汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)

華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）頁汽輪機(jī)（SteamTurbine），又稱蒸汽透平。是一種以高溫高壓的蒸汽作為動(dòng)力，將蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的機(jī)械。汽輪機(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分兩個(gè)方面組成，其主要作用是轉(zhuǎn)換蒸汽內(nèi)能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)電。也可以直接驅(qū)動(dòng)其他動(dòng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備，例如風(fēng)機(jī)、泵等等。因此被廣泛應(yīng)用于包括電力在內(nèi)的各種生產(chǎn)行業(yè)，甚至我國的第一艘航空母艦“遼寧號(hào)”也是采用蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。作為主要的動(dòng)力設(shè)備，它能否安全高效地運(yùn)行直接關(guān)系到了一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)能否順利地運(yùn)營。隨著工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的長足進(jìn)步，讓以汽輪機(jī)為代表的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備正向著大型化、高速化、連續(xù)化、集中化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備之間形成一套完整的系統(tǒng)，各種設(shè)備之間的聯(lián)系也越來越緊密[1]。根據(jù)墨菲定律的引申，越是精密復(fù)雜的系統(tǒng)，發(fā)生故障的概率就越高。即使是在重視安全的今天，由于汽輪機(jī)故障產(chǎn)生的災(zāi)難性事故仍時(shí)有發(fā)生。例如，1987年山西大同電廠200MW機(jī)組由于調(diào)速器失控，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)證生轉(zhuǎn)子超速飛車的惡性事故；1999年阜新電廠一號(hào)機(jī)200MW汽輪機(jī)低壓缸鑄鐵隔板碎裂導(dǎo)致軸系損壞斷裂；而國外，類似的事故從上世紀(jì)60年代報(bào)道以來就有50多起[2]，例如,1969年英國辛克利角核電站一臺(tái)87MW汽輪機(jī)組在超速實(shí)驗(yàn)時(shí)由于高應(yīng)力和材料的低韌性導(dǎo)致主軸斷裂，電站停止運(yùn)行；1974美國加拉?。℅allatin）電站2號(hào)機(jī)組225MW汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)子制作材料缺陷產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致中低壓轉(zhuǎn)子斷裂，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；2011年2月，南非ESKOM電力公司的DUVHA電站四號(hào)機(jī)組在進(jìn)行超速實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速飛升引發(fā)了汽輪機(jī)飛車惡性事故。由此可見，能夠有效地預(yù)測或是診斷汽輪機(jī)故障對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際是非常有必要的。1.2故障診斷技術(shù)的發(fā)展二次世界大戰(zhàn)以后，為了盡快恢復(fù)到戰(zhàn)前的生產(chǎn)水平，各國加大了對(duì)于旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用，結(jié)合戰(zhàn)爭中對(duì)于保養(yǎng)設(shè)備和維修故障的經(jīng)驗(yàn)，再加上與之相關(guān)的基礎(chǔ)物理和應(yīng)用數(shù)學(xué)的極大發(fā)展，使得機(jī)械的故障診斷技術(shù)的到了飛速的提高。但是隨著汽輪機(jī)向著高溫度、高轉(zhuǎn)速、新型材料和新式結(jié)構(gòu)的發(fā)展，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)愈顯不足，尤其是轉(zhuǎn)子的復(fù)雜程度越來越高，各種傳統(tǒng)物理學(xué)和機(jī)械學(xué)難以解釋的故障頻繁發(fā)生。于是，為汽輪機(jī)量身定制的設(shè)備故障診斷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。為汽輪機(jī)量身定制的設(shè)備診斷技術(shù)，最早是出現(xiàn)在歐洲，那在的歐洲工業(yè)聯(lián)合會(huì)（EIF，EuropeanIndustryFederation）的推動(dòng)下，成立了英國機(jī)械保健和狀態(tài)監(jiān)測協(xié)會(huì)（MHMC，MechanicalHealthMonitoringCenter），以綜合診斷學(xué)（Terotech）為指導(dǎo)，從60年代末開始了對(duì)設(shè)備故障的研究；美國最開始提倡以后勤學(xué)（Logistics）為主導(dǎo)的裝備設(shè)備服務(wù)維修，后來由于層出不窮的機(jī)械故障事故，在美國航天局（NASA，NationalAeronauticsandSpaceAdministration）的倡導(dǎo)下，由美國海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL，NavalResearchLaboratory）主持成立了美國機(jī)械故障預(yù)防小組（MFPG，MachineryFaultPreventionGroup），積極從事機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的開發(fā)，在汽輪機(jī)的故障診斷領(lǐng)域也是成績斐然。日本雖然起步較晚，新日鐵（NSC，NipponSteelCorporation）于1971年開始研發(fā)診斷技術(shù)，吸收英美兩國長處，于1976年達(dá)到使用并取得了良好的效果，讓日本的電力行業(yè)以及汽輪機(jī)制造業(yè)得以居于世界領(lǐng)先之位。在當(dāng)時(shí)，被廣泛推崇的系統(tǒng)有：日本三菱公司的“旋轉(zhuǎn)機(jī)械健康管理系統(tǒng)”（MHM，MachinaryHealthMonitoring），美國西屋公司的“可移動(dòng)診斷中心”（MDC，MobileDiagnosisCentre），美國中心發(fā)電部的“汽輪機(jī)監(jiān)測設(shè)備”（TSE，TurbineSupervisoryEquipment）和“試驗(yàn)設(shè)備監(jiān)測”（TEM，TestEquipmentMonitoring）等等。我國自1979年才初步開發(fā)設(shè)備診斷技術(shù)，并于1983年初正式把開展機(jī)械故障診斷工作的要求納入《國營工業(yè)交通設(shè)備管理試行條例》[3]，電力行業(yè)響應(yīng)國家政策，于1984年在各大電廠推廣電力故障診斷技術(shù)，應(yīng)用于電廠各設(shè)備的故障檢修與維護(hù)。1.3故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀目前汽輪機(jī)系統(tǒng)有基于線性振動(dòng)理論和典型非線性振動(dòng)理論研究兩種故障診斷模型[4]，線性的理論系統(tǒng)較為完善，因此當(dāng)我們分析非線性振動(dòng)模型時(shí)，常常是把某個(gè)典型的非線性模型，近似地處理接近成一個(gè)線性模型去分析，這樣得以使計(jì)算工作大為簡化，但是這樣做到弊端是：當(dāng)一個(gè)強(qiáng)烈的非線性故障出現(xiàn)及惡化時(shí)，我們就無法辨識(shí)出現(xiàn)的非線性轉(zhuǎn)子故障的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，以至于無法進(jìn)行正確的動(dòng)力學(xué)特征的提取，無法準(zhǔn)確有效地分析問題，因此，對(duì)于非線性的研究問題必須采用非線性的基礎(chǔ)模型來分析?，F(xiàn)代科技的飛速發(fā)展從某種方面解決了這些問題，前輩們辛苦鉆研，研究出了各種各樣的、可以有效應(yīng)用與現(xiàn)場分析計(jì)算的故障診斷模型。例如：應(yīng)用MATLAB的汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷模型；基于小波分析技術(shù)與聚類分析技術(shù)相結(jié)合的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障分析技術(shù)[5]；利用一維、二維隱馬爾科夫（Markov）模型的故障信號(hào)處理方法；將獨(dú)立分量分析（ICA）與高階統(tǒng)計(jì)量等現(xiàn)代信號(hào)處理方法應(yīng)用于故障特征提取等。盡管我們在汽輪機(jī)故障診斷方面做了相當(dāng)程度的的研究，但這一技術(shù)的本身發(fā)展還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無法滿足實(shí)際的生產(chǎn)需要，尚未形成一個(gè)完整的全面的理論應(yīng)用體系。因此，即使在工業(yè)高度發(fā)達(dá)的今天，已經(jīng)投入運(yùn)行使用、應(yīng)用比較成功、系統(tǒng)較為完善的汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)仍然不多見。