅、頻率、相位。其中

28、振幅可以使用位移振幅、速度振幅和加速度振幅3個物理量表示。2.汽輪發(fā)電機組的振動汽輪發(fā)電機組在運行中振動的大小，是機組安全和經(jīng)濟運行的重要指標，也是判斷機組檢修質(zhì)量的重要指標。若振動過大，可能造成嚴重危害和后果，主要有以下幾個方面：（1）使轉動部件損壞。機組振動過大時，葉片、葉輪等轉動部件上會產(chǎn)生很大的應力，導致疲勞損壞。（2）使連接部件松動。機組發(fā)生過大振動，將使與其相連的軸承座、主油泵、凝汽器等發(fā)生強烈振動，引起螺栓松動甚至斷裂，從而造成重大事故。（3）使機組動、靜部分摩擦。如軸端汽封與軸的摩擦，輕則使汽封磨損，間隙增大，漏汽損失增加，汽輪機相對內(nèi)效率降低，嚴重時會造成主軸彎曲。（4）引起

29、基礎甚至廠房建筑物的共振損壞。（5）有可能引起危急保安器誤動作而發(fā)生停機事故。由此可知，為保證機組長期安全運行，必須將它的振動幅度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。3.機組振動的評價標準機組的振動值一般用軸承的振幅或軸的振幅大小來衡量。振動允許值隨機組的不同而不同，一般的振動標準見表1.1。表1.1 汽輪發(fā)電機組振動標準機組轉速（r/min） 軸承的雙峰振幅（mm） 優(yōu)秀 良好 合格3000. 0.02 0.03 0.05 1500 0.03 0.05 0.07雙峰振幅是測點單個振幅的2倍，也稱全振幅或峰峰值，取軸承垂直、水平和軸向三個方面上的最大測量值。由于受到軸承及油膜剛度等的影響，在軸承上測得的振幅不能

30、完全反映出轉動部分的振動情況，因此還應該直接測量轉子的振動數(shù)值作為振動標準才合理的。國家規(guī)定了3000r/min汽輪機軸承和軸的振動標準，見表1.2表1.2 軸承和軸的振動評價標準評價優(yōu)良正常合格需重新找平衡允許短時運行立即停機全振幅（mm）軸承0.01250.020.0250.030.030.0580.050.050.063軸0.0380.0640.0760.0890.1020.127 0.1524.機組發(fā)生振動的原因機組的振動的原因是多方面的，也是十分復雜的，它與機組的制造、安裝、檢修和運行水平等有直接的關系。機組振動包括強迫振動、自激振動和軸系扭振。下面簡單介紹引起機組振動的常見原因。4

31、.1引起強迫振動的的原因4.1.1轉子質(zhì)量不平衡加工檢修偏差、個別元件斷裂、松動、轉子被不均勻磨損及葉片結垢等均會使轉子產(chǎn)生質(zhì)量偏心，引起機組發(fā)生強迫振動。轉子質(zhì)量不平衡引起的振動，特點是振動頻率與轉子的轉速一致知，相位穩(wěn)定?，F(xiàn)場發(fā)生的振動中，較多的是這一種。4.1.2轉子彎曲（1）啟動過程中，盤車或曖機不充分、升速或升負荷過快，以及停機后盤車不當，使轉子沿徑向溫度分布不均勻而產(chǎn)生熱彎曲。（2）轉子的材質(zhì)不均勻或有缺陷，受熱后出現(xiàn)熱彎曲。（3）動靜部分之間的碰磨使轉子彎曲。4.1.3轉子中心不正當聯(lián)軸器平面與主軸中心線不垂直（稱為瓢偏），或轉子在連接處不同心，在旋轉狀態(tài)下都會產(chǎn)生引起振動的擾動

32、力，從而引起機組振動。4.1.4轉子支承系統(tǒng)變化若軸瓦或軸承座松動、安裝著軸承的汽缸變形、機組基礎框架不均勻下沉、軸承供油不足或油溫不當使油膜遭到破壞，都會使軸系的受力發(fā)生變化，引起機組的振動。4.1.5電磁力不平衡發(fā)電機轉子與定子間間隙不均勻或轉子線圈匝短路時，磁場為分布不均勻，引起振動。4.2引起自激振動的原因振動系統(tǒng)通過本身的運動不斷向自身饋送能量，自己激勵自己，這樣產(chǎn)生的振動稱為自激振動。引起機組自激振動的原因主要是油膜自激和間隙自激，它們引起的振動分別為油膜振蕩和間隙自激振動。間隙自激振動的產(chǎn)生原因為：當汽輪機轉子與汽缸不同心時，動、靜部分徑向間隙不均勻。間隙小的側漏汽量小，作用于葉