作者從大三的專業(yè)課上接觸到汽輪機(jī)的維修及故障預(yù)防技術(shù)，通過學(xué)習(xí)與交流，深刻地了解到設(shè)備的維護(hù)與故障的診斷工作直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效益與安全，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的地位至關(guān)重要。導(dǎo)師說：“當(dāng)前故障診斷推廣應(yīng)用的最大障礙就是從事現(xiàn)場故障診斷的技術(shù)人員知識(shí)結(jié)構(gòu)的缺乏，許多人懂得設(shè)備、懂得如何運(yùn)行，卻不明白背后的理論概念?！逼啓C(jī)的故障診斷技術(shù)，應(yīng)該是由嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)邏輯作為支撐，眾多學(xué)科相互滲透所組成的知識(shí)體系。本文從汽輪機(jī)這一大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備出發(fā)，首先詳細(xì)介紹汽輪機(jī)故障的分類及發(fā)生故障前后的特點(diǎn)，并針對(duì)故障給出相對(duì)的解決方案。然后列出故障診斷的主要方法與內(nèi)容，以及其理論支撐和應(yīng)用效果。最后，以實(shí)際電廠為例，制定汽輪機(jī)故障診斷的具體原則。第二章汽輪機(jī)故障診斷的基本分析方法2.1汽輪機(jī)故障分析概述故障診斷技術(shù)，從理論到實(shí)現(xiàn)，要經(jīng)歷三個(gè)階段。首先是狀態(tài)的檢測，通過各種傳感和觀測儀器記錄并上傳所采集的數(shù)據(jù)，為故障診斷提供參考數(shù)據(jù)和根本依據(jù)；然后是信息的處理，包括了信息的分類整理和信號(hào)的運(yùn)算與篩選，以及信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，從龐大的數(shù)據(jù)中整理出對(duì)故障診斷工作有價(jià)值的信息；最后是對(duì)處理之后的信息進(jìn)行模糊識(shí)別，以期對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)轉(zhuǎn)趨勢進(jìn)行判斷和預(yù)測。診斷的基本流程，如圖2-1：圖2-1故障診斷的基本流程診斷的實(shí)施方法也用很多種，雖然在各個(gè)領(lǐng)域都各不相同，但總體來講，可以分為三個(gè)方面：（1）按照核心部分分類，有離線經(jīng)驗(yàn)分析和在線設(shè)備監(jiān)視等等。（2）按照檢測方法分類，有振動(dòng)檢測法、噪聲檢測法、溫度壓力檢測法、聲波檢測法、金相分析法等等[6]。（3）按照診斷的原理分類，有頻域診斷法，時(shí)域分析法、統(tǒng)計(jì)分析法、信息理論分析法、模式識(shí)別法等等【7】。2.2振動(dòng)診斷檢測法對(duì)汽輪機(jī)的故障診斷時(shí)所選擇的特征信號(hào)，應(yīng)該同時(shí)具備敏感性和實(shí)時(shí)性兩方面：即蘊(yùn)含了機(jī)器運(yùn)行時(shí)的最本質(zhì)的信息，又能表明當(dāng)前的運(yùn)行情況，有利于設(shè)備的工況判別。旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生故障的最明顯的特征就是伴隨著劇烈的振動(dòng)和刺耳的噪聲，而其中振動(dòng)是最主要的信號(hào)特征[8]。在汽輪機(jī)所發(fā)生的故障中，振動(dòng)往往是最普遍的現(xiàn)象。由此可見，振動(dòng)診斷檢測法是一種十分合理的汽輪機(jī)故障診斷方法。2.2.1振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測2.2.1.1振動(dòng)的測量裝置在工程實(shí)際中，想要了解汽輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，往往通過監(jiān)測它的通頻振幅而得出。用來測量通頻振幅的裝置叫拾振器，拾振器的核心組成部分是傳感器。在工程現(xiàn)場，應(yīng)根據(jù)不同的使用環(huán)境和現(xiàn)場條件，來選擇使用何種傳感器。測振儀器的種類有很多，以被測參數(shù)來劃分，有位移傳感器（電阻式、應(yīng)變式、電容式、渦流式），速度傳感器（動(dòng)圈式、動(dòng)磁式、變間距式），加速度傳感器（壓電式和應(yīng)變式）【9】。2.2.1.2振動(dòng)信號(hào)的評(píng)定需要采集的振動(dòng)信號(hào)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況分為：（1）軸承振動(dòng)評(píng)定,測量點(diǎn)位于軸承基座。（2）軸振動(dòng)值評(píng)定，測量點(diǎn)位于基座上，軸的兩側(cè)。2.2.1.3振動(dòng)的監(jiān)測參數(shù)振動(dòng)的監(jiān)測參數(shù)可以分為以下兩種：（1）動(dòng)態(tài)參數(shù)1）振幅，表征被測器件因振動(dòng)離開其平衡位置的最大距離。圖2-23個(gè)方向上的測點(diǎn)2）振動(dòng)烈度，是國際上統(tǒng)一的機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)特征量。圖2-23個(gè)方向上的測點(diǎn)3）相位，用于確定旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性及動(dòng)平衡。（2）靜態(tài)參數(shù)1）軸心位置，在平衡狀態(tài)下，軸承中心相對(duì)于軸頸中心的位置[10]。2）軸向位置，是指機(jī)器轉(zhuǎn)子上安裝的止推環(huán)相對(duì)于止推軸承的位置[11]。3）漲差，指的是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與氣缸的相對(duì)膨脹量。4）對(duì)中度，指軸系轉(zhuǎn)子之間的連接對(duì)中程度[12]。5）溫度，軸瓦溫度反映了軸承當(dāng)前的運(yùn)行情況。6）潤滑油壓，可以以此判斷軸承油膜的狀態(tài)。2.2.2振動(dòng)信號(hào)的分析在工程實(shí)際中，過程參數(shù)與過程狀態(tài)之間，其實(shí)并沒有嚴(yán)格的一一對(duì)照的關(guān)系。因此，在故障診斷的準(zhǔn)確與否，取決于先期信息的分類處理。故障診斷其實(shí)是由工況監(jiān)測和故障分析兩個(gè)部分組成。不論是從字面意思還是其背后機(jī)理，二者有著明顯的不同，但是二者確是相輔相成，不可或缺。工況監(jiān)測是故障分析的基礎(chǔ)，故障分析是工況監(jiān)測的目的。工況監(jiān)測是對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)視及實(shí)時(shí)信息的收集，從汽輪機(jī)側(cè)接收數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理。故障分析則是從汽輪機(jī)的故障出發(fā)，目的在于判斷查明故障的部位以及發(fā)生原因。然而在工程實(shí)際中，汽輪機(jī)故障往往是一種十分復(fù)雜的多參數(shù)形態(tài)，因此在分析數(shù)據(jù)時(shí)，不僅要應(yīng)用到模擬量分析，等基本處理手段，也要嘗試用了一些新的方法，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、混沌模型系統(tǒng)等。2.2.2.1對(duì)比分析法在工程實(shí)際中，采用了一種頻譜分析儀，分析所測得振動(dòng)信號(hào)的頻譜中的峰值等數(shù)據(jù)，通過與參考模式的對(duì)比，就可以判斷出運(yùn)行是否正?；蚴亲R(shí)別出什么故障、何種原因。這種把當(dāng)前信息與過往經(jīng)驗(yàn)相比對(duì)，通過分析其中的區(qū)別和聯(lián)系并以此為根據(jù)進(jìn)行信息處理的方法，稱為對(duì)比分析法對(duì)比分析法的順利應(yīng)用，有兩個(gè)十分必要的先決條件：一是要熟悉機(jī)器的各種狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)參數(shù)和故障特征，并統(tǒng)計(jì)為參考模式；而二是要有鑒定人員需要有一定的技術(shù)水平，對(duì)操作儀器有著相當(dāng)?shù)牧私狻?.2.2.2邏輯判別法 前面提到，在工程實(shí)際中，過程參數(shù)與過程狀態(tài)之間，其實(shí)并沒有嚴(yán)格的一一對(duì)照的關(guān)系。導(dǎo)致了我們沒法直接通過分析對(duì)比就能得出二者之間的關(guān)系，因此我們需要后退一步，通過梳理二者的邏輯，進(jìn)行故障判別。邏輯判別法可以分為數(shù)理邏輯判別和物理邏輯判別兩種方法[13]。所謂的數(shù)理邏輯判別法，簡單來講，就是將采集的數(shù)據(jù)通過函數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鲄?shù)，比對(duì)該特征參數(shù)是否大于或小于某些故障的閾值，依次判斷是否存在該故障。物理判別法則是從關(guān)鍵部位的零部件所用材料物理變化的角度來判斷該部位零件的當(dāng)前情況。例如：通過對(duì)潤滑油的分析，測得潤滑油溫度、壓力是否正常，以及各種金屬微粒的含量大小，就可以分析得出，油膜是否正常、被潤滑件是否產(chǎn)生嚴(yán)重磨損等。2.2.2.3貝葉斯分類法在機(jī)械的運(yùn)行過程中個(gè)，出現(xiàn)的問題大多是隨機(jī)的。雖然機(jī)械故障的出現(xiàn)不可預(yù)見，但我們?nèi)匀豢梢愿鶕?jù)已有的統(tǒng)計(jì)模型和現(xiàn)場數(shù)據(jù)估計(jì)出故障發(fā)生的概率，這種利用已有模型和經(jīng)驗(yàn)對(duì)故障出現(xiàn)的概率做出的估計(jì)，稱為先驗(yàn)概率[14]。因?yàn)楣收蠣顟B(tài)是一個(gè)隨機(jī)量，以此故障狀態(tài)的空間可以寫成Ωj=（ω1，ω2…ωi，ωm），其中ωi（i=1,2,3,…，m）稱為故障狀態(tài)空間中的模式點(diǎn)。在診斷過程中，主要用于判別運(yùn)行狀況的正?；虍惓煞N狀態(tài)，因此他們的先驗(yàn)概率P（ω1）+P（ω2）=1。僅僅得出先驗(yàn)概率還不足以達(dá)到判條件，還需要考慮到各種觀測數(shù)據(jù)、各種狀態(tài)下的條件密度。例如：P（x/ω1）——正常狀態(tài)下的類條件事件發(fā)生密度；P（x/ω2）——異常狀態(tài)下的類條件事件發(fā)生密度；由此，根據(jù)貝葉斯公式：Pωi式中Pω圖2-3貝葉斯分類算法2.2.2.4模型判別法在生產(chǎn)實(shí)際中，汽輪機(jī)的故障的發(fā)生是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，而且遵循著一定的規(guī)律。最常使用的模型判別法，是展開對(duì)故障發(fā)生的前后動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)時(shí)間域的數(shù)據(jù)分析。也就是所謂的時(shí)間域分析。時(shí)間域分析是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式，只要擁有合理的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置，那么動(dòng)態(tài)過程的基本規(guī)律、運(yùn)行狀態(tài)的異常與否等信息一定蘊(yùn)含在分析模型及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。在工程實(shí)踐中已經(jīng)證明：用時(shí)間域分析法進(jìn)行的建模，在運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測、故障提前預(yù)警方面已經(jīng)取得了一定的效果。目前的汽輪機(jī)診斷技術(shù)中，已經(jīng)大范圍采用時(shí)間序列分析法中的線性和非線性檢驗(yàn)方法，來判斷一個(gè)運(yùn)行工況是否整體在一個(gè)正常或是異常的范圍內(nèi)。2.2.2.5模糊診斷法機(jī)器在運(yùn)行過程中，我們所監(jiān)測得的測量值和特征參數(shù)往往是確定的，但它們對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象及故障卻是存在一定的不確定性，也就是存在一定的偶然性和模糊性。因此在工程實(shí)際中，我們并不能將故障準(zhǔn)確地定義為某一類，同樣地，也無法判斷機(jī)輪機(jī)的當(dāng)前的狀態(tài)屬于具體哪一種故障。我們只能以一種范圍性的說法來概括。例如振動(dòng)有大有小，有徑向振動(dòng)也有徑向振動(dòng)，有倍頻振動(dòng)也有同步振動(dòng)等等，我們通過逐步模糊處理的方法，先把振動(dòng)信號(hào)模糊歸類在振動(dòng)大這一分類中，在通過后續(xù)的算法做詳細(xì)分類。但是，這里所說的模糊分類并不是靠人工思維分類那么簡單，它有著一定的模糊運(yùn)算規(guī)則以及運(yùn)算邏輯，并可以通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算把相應(yīng)的想象用數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)。2.2.2.6故障樹分析法故障樹分析法，是利用樹狀圖將汽輪機(jī)故障與汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的異?，F(xiàn)象、異常狀態(tài)、異常參數(shù)等等聯(lián)結(jié)起來的圖形式分析方法，它模糊了各個(gè)事件與故障發(fā)生原因的微小差別，強(qiáng)調(diào)了故障前后現(xiàn)象的因果關(guān)聯(lián)。通過鮮明的分支和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)關(guān)系，將故障-現(xiàn)象-因素這三者緊密地結(jié)合起來，具有邏輯性強(qiáng)、合理程度大、便于分類和處理等優(yōu)點(diǎn)，因此在故障診斷領(lǐng)域被廣泛使用。下面是應(yīng)用故障樹的步驟：（1）給故障以明確的定義，選定可能發(fā)生的故障作為頂事件。（2）分析該故障的成因（3）做出系統(tǒng)故障的邏輯圖。（4）對(duì)故障樹的各級(jí)結(jié)構(gòu)做定性分析，分析各個(gè)因素與頂事件的關(guān)聯(lián)程度。（5）對(duì)故障樹的各個(gè)結(jié)構(gòu)做定量分析，就可以根據(jù)故障樹邏輯，對(duì)系統(tǒng)故障做出分析。圖2-4汽輪機(jī)故障的故障樹分析圖2.2.2.7圖形分析法所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，通過分析處理，可以得到一系列的圖形數(shù)據(jù)，有的可以直觀的看出機(jī)器當(dāng)前的運(yùn)行狀況、某一參數(shù)的大致走向等等。針對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)故障的特點(diǎn)，常常采用的圖形分析方法有：（1）波特圖（Bodeplot），又稱為幅頻響應(yīng)圖，是一種應(yīng)用于線性的非時(shí)變系統(tǒng)的坐標(biāo)圖。一般由兩張圖組合而成，波特圖中橫坐標(biāo)表示為轉(zhuǎn)速頻率的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)尺度，波特圖縱坐標(biāo)則分別表為振動(dòng)幅值和振動(dòng)相位。因此它也是一種幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。有著繪制簡單，對(duì)比直觀等優(yōu)點(diǎn)。 圖2-5機(jī)組升速時(shí)的波特圖（2）極坐標(biāo)圖，也稱奈奎斯特（Nysquist）圖，在進(jìn)行振動(dòng)的分析繪圖時(shí)，也稱之為振型圓。其是指是一種工頻振動(dòng)矢量圖，原理是將振動(dòng)頻率特性分析計(jì)算成相應(yīng)的極坐標(biāo)函數(shù)后，以振動(dòng)頻率特性的實(shí)部為橫坐標(biāo)，虛部為縱坐標(biāo)，以幅頻特性ω為參變量的圖，可以直觀地表示出振幅與相位的關(guān)系。它的繪制范圍很廣，可以繪制整個(gè)范圍域的特性曲線，因此在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域被被廣泛使用。圖2-6產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)的極坐標(biāo)圖（3）軸心位置圖利用相互垂直的兩個(gè)傳感器，通過監(jiān)測和分析得到的數(shù)據(jù)，得出軸中心的徑向位置。軸心位置圖與極坐標(biāo)圖不同，軸心振動(dòng)圖是以不存在徑向振動(dòng)為前提的，它給出的是轉(zhuǎn)子中心的軸向振動(dòng)特性。圖2-7失穩(wěn)時(shí)的軸心位置圖（4）軸心軌跡圖主要是借助安裝在軸的截面上的傳感器，可以得到軸心軌跡大致圖像和軸系的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)而可以確定軸的進(jìn)動(dòng)方向。還可以用來測算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、空間振型曲線及部分故障，如轉(zhuǎn)子不對(duì)中、軸頸處的動(dòng)靜碰磨、油膜振蕩（正進(jìn)動(dòng)時(shí)發(fā)生）等等[17]。圖2-8軸心軌跡圖（5）頻譜圖汽輪機(jī)振動(dòng)的絕大部分信號(hào)是由多種激勵(lì)信號(hào)合成的復(fù)雜信號(hào)，根據(jù)傅里葉分析原理，這種合成的復(fù)雜信號(hào)可以被分解成一系列的諧波分量，即概率成分。每一個(gè)諧波分量又含有幅值和相位特征量。各個(gè)諧波分量以頻率軸為坐標(biāo)，按轉(zhuǎn)速高低為幅值頻率排列起來的譜圖，就叫做頻譜圖[19]。圖2-9頻譜圖把一段時(shí)間內(nèi)收集的所有頻譜圖疊加進(jìn)一個(gè)圖形了，就得到了瀑布圖：圖2-10瀑布圖（6）趨勢分析趨勢分析是把所測得的特征數(shù)據(jù)值和預(yù)報(bào)值按一定的時(shí)間順序排列起來進(jìn)行分析。這些特征數(shù)據(jù)可以是通頻振動(dòng)、1倍振幅、二倍振幅以及軸心位置等[18]。圖2-11趨勢分析圖第三章汽輪機(jī)主要故障的分類3.1汽輪機(jī)故障概述以汽輪機(jī)為代表的大型旋轉(zhuǎn)是動(dòng)力機(jī)械，是現(xiàn)帶工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備。如何維護(hù)管理好這些設(shè)備，避免機(jī)器出現(xiàn)故障和事故，以確保生產(chǎn)過程中的安全性和高效率是當(dāng)前工業(yè)的發(fā)展目標(biāo)之一。由于汽輪機(jī)的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成以及對(duì)零部件精度的高要求使得機(jī)器，以及運(yùn)行過程的低容錯(cuò)率等等，很容易使汽輪機(jī)在運(yùn)行或是實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生故障，其常見原因見下表：表3-1汽輪機(jī)發(fā)生故障的常見原因分類故障分類主要原因設(shè)計(jì)原因結(jié)構(gòu)不合理，動(dòng)靜間隙過??