33、片上的力就大；相反，間隙大的一側葉片上的力就小。這樣，葉輪上產(chǎn)生了不平衡的力，兩側的合力不為零。當合力的切向分力增加，又使渦動加劇。周而復始，形成自激振動。消除間隙自激振動的措施有：（1）改善轉子與汽缸的同心位置，以減小激振力；（2）減小軸承間隙，增加潤滑油粘度等，以增加阻尼。4.3引起軸系扭振的原因機組穩(wěn)定運行時，作用在其軸系上的汽輪機的蒸汽力矩和發(fā)電機的電磁力矩相平衡。當受到瞬間沖擊扭矩和周期性交變扭矩作用時，軸系將產(chǎn)生扭轉振動，在轉軸上產(chǎn)生交變的扭應力，造成疲勞損壞，影響轉子的使用壽命。引起軸系扭振的原因有汽輪機組和電氣系統(tǒng)兩方面。4.3.1汽輪機組方面汽輪機組故障或操作使蒸汽力矩迅速發(fā)

34、生變化，將對軸系扭矩平衡造成沖擊，引起扭振。（1）汽輪發(fā)電機組突然甩負荷。正在穩(wěn)定運行的機組，如果甩負荷，電磁力矩將突然減小或等于零。而汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作需要時間，蒸汽力矩的減小略為滯后，造成了力矩的極大不平衡，引起扭振。（2）汽輪機調(diào)節(jié)閥快速控制。在調(diào)節(jié)閥快關一快開或慢開過程中，蒸汽力矩與電磁力矩不平衡，對軸系產(chǎn)生沖擊。（3）調(diào)節(jié)系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)。4.3.2電氣系統(tǒng)方面在電力系統(tǒng)短路、快速重合閘、非同期并網(wǎng)及三相電力負荷不平衡等情況下，電磁力矩會發(fā)生突變或振蕩，激起軸系扭振。軸系扭振會加快轉軸疲勞壽命的損耗、造成軸系零部件的損壞及低壓級葉片的疲勞損壞。因此，應改進機組與電力系統(tǒng)結構設計，完善和加

35、強保護、監(jiān)測和運行，以防止扭振的發(fā)生及減小其影響。第二章汽輪發(fā)電機組軸系穩(wěn)定性汽輪發(fā)電機組軸系是由多個轉子連接而成的，面對多個臨界轉速，同時軸系平衡單個轉子平衡變得更為復雜，因而軸系穩(wěn)定性變得更難維持。下面主要敘述軸系平衡的重要性，要求及方法。1.軸系平衡的重要性軸系平衡是指汽輪發(fā)電機組各轉子連接一個軸系后的平衡，目前國內(nèi)各制造廠常是僅進行單個轉子的低速或高速動平衡，軸系平衡需要電廠進行。各個單轉子在制造廠經(jīng)過了仔細平衡后，但在電廠軸系運行條件下還會由于轉子外伸端狀態(tài)的變化，支承條件的不同，臨界轉速和振型的改變，靠背輪的對中不正效應，熱狀態(tài)（帶負荷）的不同等導致平衡狀態(tài)的變化。汽輪發(fā)電機組各轉

36、子之間是用剛性或半撓性靠背輪相連接的，轉子的外伸端在軸系中已不是自由端，其結果是使得轉子抗彎剛度增大，當然參振質(zhì)量亦有所增加。但前者因素在一般情況下是主要的，因此使得軸系臨界轉速增高，振型亦改變。表2.1及圖2.1給出了某300mw機組的單轉子和軸系轉子的各臨界轉速值以及振型圖。軸系臨界轉速的階數(shù)一般是根據(jù)計算機上先后算出的次序從小到大來排列的，即軸系第一階臨界轉速是軸系中最小的臨界轉速。圖2.1 某300mw機組轉子的振動表2.1 某300mw機組的臨界轉速性質(zhì)支承 名稱 轉子 單轉子臨界轉速（r/min）軸系臨界轉速（r/min）彈性支承剛性支承彈性支承高壓轉子中壓轉子低壓一轉子低壓二轉子

37、發(fā)電機一階發(fā)電機二階3891285955535632940296431942388334433578892590335425689362623現(xiàn)討論相互間有聯(lián)系的前面四個因素對于轉子平衡狀態(tài)的影響：1.1支承條件的不同各轉子的臨界轉速值是隨著支承度的減弱(彈性增加)面下降的，并且這種支承剛度的影響是隨著各轉子臨界轉速階數(shù)的增加而增加。例如支承剛度的改變對于發(fā)電機二階臨界轉速的影響要較一階臨界轉速為大，其原因是對于同一彈性支承，其動剛度是隨著轉速的增加面降低的；一般電廠的支承剛度(包括基礎)與制造廠不同。尤其是汽輪機制造廠的轉子動平衡工作并不位于轉子實際運行的自身軸承中進行，因此電廠的實際支承條

38、件影響是有其重要性的。1.2臨界轉速的改變?nèi)绻麑⒏鲉蝹€轉子的臨界轉速值亦由小到大順序排列,則軸系臨界轉速的各階值都要較相應的各個單轉子為高;并且可發(fā)現(xiàn),軸系臨界轉速和各個單轉子的臨界轉速是互有聯(lián)系的,它的各階值都受到各單轉子的影響。軸系第一階臨界轉速接近發(fā)電機轉子的一階臨界轉速,因而在軸系第一臨界轉速的振型和振動中發(fā)電機轉子的振型和振動相對的來說是主要影響因素，而其它轉子的振型和振動則是次要的,因此常稱這階軸系臨界轉速和振型為發(fā)電機一階型的;與此類似可得在軸系二、三、四階振型和振動中,中壓轉子,發(fā)電機轉子和高壓轉子依次出現(xiàn)較其他轉子影響顯著的振型和振動;因而可將這些階的軸系臨界轉速和振型相應地

39、稱為中壓轉子型,發(fā)電機轉子二階型以及高壓轉子型。有時為方便計亦可將“型”字省略,如表2-1所示。1.3振型的改變轉子振型和臨界轉速是相互聯(lián)系的,一般面言:單轉子連成軸系后臨界轉速改變越大,則其相應的臨界轉速下的振型差別也越顯著。計算和試驗表明:在電廠軸系中,各轉子的一階振型與各該單轉子的一階振型差別不大亦即各轉子間的相互影響以及支承剛度影響不大。但對于二階振型則較復雜,有時二者相差很大。因此由于振型的改變,平衡狀態(tài)會相應地發(fā)生變化,即使單個轉子在制造廠已經(jīng)平衡好,連成軸系后亦可能產(chǎn)生新的不平衡。某一軸系的計算示例表明:對于一階振型連成軸系后的平衡質(zhì)量和單跨時相比相差1.8%,而對于二階相差達1

40、0.7%,階數(shù)更高,則差別可能更大。機組容量增大后,有影響的階數(shù)增加。對于小機組來說可以不進行軸系平衡,但對于大容量機組,電廠的軸系平衡常是必要的。1.4靠背輪的對中不正效應和熱狀態(tài)的不同靠背輪的對中不正會產(chǎn)生靜變形（撓度），靜變形在旋轉時將產(chǎn)生旋轉的強迫振動，并且在轉子旋轉時由于此靜變形還要產(chǎn)生動撓度。而轉子熱狀態(tài)的不同會導致轉子產(chǎn)生熱變形，造成強迫振動。2.軸系平衡的要求和方法軸系平衡的要求在消除由于不同外伸端條件和支承條件引起的振型變化造成的不平衡。應用軸系平衡方法還可以部分地解決由于靠背輪加工安裝誤差以及負荷引起的熱不平衡所引起的振動。為了有效地選擇軸系動平衡方法，需要正確地尋找不平衡

41、振源所在轉子，為此需要知道軸系轉子的不平衡振動響應特性。由計算和試驗得出的軸系振動不平衡響應特性為：“一個轉子的質(zhì)量不平衡主要是影響該轉子本身的振動，其次是影響相領兩個轉子的振動，再遠則影響是很弱的(臨界轉速下有些增加)”，這一結論有助于尋找合適的軸系動平衡方法。一個轉子軸系的不平衡振動可以是兩個相鄰支承振動較大(包括相隔數(shù)個軸系后又有兩個相鄰軸承振動較大等)或者是各個軸承振動同時都較大。此時對于前者,根據(jù)不平衡響應特性可知；振源就在于兩個相領軸承所在的一跨轉子,此時可以應用所有單轉子平衡法,如振型分離法,諧分量法,聯(lián)合使用振型法諧分量法,影響系數(shù)法,最小二乘系數(shù)法,以及振型圓法等進行平衡。而