；參數(shù)選用不合理，工況下易磨損腐蝕；工作轉(zhuǎn)速距離臨界轉(zhuǎn)速太近；熱膨脹量計(jì)算不精確，易產(chǎn)生摩擦振動(dòng)制造原因零件材料選用錯(cuò)誤，強(qiáng)度不夠；零件處理不夠，鍛造工藝不足；轉(zhuǎn)子出廠時(shí)的動(dòng)平衡調(diào)整不到位安裝維修安裝時(shí)未嚴(yán)格按照要求，各部位安裝精度不夠；軸系整體對(duì)中性不良，各段轉(zhuǎn)子軸心落差不在可以接受的范圍內(nèi)；機(jī)器靜平衡調(diào)整不當(dāng)，熱套過盈配合性不好；安裝問題導(dǎo)致個(gè)別部位應(yīng)力集中；管道的空間布置不當(dāng)，有較大的節(jié)流損失和沿程阻力損失；檢修方法不當(dāng)，破壞了機(jī)組原有的平衡性能操作運(yùn)行未在正常工況下運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行主參數(shù)與設(shè)計(jì)值不同；汽輪機(jī)經(jīng)常超速超負(fù)荷運(yùn)行；在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)子的升速率過高或過低，引起振動(dòng)損壞機(jī)組；軸承與轉(zhuǎn)子軸頸處潤滑不良導(dǎo)致磨損；轉(zhuǎn)子工藝缺陷導(dǎo)致金相較差的部位產(chǎn)生疲勞和磨損；啟停機(jī)過程中盤車時(shí)間不夠，暖機(jī)時(shí)間不夠機(jī)器劣化長期運(yùn)行，保養(yǎng)不當(dāng)，機(jī)組各部分狀態(tài)較差；零部件磨損、腐蝕、脫落；機(jī)組的熱套過盈配合發(fā)生變化；機(jī)器的基礎(chǔ)沉降不均勻，機(jī)器殼體變形等3.2汽輪機(jī)振動(dòng)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)子時(shí)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)備發(fā)揮功能的主要構(gòu)造，高溫蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，從而使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。在工程實(shí)際中，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，發(fā)生故障的特征就是旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心，伴隨著振動(dòng)和噪聲。因此，在現(xiàn)場可以通過分析汽輪機(jī)的振動(dòng)情況來推斷出汽輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及該狀態(tài)的會(huì)如何發(fā)展。也可以通過故障前采集到的各種振動(dòng)圖形，判斷汽輪機(jī)出了在什么部位，出了何種故障，是否嚴(yán)重，是否對(duì)汽輪機(jī)主體造成了損害等等。3.2.1汽輪機(jī)振動(dòng)的分類我的導(dǎo)師曾經(jīng)提到過：汽輪機(jī)的故障診斷技術(shù)從某種層面上看就是汽輪機(jī)的振動(dòng)診斷技術(shù)。如果知道轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速、故障時(shí)的頻率及轉(zhuǎn)速等特征，就可以大體了解故障發(fā)生的原因?？梢宰鳛橐环N初步汽輪機(jī)故障診斷方法，可以幫助我們排除不可能因素，找出發(fā)生故障的大致原因。根據(jù)不同振動(dòng)的類型，振動(dòng)的成因，振動(dòng)的影響大小等等的特性，我們對(duì)機(jī)組故障時(shí)的振動(dòng)做了如下分類：3.2.1.1按振動(dòng)頻率分類按振動(dòng)頻率的高低可以分為基振動(dòng)、倍頻振動(dòng)（20、3f0）、頻率為基頻分?jǐn)?shù)（如1/2f0、1/3f0等）的振動(dòng)與基頻呈比例（如20%f0-35%3.2.1.2按振動(dòng)的原因分類根據(jù)汽輪機(jī)發(fā)生振動(dòng)故障的原因分類，可分為如下（1）由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)心偏移造成的不平衡振動(dòng)。（2）由于轉(zhuǎn)軸靜置彎曲或受熱彎曲、軸系對(duì)中性不良、不同的部分熱膨脹性不一致、機(jī)基礎(chǔ)的沉降不均勻等造成的轉(zhuǎn)子不對(duì)中振動(dòng)。（3）由于軸頸處油膜半速渦動(dòng)，產(chǎn)生自激振蕩。（4）由于各部件摩擦破壞轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡引起的振動(dòng)。（5）其他因素并發(fā)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)異常并引發(fā)的振動(dòng)。3.2.1.3按照振動(dòng)發(fā)生的部位分類根據(jù)汽輪機(jī)振動(dòng)故障的不同發(fā)生部位做了不同的分類。3.2.1.4按照振動(dòng)的激振力的不同按照汽輪機(jī)發(fā)生振動(dòng)的激振力的不同，可以把振動(dòng)分為：（1）強(qiáng)迫振動(dòng)，由外界提供的激振力引起的，振動(dòng)頻率與該激振力振動(dòng)頻率較為接近，因此也稱之為同步振動(dòng)[]；（2）自激振動(dòng)，是由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)自身產(chǎn)生力矩引起的振動(dòng)，頻率一般為一階臨界轉(zhuǎn)速的一半，也稱之為半頻振動(dòng)[]；（3）由各種擾動(dòng)力誘發(fā)的不規(guī)則振動(dòng)，叫做非定常振動(dòng)。圖3-1多盤轉(zhuǎn)子的常見振形3.2.2汽輪機(jī)振動(dòng)特征汽輪機(jī)的振動(dòng)特征見表3-2:表3-2汽輪機(jī)振動(dòng)特征匯總表序號(hào)故障名稱頻譜特征其他特征1轉(zhuǎn)子原始彎曲1倍頻振幅、相位隨時(shí)間緩慢變化到一定值，轉(zhuǎn)子冷卻后狀態(tài)恢復(fù)2轉(zhuǎn)子不平衡1倍頻在運(yùn)行初期機(jī)組振動(dòng)處于較高水平，在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振幅較小3轉(zhuǎn)子熱變形1倍頻伴隨有2倍頻的高次諧波，振動(dòng)多為徑向，轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)方向?yàn)檎M(jìn)動(dòng)4轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫1X倍頻振動(dòng)突然增加，相位突變，伴隨異響5聯(lián)軸器松動(dòng)1倍頻、2倍頻與轉(zhuǎn)速和負(fù)荷有關(guān)，帶高負(fù)荷是更明顯6軸系不對(duì)中1倍頻、2倍頻振動(dòng)較為穩(wěn)定，聯(lián)軸器兩側(cè)的振動(dòng)較大，軸心軌跡為雙環(huán)橢圓7動(dòng)靜件摩擦1倍頻、整分?jǐn)?shù)倍頻振動(dòng)不穩(wěn)定，有削波現(xiàn)象，含有豐富的次諧波與高次諧波，軸心呈現(xiàn)反向渦動(dòng)等8油膜渦動(dòng)0.35倍頻~0.5倍頻振動(dòng)非常劇烈，頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率相近，且振幅較大，渦動(dòng)方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同9氣流激振0.6倍頻~0.9倍頻其軸心軌跡表現(xiàn)出由小變大的振動(dòng)方式，由于受到軸承限而達(dá)到一種飽和狀態(tài)，但由于不穩(wěn)定激勵(lì)力的存在，使得軸心軌跡由大變小10油膜振蕩fcnt突發(fā)性的大振動(dòng)，頻率與轉(zhuǎn)子到達(dá)第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的頻率相等，且振幅大于1X[21]11基礎(chǔ)共振1ｘ倍頻振幅和頻率隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化12轉(zhuǎn)子裂紋1倍頻、2倍頻減速到1/2臨界轉(zhuǎn)速時(shí)有振幅為2X的峰值，并且隨著時(shí)間逐漸增大13結(jié)構(gòu)剛度不足1倍頻X與轉(zhuǎn)速有關(guān)，振動(dòng)幅度和頻率與瓦振軸振相接近14中心孔進(jìn)油1倍頻、0.8~0.9倍頻轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)幅度運(yùn)行時(shí)間的增加而增大15軸承座剛度不對(duì)稱2倍頻故障可能引起轉(zhuǎn)子的分?jǐn)?shù)次諧波共振，在垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)時(shí)的特征差別較大16轉(zhuǎn)軸截面剛度不對(duì)稱2倍頻呈非線性變化3.2.3轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)的影響在汽輪機(jī)達(dá)到一定的速度時(shí)，由于軸系的連接誤差以及轉(zhuǎn)子自重造成的自然彎曲，轉(zhuǎn)子各段的軸心并不能完全落在中心軸線上，因此會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的振動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)的轉(zhuǎn)速，我們稱之為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。它不是一個(gè)特定的速度數(shù)值，而是一段數(shù)值區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在這段區(qū)域內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生頻率與轉(zhuǎn)速頻率相同，振幅較大的振動(dòng)。那么汽輪機(jī)系統(tǒng)如何能度過這個(gè)難關(guān)呢？Jeffcott用一個(gè)對(duì)稱的單轉(zhuǎn)子模型在理論上分析了這一現(xiàn)象，證明只要在振幅還未上升到危險(xiǎn)程度時(shí)，迅速提高轉(zhuǎn)速，越過臨界點(diǎn)后，轉(zhuǎn)子的振幅就會(huì)降下來[22]。