42、對于后者即對于數(shù)個相偏鄰轉子都存在有明顯不平衡的情形,此時平衡的方法有兩種。一種仍是分別地應用單轉子的平衡方法來對各個轉子平衡,即不考慮相領轉子間的影響。這時一次平衡后一般可望降低7080%的不平衡振動。為了進一步改善振動可以進行第二次的各單轉子的平衡,因為此時各相領轉子的振動已下降很多,所以相互間的影響已經(jīng)減弱。另一種是使用最小二乘影響系數(shù)法對多轉子的多測點系統(tǒng)進行平衡。經(jīng)驗表明:由于施加質(zhì)量對較遠測點的影響系數(shù)不易測準,誤差較大,所以在應用最小乘二影響系數(shù)平衡法時轉子跨數(shù)不宜太多,一般以12個轉子為宜,不超過三個,這視影響系數(shù)的大小而定。綜上所述,軸系動平衡法實質(zhì)上是根據(jù)不平平衡振動響應特

43、性,將之化為軸系中各個單轉子的平衡或者分段地(不超過三個轉子)應用最小二乘影響系數(shù)法進行平衡。下面簡述一下最小二乘影響系數(shù)法的具體方法設測量點數(shù)為n，平衡面數(shù)為m，當測量點數(shù)和平衡面數(shù)相等時，可以根據(jù)一些測量點的剩余振動為零的條件去求解一組聯(lián)立方程。大多數(shù)的多支點軸系平衡中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，振動偏大的測量點大于可提供的平衡面數(shù)的情況。這時根據(jù)上述方法無法求解方程。因此，在少量的平衡面情況下，以剩余振動不為零但在標準范圍內(nèi)的條件來換取較多測量點的振動值均較小的要求。在這方面最小二乘法是一個很好的數(shù)據(jù)處理方法。最小二乘數(shù)據(jù)處理的計算原理：在nm時，根據(jù)在軸承座上的振動可以不為零的特點，設已知：1） 有m個

44、平衡面，其待求的平衡質(zhì)量相應為，2） n 個測量點的原始振動數(shù)據(jù)，3） 用實測方法已經(jīng)求得在各平衡轉速下的幅相影響系數(shù)（j 為平衡面編號，i為測得點編號）在線性條件下可得下列方程組或簡寫成： （2-1）式中（i=1,2,，n）為第i測點的剩余振動。令s為諸剩余振動的平方和： （2-2）式中為的共軛復數(shù)。今欲求一組平衡質(zhì)量使諸測點的剩余振動的平方和為最小，即使s=min，則有： （） （j=1,2,m） （2-3） 將（2-1）（2-2）二式代入（2-3）式得 （j=1,2m）,以矩陣形式表示有： （2-4）則 （2-5）式中矩陣，為矩陣的共軛矩陣，t表示轉置矩陣，表示的逆矩陣。在（2-4）式中

45、將i,j,k分別代以k,i,j 并引入下列符號： ， ，（i,j=1,2m）； （2-6）則（2-4）式變?yōu)椋?。 （2-7）根據(jù)（2-7）式可解得，然后代入（2-1）式校驗殘余振動。第三章電廠振動常用探測手段與探測方法振動監(jiān)測是保證汽輪發(fā)電機組安全運行和實現(xiàn)動平衡的重要手段。隨著電子技術及計算機的發(fā)展，現(xiàn)代振動監(jiān)測技術正在朝綜合實現(xiàn)振動控制、預報和故障識別的方向發(fā)展，以提高機組的效率和可靠性。振動測量系統(tǒng)的組成及主要技術性能。1.振動測量系統(tǒng)的組成由于測試技術的發(fā)展，機組振動測量的儀器十分繁多。就工作原理分，有機械式、電氣式、光學式等。目前大部分測振儀器都是電氣式或電氣式為主，幾種原理混合組