汽輪機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域停留的時(shí)間和沖過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的跨越速度等運(yùn)行參數(shù)與汽輪機(jī)的其他振動(dòng)問題也有一定的聯(lián)系，也是一個(gè)表征汽輪機(jī)性能的參數(shù)量，故在汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)測量、運(yùn)行模擬和故障診斷中，準(zhǔn)確地計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域也是十分有必要的。3.2.4汽輪機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)已經(jīng)被電力行業(yè)以及機(jī)械制造、機(jī)械維修行業(yè)作為評(píng)定機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，汽輪機(jī)的振動(dòng)也被認(rèn)定為是判斷汽輪機(jī)故障的第一要素。但在最開始，各國對(duì)于振動(dòng)的描述和測量方位有著很大的不同，為了規(guī)范使用與方便交流，1972年，國際電工委員會(huì)規(guī)定，汽輪機(jī)的振動(dòng)評(píng)定尺度主要有軸承座振動(dòng)位移、軸承座振動(dòng)烈度和軸徑向位移三種[23]。軸承座振動(dòng)軸承座振動(dòng)，又稱為軸承振動(dòng)或瓦振，它是以軸承座垂直、水平和軸向三個(gè)方向中的最大振動(dòng)為評(píng)定依據(jù)[24]。我國的電力行業(yè)起步較晚，于是在一開始就借鑒國外技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，通過衡量軸承振動(dòng)位移信號(hào)和軸承振動(dòng)頻率信號(hào)來分析和判斷軸承座振動(dòng)情況的，并于1980年納入我國電力工業(yè)部實(shí)行的《電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)》，進(jìn)一步規(guī)范了我國電力行業(yè)的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范中給出的規(guī)范如下表：表3-3軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分鐘）優(yōu)良合格150030507030002030503.2.4.1軸承振動(dòng)烈度早在20實(shí)際40年代末，工業(yè)上就提出了在一般的機(jī)械振動(dòng)故障診斷，僅僅采用振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度、振動(dòng)速度并不能正確的反映振動(dòng)的情況。因此，為了精確表達(dá)振動(dòng)情況，大多數(shù)情況下建議使用三個(gè)方向上的振動(dòng)速度的均方根值：其表達(dá)式如下：νrms=如果振動(dòng)信號(hào)只含有單一頻率成分ω，振動(dòng)位移和振動(dòng)速度的表達(dá)式分別為yt=νt=把連個(gè)式子聯(lián)立求解，由此可以得出振動(dòng)的速度和位移的關(guān)聯(lián)式：νrms=0.707×對(duì)于頻率為50Hz的振動(dòng)量而言ν而當(dāng)頻率分量較為復(fù)雜時(shí)，根據(jù)傅里葉變換可以求出不同頻率的分量fi對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值A(chǔ)i，速度的均方根可由下面這個(gè)公式計(jì)算：νrms=π×注：當(dāng)頻率分量較大時(shí)，采用上式換算誤差較大。速度有效值應(yīng)該以儀表直接顯示為準(zhǔn)。GB11347.1-89《大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)烈度現(xiàn)場測量與評(píng)定》給出了振動(dòng)烈度的評(píng)定等級(jí)[25]。如表3-4所示：表3-4振動(dòng)烈度評(píng)定等級(jí)振動(dòng)烈度支承類別νrms（mm/s）剛性支撐柔性支承0.46AA0.711.121.82.8B4.6B7.1CB11.2C18.0D28.0D46.071.0然后根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，將振動(dòng)評(píng)價(jià)分為了四個(gè)區(qū)，各評(píng)價(jià)區(qū)域的具體定義見表3-5：表3-5振動(dòng)評(píng)定區(qū)域分界定義區(qū)域描述區(qū)域A剛剛投入生產(chǎn)的機(jī)組應(yīng)該在此區(qū)域內(nèi)區(qū)域B符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，可以連續(xù)運(yùn)行區(qū)域C不符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該停機(jī)維護(hù)或檢修區(qū)域D振動(dòng)可能損壞機(jī)組，應(yīng)該大修或更換3.4.2.2轉(zhuǎn)軸振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)研究表明，當(dāng)激振力一定時(shí)，支承剛度越大，軸承座振動(dòng)越小，軸振越大。因此，在工程實(shí)際中要注意此處的引用。振動(dòng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)充分考慮該因素[26]。表3-6和表3-7是《陸地安裝大型汽輪發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)軸向振動(dòng)測量與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[27]。該標(biāo)準(zhǔn)適用于在陸地安裝、功率大于等于50MW、額定轉(zhuǎn)速范圍從1500-3600r/min的電站大型發(fā)電汽輪機(jī)組，振動(dòng)區(qū)域劃分與表2-5相同。表3-6相對(duì)振動(dòng)位移推薦值區(qū)域上界額定轉(zhuǎn)速/（r/min）1500180030003600A/B100908075B/C200185165150C/D300290260240表3-7絕對(duì)振動(dòng)位移推薦值區(qū)域上界額定轉(zhuǎn)速/（r/min）1500180030003600A/B12011010090B/C240220200180C/D385350320290我國電力行業(yè)在最初多采用進(jìn)口汽輪機(jī)，且大多購自歐美，所以我國應(yīng)用的軸振標(biāo)準(zhǔn)參考自美國GE公司：表3-8GE汽輪機(jī)軸振標(biāo)準(zhǔn)軸振標(biāo)準(zhǔn)良好報(bào)警跳閘雙振幅75以下125以上250以上需要注意的是，由于測量設(shè)備會(huì)受到現(xiàn)場的機(jī)械干擾和電磁干擾等因素的影響，將會(huì)產(chǎn)生測量偏差，工程學(xué)中稱之為偏擺，當(dāng)偏擺量超出一應(yīng)范圍時(shí)，一般為振動(dòng)限值的15%，應(yīng)采取必要的補(bǔ)償措施，在軸振動(dòng)的測量信號(hào)中應(yīng)扣除偏擺分量。3.2.5小結(jié)工程實(shí)踐證明，要想正確地診斷出出機(jī)組的故障狀態(tài)，甚至預(yù)測故障趨勢，就必須深入透徹地研究振動(dòng)這一征兆。本節(jié)介紹了振動(dòng)這一汽輪機(jī)故障的重要表現(xiàn)形式和研究特征。從基礎(chǔ)概念著手，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分類，接著列表敘述了汽輪機(jī)各種因素所引發(fā)振動(dòng)的主要特征，通過該表可以應(yīng)用不多的數(shù)據(jù)來初步判別汽輪機(jī)的故障部位及大致情況。然后又介紹了臨界轉(zhuǎn)速對(duì)于汽輪機(jī)振動(dòng)的影響，說明了振動(dòng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，包括了相對(duì)振動(dòng)和絕對(duì)振動(dòng)，在結(jié)尾還給出了國際標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)于汽輪機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定。3.3轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)子的幾何軸心周圍質(zhì)量分布不均，質(zhì)心不在軸線上而產(chǎn)生的附加慣性力或力偶現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)子不平衡[28]。它是引起汽輪機(jī)振動(dòng)的主要原因之一，而且無法避免，也無法預(yù)測。因?yàn)橹谱鞴に嚨南拗?，難免在鑄造過程中導(dǎo)致某些部位質(zhì)量分布不勻，再加上其產(chǎn)生的不平衡量無論大小和方向都是隨機(jī)的，因此很難預(yù)判。但是在通常情況下，我們可以通過分析廣時(shí)間域的數(shù)據(jù)，來推測出產(chǎn)生不平衡故障時(shí)的慣性離心力矩的分布情況以及它和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，進(jìn)而可以在到達(dá)該轉(zhuǎn)速時(shí)，控制轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)，避免振動(dòng)過大引發(fā)汽輪機(jī)故障。