46、成，因為電信號便于傳輸放大，數(shù)據(jù)分析以及計算機處理。從測量的原理分析，一個完整的振動測量系統(tǒng)都將由圖3.1所示的四個基本部分組成：拾振部分放大部分顯示部分記錄及分析部分 圖3.1 振動測試系統(tǒng)組成拾振部分亦稱拾振器，測振傳感器，其作用是正確地感受被測對象的振動，并把所感受到的振動量不失真地轉換成電信號輸出。放大部分的作用是把測振傳感器輸出的弱信號放大，同時具有積分、微分及濾波等功能。顯示部分的作用是把輸入信號轉化為相應的圖形供技術人員識別和參考。記錄及分析部分是把振動的信號利用光學的或是電磁的原理進行記錄，并進行頻率分析、隨機振動數(shù)據(jù)處理等。這一部分一般都已形成獨立儀器，可以根據(jù)需要，組合進振

47、動的測量系統(tǒng)。1.1測振儀器的主要技術性能從正確選擇和使用儀器的要求出發(fā)，我們應該掌握的測振儀器的主要技術性能如下：1.1.1靈敏度儀器的輸出量與被測振動量的比值，它反映了儀器的敏感程度。1.1.2測量范圍或稱動態(tài)線性范圍保持輸入信號和輸出信號成線性關系時，輸入信號值的容許變化范圍。1.1.3頻率范圍或幅頻特性靈敏度變化不超過允許值時可使用的頻率范圍。當儀器在允許的頻率范圍以外使用時，測量結果將有較大的誤差，稱為頻率失真。這項誤差應按頻響特征曲線進行校正。1.1.4相位角差或稱相頻特性在使用的頻率范圍內(nèi)，輸出信號相位角與輸入信號相位角的差隨頻率變化而改變的大小。1.1.5重量特別當測振傳感器要

48、固定于被測對象上時，其重量將會影響被測對象的原始振動狀態(tài)。因此應根據(jù)具體情況盡量選用小而輕的傳感器。1.1.6環(huán)境條件諸如溫度、濕度、磁場、噪聲、射線等等對測振儀器的工作都有影響，在進行現(xiàn)場平衡時尤應加注意。2.在電廠常用的振動測量系統(tǒng)之一由圖3.2所示其組成有以下三大部分：電渦流位移感器非接觸式位移振幅測量儀磁帶記錄儀圖3.2振動測量系統(tǒng)組成2.1電渦流位移傳感器電渦流位移傳感器是利用電渦流感應原理來測量振動位移的電參數(shù)變化型非接觸式傳感器。由于它具有測量的線性范圍大，靈敏度高，不受油污等介質(zhì)的影響，并能實現(xiàn)非接觸測量以直接測取轉軸的振動，軸心軌跡等等，使用日益增多。電渦流位移傳感器是一個固

49、定于聚四氟乙烯架上平線圈。線圈的電感為l，與一個電容c并聯(lián)，構成并聯(lián)的lc諧振回路。傳感器的線圈用1mhz的高頻信號激勵，使其產(chǎn)生一個高頻交變磁場i,當被測對象靠近傳感器時，在磁場i的作用范圍的導體表層產(chǎn)生與磁場i相交的電渦流。此電渦流又將產(chǎn)生一個交變電磁場e,其方向總是與i方向相反，力圖阻礙i的變化，電感線圈中的總磁通將為e與i兩者迭加，由于l= ，線圈中總磁通變化。勢必引起電感l(wèi)的變化，因此lc諧振回路失諧，其阻抗改變，使輸出的電壓e0改變。e0的變化量與被測對象的材料性質(zhì)(導電性及導磁性)、形狀尺寸以及與傳感器的距離x有關。當被測對像確定以后，e0的變化就反映了被測對像與傳感器之間的距離

50、x，即e0=f(x)。圖3.3表示了這種傳感器的諧振特性。由圖可知,當位移減小時,lc回路輸出的最大電壓e0max將降低。且若被測對象不磁性材料，諧振頻率f將減?。蝗舯粶y對象為非線性材料，諧振頻率將增大。同時由于交變磁場能量損耗的增大，品質(zhì)系數(shù)q下降，曲線變得平坦。圖3.3 電渦流傳感器的諧振特性測量時，傳感器線圈固定于靜止部件上，并由頻率穩(wěn)定的石英晶體振蕩器提供一個f0=1mhz的載波高頻信號。通過耦合電阻加到lc諧振上。由圖3-2可以看出，當振蕩頻率f0不變時，隨著x的減小(x1x2),輸出電壓e0將降低(e02e01) ；當被測對象振動時，e0將為一交變電信號。只要檢出e0，就實現(xiàn)了非接

51、觸式振動位移的測量。2.2非接觸式位移振幅測量儀以恒定頻率調(diào)幅式為例，非接觸位移振幅測量儀分成兩大部分：前置器和指示儀。電渦流傳感器當用1mhz的石英晶體振蕩器激勵時，無論用于測量位移或者振動，其載波頻率保持不變，而幅值相應發(fā)生變化測量位移時，諧振回路輸出的是高頻等幅電壓;測量振動時輸出的是載波調(diào)幅電壓，直接傳輸，測量這種高頻電壓比較麻煩,必須經(jīng)過前置器，以便把高頻電壓轉換成直流電壓(位移測量)或低頻電壓(振幅測量)，并把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。國產(chǎn)bzf型前置器由晶體振蕩器、源極輸出器，交流放大器，倍壓檢波器和濾波器等組成，石英振蕩器的作用前已述及，主要是提供一個頻率穩(wěn)定的1mhz的高頻信

52、號.若頻率不穩(wěn),將引起lc回路阻抗變化，從而引起輸出變化。一般測量線路的負載，設置了一線場效應管源極輸出器進行阻抗變換。為了使源極輸出器的1mhz高頻信號電壓能驅(qū)動檢波器工作，在前置器中采用了三級交流電放大。檢波器的作用是將高頻載波電壓信號轉換成直流電壓信號或低頻電壓信號。為了提高檢波效率，采用倍壓檢波。檢波器輸出的信號經(jīng)過濾波器，把高頻信號濾去，輸出一個與位移或振幅相應的直流或低頻交流電信號。指示儀包括直流放大器、交流放大器、雙峰值檢波器、報警電路以及穩(wěn)定電源等.測量位移時，只要把前置器的輸出信號經(jīng)直流信號放大后，用表示指示或輸出給記錄儀。如果測量振幅，則把信號通過交流放大器后輸出給記錄儀或

53、直接經(jīng)過雙峰值檢波器，由表頭指示出振動的峰峰值。報警電路供現(xiàn)場監(jiān)控之用。2.3磁帶記錄儀現(xiàn)代汽輪發(fā)電機組結構復雜，引起振動的因素很多。在進行機組振動測量時,除了需要現(xiàn)場顯示之外，往往還希望把振動隨時間變化的過程真實地記錄下來，以供進一步分析研究。在進行大型的一次性試驗時，振動記錄尤為重要。近年來應用日趨廣泛的是磁帶記錄儀。因為它與其它形式的記錄儀相比具有一系列優(yōu)點：使用方便,工作頻帶寬?？梢远嗤ǖ篱L時期記錄0200khz的信號；記錄的信號可以長期保存，多次重放，磁帶能重復使用，通過改變走帶速度，可以把原來信號的頻率進行變換，以利分析研究；還可以與電子計算機或自動信號處理配套使用。3.我國電廠常

54、用的測量方式振動的測量除了要上述測量工具的硬件設備外，還要具體實用的測量方法，以下是我國電廠常用的三種測量方式。3.1離線定期監(jiān)測方式測試人員定期到現(xiàn)場用一個傳感器依次對各測點進行測試，并用磁帶機記錄信號，數(shù)據(jù)處理在專用計算機上完成，或是直接在便攜式內(nèi)置微機的儀器上完成;這是當前利用進口監(jiān)測儀器普遍采用的方式。采用該方式，測試系統(tǒng)較簡單，但是測試工作較煩鎖，需要專門的測試人員；由于是離線定期監(jiān)測，不能及時避免突發(fā)性故障。3.2在線檢測離線分析的監(jiān)測方式亦稱主從機監(jiān)測方式，在設備上的多個測點均安裝傳感器，由現(xiàn)場微處理器從機系統(tǒng)進行各測點的數(shù)據(jù)采集和處理，在主機系統(tǒng)上由專業(yè)人員進行分析和判斷。這種方式是近年在大型旋轉機械上采用的方式。相對第一種方式，該方式免去了更換測點的麻煩，并能在線進行檢測和報警：但是該方式需要離線進行數(shù)據(jù)分析和判斷，