轉(zhuǎn)子不平衡故障的對(duì)機(jī)組產(chǎn)生的影響如下所述：會(huì)產(chǎn)生一定的慣性力矩和內(nèi)應(yīng)力，造成轉(zhuǎn)子金屬疲勞和蠕性形變；產(chǎn)生巨大的振動(dòng)和噪音，誘發(fā)其他故障，降低運(yùn)行性能；縮短了維修周期，降低使用壽命。在工程現(xiàn)場，轉(zhuǎn)子不平衡是最常見的振動(dòng)原因之一，因此一個(gè)完善可靠的汽輪機(jī)故障檢測系統(tǒng)，應(yīng)該對(duì)該故障進(jìn)行尤其深入的研究，這樣才能在應(yīng)用實(shí)際中，發(fā)揮診斷故障的真正作用。圖3-2轉(zhuǎn)子不平衡的軸心軌跡分析圖3.3.1轉(zhuǎn)子不平衡的分類轉(zhuǎn)子的不平衡按照發(fā)生過程可以分為初始不平衡，漸變不平衡和突發(fā)不平衡三種情況[29]。⑴初始不平衡：由轉(zhuǎn)子本身的缺陷和問題、以及不正確的安裝方法、不合格的維護(hù)保養(yǎng)等因素造成的。⑵漸變不平衡：在運(yùn)行了一段時(shí)間后才發(fā)生的不平衡故障，主要是由于轉(zhuǎn)子主要構(gòu)造結(jié)垢、通流部位磨損等后期運(yùn)行因素累積而導(dǎo)致的。⑶突發(fā)不平衡:主要是由于轉(zhuǎn)子上有零件脫落、管道內(nèi)出現(xiàn)異物等非正常的因素引起的振動(dòng)。特點(diǎn)是機(jī)組振動(dòng)突然增大，后穩(wěn)定在某一個(gè)水平。圖3-3三種不平衡的振幅變化趨勢3.3.2轉(zhuǎn)子不平衡故障的特征上面提到，大多數(shù)汽輪機(jī)振動(dòng)故障都與轉(zhuǎn)子不平衡有著或多或少的聯(lián)系。因此，熟悉轉(zhuǎn)子不平衡現(xiàn)象的故障特征對(duì)于故障診斷頗為重要。因此，在電力行業(yè)總結(jié)分了相當(dāng)數(shù)量的轉(zhuǎn)子不平衡故障發(fā)生前后的頻譜、轉(zhuǎn)速等一些基本參數(shù)后，做了如下總結(jié)：振動(dòng)的時(shí)域波形近似為正弦波。轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的諧波大多為基頻諧波。當(dāng)ω<ωn時(shí)，即在臨界轉(zhuǎn)速下，振幅隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大；當(dāng)ω>ωn時(shí)，即在臨界轉(zhuǎn)速以上，轉(zhuǎn)速增加是振幅趨于較小的穩(wěn)定值；當(dāng)ω約等于ωn時(shí)，發(fā)生共振。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，相位保持穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓形。軸心為同步正進(jìn)動(dòng)。初始不平衡的向量域穩(wěn)定在某一允許范圍內(nèi)，漸變不平衡的向量域逐漸變化、突發(fā)不平衡向量域則會(huì)產(chǎn)生突變[30]。3.3.3轉(zhuǎn)子不平衡故障的原因轉(zhuǎn)子不平衡作為常見的汽輪機(jī)故障，其原因涉及到從設(shè)計(jì)制造到運(yùn)輸安裝，從運(yùn)行使用到維護(hù)保養(yǎng)的方方面面，具體的故障原因如下表所示：（為表示方便，某些名詞采用簡寫，如初始不平衡寫為初始）表3-9汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡的原因序號(hào)原因分類主要原因初始漸變突發(fā)1設(shè)計(jì)原因設(shè)計(jì)不規(guī)范，圖紙有誤差參數(shù)計(jì)算不正確運(yùn)行規(guī)范不合理材質(zhì)選用錯(cuò)誤力矩分配，導(dǎo)致應(yīng)力集中零部件易脫落2制造原因制造精度不夠加工不夠細(xì)致加工流程錯(cuò)誤未做出廠試驗(yàn)打磨精細(xì)度不夠高，關(guān)鍵部位易結(jié)垢表面鍍層不好，容易被腐蝕熱處理工序未達(dá)標(biāo)，應(yīng)力抵抗能力差濾網(wǎng)精細(xì)度、強(qiáng)度不好3安裝維修安裝誤差大零部件未嚴(yán)格按照說明書安裝維修時(shí)沒有及時(shí)除垢沒有檢查各零件的緊密性及濾網(wǎng)的完整性4操作運(yùn)行沒有按照標(biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)行蒸汽中帶有水蒸汽或其他異物某些入口處節(jié)流阻力大，零件松脫速度、負(fù)荷突變5狀態(tài)劣化長時(shí)間工作運(yùn)行使得轉(zhuǎn)子老化長期異工況運(yùn)行導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磨損或產(chǎn)生汽蝕長期應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋長期使用導(dǎo)致其他部件老化斷裂3.3.4轉(zhuǎn)子不平衡的診斷在工程實(shí)際中，常常通過波形、頻率、振動(dòng)方向等因素來判斷一個(gè)故障是否有轉(zhuǎn)子不平衡引起，詳細(xì)的判斷規(guī)則如下圖所示：（為表示方便，某些名詞采用簡寫，如初始不平衡寫為初始）表3-10轉(zhuǎn)子不平衡的診斷序號(hào)特征參數(shù)故障特征原始漸變突發(fā)1時(shí)域波形正弦波正弦波正弦波2特征頻率1X1X1X3伴隨頻率高次諧波高次諧波高次諧波4穩(wěn)定性能較穩(wěn)定逐漸增大突發(fā)性增大后穩(wěn)定5振動(dòng)方向徑向徑向徑向6相位特征穩(wěn)定漸變突發(fā)后穩(wěn)定7軸心軌跡橢圓橢圓橢圓8進(jìn)動(dòng)方向正進(jìn)動(dòng)正進(jìn)動(dòng)正進(jìn)動(dòng)3.4轉(zhuǎn)子不對(duì)中出于對(duì)蒸汽內(nèi)能的最大程度利用的原則，以及某些大型機(jī)組的再熱回?zé)嵩O(shè)計(jì)，汽輪機(jī)多采用多缸設(shè)計(jì)，即分為高壓缸、中壓缸、低壓缸三個(gè)部分，因此汽輪機(jī)的軸系是很長的。由于制造工藝的不足與安裝條件的限制，我們無法安裝相當(dāng)長的一根轉(zhuǎn)子，亦無法在保證精確與剛度的同時(shí)鑄造一整根轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)。因此我們將轉(zhuǎn)子分段鑄造，不同段的轉(zhuǎn)子使用聯(lián)軸器連接。圖3-4組合轉(zhuǎn)子系統(tǒng)機(jī)器工作時(shí)各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生的平行位移、軸線角度位移等變化誤差，稱為轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障【31】。具有不對(duì)中故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生一系列有害于設(shè)備的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，例如一起軸系聯(lián)軸器的偏轉(zhuǎn)、咬死，軸承的損壞，軸主體撓曲變形，為軸承添加附加負(fù)荷，甚至使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加彎矩，致使軸上的負(fù)荷比重新分配，導(dǎo)致軸及軸承的損壞[32]。圖3-5在不對(duì)中故障軸系的受力情況3.4.1轉(zhuǎn)子在不對(duì)中的分類轉(zhuǎn)子的不對(duì)中故障根據(jù)發(fā)生的位置不同，可以分為兩大部分：一種是軸系不對(duì)中故障，這種故障非常普遍，普遍到幾乎每一臺(tái)汽輪機(jī)都有此故障。另一種是軸承不對(duì)中故障，這種并不嚴(yán)重，從技術(shù)層面來講，比較容易處理和預(yù)防。下面將分別介紹這兩種不對(duì)中故障。3.4.1.1軸系不對(duì)中軸系不對(duì)中相對(duì)于上一種故障，具有較高的普遍性，在工程實(shí)際中，被人們掛在嘴邊的轉(zhuǎn)子不對(duì)中，大多數(shù)情況下指的是軸系不對(duì)中。造成軸系不對(duì)中的原因可能使安裝誤差、材料蠕性形變、基礎(chǔ)沉降不均勻等造成的[33]。通常我們會(huì)采用可調(diào)節(jié)矢量式聯(lián)軸器和自動(dòng)位移軸承來緩解和調(diào)節(jié)不會(huì)中故障，雖然在理論上講不可能是轉(zhuǎn)子達(dá)到絕對(duì)對(duì)中，但可以把振動(dòng)降低到機(jī)器允許和運(yùn)行可接受的范圍內(nèi)。軸系不對(duì)中一般分為三種情況：1)兩段轉(zhuǎn)子的幾何中軸線仍然平行，但不在同一條水平線上，稱為平行不對(duì)中；2)偏角不對(duì)中，兩段轉(zhuǎn)子的截面切線皆與法線相交，幾何中軸線呈一定角度；3)綜合不對(duì)中，幾何中軸線存在垂直方向上的位移和水平方向的交叉，為前兩者的綜合情況，也稱為偏角平行不對(duì)中。圖3-6轉(zhuǎn)子的幾種不對(duì)中情況3.4.1.2軸承不對(duì)中軸承不對(duì)中實(shí)際上反映的是軸承坐標(biāo)高和左右位置的偏差[34]。由于結(jié)構(gòu)上的原因，軸承在水平方向和垂直方向上具有不同的剛度和阻尼，不對(duì)中的存在加大了這種差別[35]。我們?yōu)榱私鉀Q摩擦問題在軸系與軸承之間加入一層油膜，油膜根據(jù)油泵壓力來調(diào)整厚度，因此從理論上來講，在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)輕微不對(duì)中故障的情況下，我們可以利用油膜彈性并通過提高油膜厚度來緩解軸承不對(duì)中所帶來的負(fù)面效應(yīng)。但是一旦不對(duì)中狀態(tài)惡化到一定程度，會(huì)使得油楔失穩(wěn)，這時(shí)只能選擇停機(jī)重新校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子后再繼續(xù)運(yùn)行。軸承不對(duì)中故障會(huì)引起軸頸中心線的位移，打破軸的動(dòng)平衡性能。同時(shí)將改變軸的各向應(yīng)力，使得不同方向上的軸系所分配到的支承負(fù)荷不同。如果某一段油膜負(fù)荷較大，則將在此產(chǎn)生半速渦動(dòng)并導(dǎo)致失穩(wěn)；而分配到較小支承負(fù)荷的油膜則有可能發(fā)生油膜振蕩。另一方面，支撐負(fù)荷的變化還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速以及振形發(fā)生改變。3.4.2轉(zhuǎn)子不對(duì)中的主要故障特征出于聯(lián)軸強(qiáng)度、傳矩能力、傳動(dòng)精度、使用壽命等等的一系列考量，在大多數(shù)的汽輪發(fā)電機(jī)組中，全部采用的是齒式聯(lián)軸器下圖為齒式聯(lián)軸器的示意圖：圖3-7齒式聯(lián)軸器示意圖根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)生該故障時(shí)，有以下特點(diǎn)：不對(duì)中故障的頻率為基礎(chǔ)頻率的二倍。由不對(duì)中故障引起的轉(zhuǎn)子的激勵(lì)應(yīng)力，隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大[36]。在聯(lián)軸器的軸向和徑向上，不同頻率的相位差不同。而且根據(jù)不對(duì)中的情況不同，所差的相位角也不同。由于兩段軸心不在同一水平線上，因此中心齒套圍繞軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡可以近似處理成一個(gè)三維模型。在平行位移不對(duì)中的旋轉(zhuǎn)輪廓為一圓柱體，角位移不對(duì)中時(shí)為雙錐體[37]。3.4.3轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的產(chǎn)生原因轉(zhuǎn)子不對(duì)中引作為汽輪機(jī)的常見故障，其誘因也是有很多的，從設(shè)計(jì)制造到使用維護(hù)的整個(gè)過程，都會(huì)影響到轉(zhuǎn)子的對(duì)中性能。例如，在設(shè)計(jì)制造時(shí)，計(jì)算了錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)子參數(shù)或采用了不合格的材料，都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)各個(gè)方向上的熱膨脹量不均勻，不同轉(zhuǎn)子在同一水平高度上的伸縮量不同，嚴(yán)重影響對(duì)中性能；或是對(duì)介質(zhì)壓力、介質(zhì)溫度、介質(zhì)流速及真空度的變化對(duì)轉(zhuǎn)子及機(jī)殼的影響計(jì)算不準(zhǔn)確，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與設(shè)計(jì)不相符的運(yùn)行偏差，會(huì)讓安裝時(shí)對(duì)中完畢的軸系無法在運(yùn)行時(shí)對(duì)中。在安裝維修時(shí)，由于校準(zhǔn)的精度不足或者維修規(guī)程不符合要求，都會(huì)讓轉(zhuǎn)子難以準(zhǔn)確對(duì)中。此外，長期的超負(fù)荷運(yùn)行、運(yùn)行工況長期偏離設(shè)定值，都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生損害，使其受到腐蝕和形變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子對(duì)中性無法達(dá)到要求。3.4.4轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的診斷表3-11轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的診斷序號(hào)特征參數(shù)故障特征平行不對(duì)中偏角不對(duì)中綜合不對(duì)中1時(shí)域波形1X與2X疊加波形1X與2X頻疊加波形1X與2X頻疊加波形2特征頻率2X頻明顯提高2X頻明顯提高2X頻明顯提高3常伴頻率1X頻，高次諧波1X頻，高次諧波1x頻，高次諧波4振動(dòng)穩(wěn)定性穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定5振動(dòng)方向軸向?yàn)橹鲝较?、軸向均較大徑向、軸向均較大6相位特征較穩(wěn)定穩(wěn)定較穩(wěn)定7軸心軌跡雙環(huán)橢圓雙環(huán)橢圓雙環(huán)橢圓8進(jìn)動(dòng)方向正進(jìn)動(dòng)正進(jìn)動(dòng)正進(jìn)動(dòng)3.5動(dòng)靜碰摩此轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜碰摩是一種非常常見的汽輪機(jī)故障。由于汽輪機(jī)的分缸設(shè)計(jì)與同軸一體設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了現(xiàn)代工廠使用的汽輪機(jī)全部由基座、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、上殼體三個(gè)部分組成。為了提高機(jī)組效率、提高轉(zhuǎn)自的旋轉(zhuǎn)速度、減少漏氣損失和熱量損失、提高沖動(dòng)級(jí)做工能力，我們常常把轉(zhuǎn)子與殼體、轉(zhuǎn)子與軸承之間的間隙設(shè)計(jì)得很小。雖然成功地減小了漏氣、散熱等，但也大大增加了碰摩發(fā)生的概率。因但其看似簡單的發(fā)生機(jī)制和故障機(jī)理背后，其實(shí)有著相當(dāng)復(fù)雜的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)行為。下面簡述其誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理：以靜子為參照物，碰摩可以概括為兩個(gè)階段：接觸與彈回。當(dāng)轉(zhuǎn)子由于熱變形等因素與靜子部分接觸，根據(jù)剛度公式：Ｋ=Ｐ/δ（3—6）K為剛度Ｐ為外力δ為形變量可知：由于轉(zhuǎn)子具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，因此在碰撞過程中的形變量δ變化率很小，幾乎為零，而在碰撞時(shí)由于轉(zhuǎn)子的高轉(zhuǎn)速，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的反作用力Ｐ，因此轉(zhuǎn)子的剛度K增大。而在轉(zhuǎn)子與靜子碰撞后，接觸部分相互脫離，施力Ｐ的減小導(dǎo)致剛度K的減小，因此轉(zhuǎn)子的剛度在這兩者之間變化，并由此產(chǎn)生了一個(gè)與轉(zhuǎn)子自身一階振動(dòng)頻率相近的振動(dòng)。筆者曾經(jīng)親歷過一次該故障，雖然碰摩發(fā)生在風(fēng)機(jī)，但其原理類似。那是在邢臺(tái)某電廠實(shí)地研習(xí)時(shí)，該廠的一臺(tái)主風(fēng)機(jī)突然產(chǎn)生振動(dòng)并跳閘，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該主風(fēng)機(jī)由于使用時(shí)間已久，設(shè)備老化，機(jī)殼部分小面積變形，在啟動(dòng)過程中由于受熱的膨脹量不均勻，因此風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子與殼體之間產(chǎn)生了摩擦，動(dòng)靜碰摩導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)出口的最大振動(dòng)值為176μm，幾乎為二級(jí)警報(bào)值的兩倍。圖3-8動(dòng)靜碰摩時(shí)的頻譜圖和軸心軌跡圖3.5.1動(dòng)靜碰摩的分類按照發(fā)生位置的不同，可以分為轉(zhuǎn)動(dòng)部分摩擦和非轉(zhuǎn)動(dòng)部分摩擦。轉(zhuǎn)動(dòng)部分摩擦指的是摩擦發(fā)生部位不在轉(zhuǎn)軸本體上，而是發(fā)生在葉片、葉輪等部位。轉(zhuǎn)軸摩擦則是指摩擦部位位于軸承本身，常見的有轉(zhuǎn)軸與軸承、轉(zhuǎn)軸與氣封、轉(zhuǎn)軸與殼體等。按照其發(fā)展過程分，大多數(shù)汽輪機(jī)的碰摩故障在最初都屬于局部的動(dòng)靜碰摩，主要是發(fā)生在轉(zhuǎn)子的自激振動(dòng)及渦動(dòng)過程中的一種偶然性故障，其本身具有相當(dāng)明顯的偶然性和規(guī)律性。隨著碰摩過程的持續(xù)，摩擦部位的表面溫度急劇升高，從而導(dǎo)致該部位金屬的熱變形，進(jìn)而誘發(fā)轉(zhuǎn)子的不平衡等其他故障，從而引發(fā)全周摩擦，由于全周摩擦的進(jìn)動(dòng)方向多為徑向，因此也成為全周徑向摩擦。在發(fā)生全周摩擦振動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子將完全失穩(wěn)。因此大多數(shù)機(jī)組在經(jīng)歷了全周徑向摩擦后，會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的損壞。3.5.2動(dòng)靜碰摩的主要特征轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜碰摩有以下幾個(gè)特征：振動(dòng)特征相對(duì)穩(wěn)定，但相位具有明顯的波動(dòng)特性，在接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生劇烈的相位跳動(dòng)。振幅和摩擦的程度成正比。在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，碰摩振動(dòng)尤其明顯且十分不穩(wěn)定。振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生劇烈的噪音，其頻譜與轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜有一定的聯(lián)系。動(dòng)靜碰摩時(shí)，不論是局部碰摩還是全周徑向碰摩，其轉(zhuǎn)子的軸心軌跡總是與轉(zhuǎn)子渦動(dòng)方向相同，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，并且不論碰摩的輕重程度，其軸心軌跡圖都帶有一個(gè)附加的環(huán)。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)子與靜止件發(fā)生軸向摩擦?xí)r，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特征幾乎與正常狀況一致，不存在明顯的、決定性的異常特征，因此不能通過分析波形、軸心軌跡和頻譜的方法來診斷動(dòng)靜軸向摩擦[38]。圖3-9動(dòng)靜碰摩故障時(shí)的波形、頻譜和軸心軌跡圖圖3-10動(dòng)靜碰摩故障時(shí)域波形圖3.5.3動(dòng)靜碰摩的主要原因引起動(dòng)靜碰磨故障的因素，歸納起來，主要有兩方面的因素：幾何因素：由于設(shè)計(jì)間隙偏小，制造過程中可能出現(xiàn)的誤差，制造、安裝時(shí)管道膨脹不均勻，引起的動(dòng)靜碰摩[]；當(dāng)汽輪機(jī)在高溫高壓下工作時(shí)，氣缸各部位的熱膨脹量不一可能會(huì)導(dǎo)致葉片頂部與氣缸內(nèi)壁間的徑向碰磨；汽輪機(jī)隔板在蒸氣壓力差的作用下造成的撓度過大，與預(yù)留間隙不匹配，可能造成隔板與葉輪的軸向碰摩；此外轉(zhuǎn)子的熱彎曲會(huì)使轉(zhuǎn)子的軸心偏心過大，造成軸系的動(dòng)靜碰摩[]。過大的振動(dòng)，如不平衡、不對(duì)中等故障的發(fā)生使得軸系振動(dòng)過大，引起動(dòng)靜碰摩。3.5.4動(dòng)靜碰磨的故障診斷表3-12動(dòng)靜碰磨的故障診斷序號(hào)特征參數(shù)故障特征局部徑向摩擦全周徑向摩擦軸向1波形削波削波正弦波2特征頻率1/nX及nX1/2X及nX3常伴頻率1X1X1x4振動(dòng)穩(wěn)定性不穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定5振動(dòng)方向徑向徑向徑向、軸向6相位特征反向反向波動(dòng)7軸心軌跡紊亂紊亂波動(dòng)8進(jìn)動(dòng)方向正反反3.5.5動(dòng)靜碰摩故障的處理1).重新調(diào)整轉(zhuǎn)子與靜子之間的各個(gè)間隙。2).安裝時(shí)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求。3).重新調(diào)整轉(zhuǎn)子高度及轉(zhuǎn)子定心高度。4).重新調(diào)整基礎(chǔ)位置，以此來抵消沉降量。3.5.6動(dòng)靜碰摩故障的預(yù)防1).將設(shè)計(jì)精度、制造精度盡可能的提高。2).安裝時(shí)盡量嚴(yán)格按照要求。3).定期檢修，避免其他震動(dòng)故障引發(fā)碰摩。3.6轉(zhuǎn)子彎曲由于轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的高速度，過高的質(zhì)量及過大的徑向面積會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力，對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行和起停都十分不利，因此我們把轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)得很細(xì)；為了在較細(xì)轉(zhuǎn)子的情況下保持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩不會(huì)變得很小，我們又增加了轉(zhuǎn)子的軸向長度來維持轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此在工程現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用中，汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子大多又細(xì)又長。再加上支承轉(zhuǎn)子兩端的軸承基座是剛性結(jié)構(gòu)，屬于剛性支撐，因此轉(zhuǎn)子容易產(chǎn)生中間部分向下的彎曲變形。3.6.1轉(zhuǎn)子彎曲的分類根據(jù)轉(zhuǎn)子彎曲的嚴(yán)重程度與矯正難度可以分為:臨時(shí)性彎曲，顧名思義，就是指汽輪機(jī)可以在運(yùn)行中自行準(zhǔn)直或經(jīng)過簡單的就地維修后可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)的彎曲。造成臨時(shí)性彎曲的的原因有預(yù)負(fù)荷過大、開機(jī)運(yùn)行時(shí)暖機(jī)不充分、升速過快局部碰摩產(chǎn)生溫升導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱變形不均勻等[39]。永久性彎曲，即短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)的彎曲，機(jī)器沒有辦法自行準(zhǔn)直,在就地的簡單維修處理也無法解決問題，必須要送回軸承廠進(jìn)行直軸處理，并重新校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。造成永久形彎曲的原因有轉(zhuǎn)軸材料使用不當(dāng)，轉(zhuǎn)子自身強(qiáng)度不夠；轉(zhuǎn)子長期放置未使用，也沒有定期進(jìn)行盤車；機(jī)組進(jìn)行緊急停機(jī)后沒有及時(shí)盤車；蒸汽帶水進(jìn)入氣缸導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸極冷，溫度不均。3.6.2轉(zhuǎn)子彎曲的主要特征序號(hào)特征參數(shù)故障特性永久臨時(shí)1時(shí)域波形正弦波正弦波2特征頻率1X1X3常伴頻率2X，高次諧波2X，高次諧波4穩(wěn)定性穩(wěn)定，且初始振動(dòng)高穩(wěn)定，振動(dòng)有凹谷5振動(dòng)方向徑向徑向6相位特征穩(wěn)定開機(jī)過程有變化7軸心軌跡橢圓橢圓8進(jìn)動(dòng)方向正進(jìn)動(dòng)正進(jìn)動(dòng)3.6.3轉(zhuǎn)子彎曲的原因轉(zhuǎn)子彎曲的故障原因見下表：表6-1轉(zhuǎn)子彎曲故障的原因序號(hào)原因分類主要原因永久性彎曲臨時(shí)性彎曲1設(shè)計(jì)原因結(jié)構(gòu)不合理結(jié)構(gòu)不合理2制造原因材料材質(zhì)不均勻材質(zhì)不均勻，制造誤差大3安裝維修①未按照檢修規(guī)程檢修②轉(zhuǎn)子長期存放不當(dāng)①轉(zhuǎn)子有較大的預(yù)負(fù)荷②局部動(dòng)靜碰摩導(dǎo)致熱彎曲4操作運(yùn)行未及時(shí)盤車升速降速時(shí)暖機(jī)不充分5狀態(tài)劣化長期運(yùn)行彎曲長期運(yùn)行彎曲3.6.4直軸方法1).局部加熱直軸法：適用于臨時(shí)性彎曲，方法是在彎曲處施以高溫。2).機(jī)械直軸法：在彎曲部位世家一定的機(jī)械應(yīng)力。3).機(jī)械加熱直軸法：加熱彎曲部位，同時(shí)對(duì)該部位施以機(jī)械應(yīng)力，該種方法效力很高。4).熱狀態(tài)直軸法，也稱松弛法。3.6.5預(yù)防方法1).轉(zhuǎn)子靜置不用時(shí)要定期盤車，定期檢查。2).延長停車后的盤車時(shí)間。3).提高機(jī)組的暖機(jī)時(shí)間。4).經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)轉(zhuǎn)子。3.7油膜渦動(dòng)與油膜振蕩3.7.1油膜渦動(dòng)在工程實(shí)際中，汽輪機(jī)組大多采用徑向滑動(dòng)軸承。為了減小摩擦力，提高相對(duì)轉(zhuǎn)速，常常利用潤滑油泵把潤滑油注入到軸瓦，在軸承與軸頸之間形成具有一定壓力的潤滑油膜，兼具潤滑軸系接觸部位以及支承軸頸的作用。根據(jù)流體力學(xué)，在軸瓦表面的油膜相對(duì)速度為零，設(shè)為V0=0。在軸頸表面的油膜速度與軸頸轉(zhuǎn)速相同，設(shè)為V1，因此在將油膜模型簡單化處理后：油膜速度V=V0+V12可見油膜的平均速度為軸頸轉(zhuǎn)速的二分之一，并且在圓周的任意一點(diǎn)都是如此，所以油膜渦動(dòng)也叫油膜半速振動(dòng)。圖3-11軸頸的半速渦動(dòng)分析圖3.7.2油膜渦動(dòng)的主要特征 1).油膜渦動(dòng)的頻率約為軸頸轉(zhuǎn)速頻率的二分之一[]。2).油膜渦動(dòng)的振動(dòng)和相位都相對(duì)較穩(wěn)定[]。3).軸心軌跡為雙環(huán)橢圓，這是由于油膜的各向異性。正進(jìn)動(dòng)方向3.7.3如何消除油膜渦動(dòng)1）.讓軸頸和軸瓦保持一個(gè)較大的偏心率。2）.選用傾斜式可抑振軸承。3）.降低潤滑油溫度。3.7.4油膜振蕩在汽輪機(jī)的運(yùn)行過程中，油膜的平均流速基本不變，但油膜厚度卻隨著軸頸振動(dòng)作楔形變化，稱為油楔三角形。由于潤滑油具有一定的不可壓縮性，因此當(dāng)油膜厚度變薄時(shí)，多余的油將從軸瓦的兩側(cè)排出。由此可見油膜的建立其實(shí)是非常不穩(wěn)定的，因此在轉(zhuǎn)速達(dá)到第一臨界轉(zhuǎn)速的兩倍時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)將與油膜的半速渦動(dòng)產(chǎn)生共振。這時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。這種振動(dòng)稱為油膜振蕩。從本質(zhì)上講，油膜振動(dòng)是一種自激振動(dòng)，它必須在油膜渦動(dòng)已經(jīng)建立的情況下發(fā)生。他的振動(dòng)非常激烈，加上其普遍性，使其成為汽輪機(jī)運(yùn)行中的難題。3.7.5油膜振蕩的機(jī)理軸頸中心的運(yùn)動(dòng)微分方程為：me-meψ2meψ+2me圖3-12轉(zhuǎn)子在軸承上的受力狀態(tài)圖3-12轉(zhuǎn)子在軸承上的受力狀態(tài)Fψ≈F=L—軸承長度，C—軸頸和軸承之間的間隙，η—潤滑油的粘性系數(shù)，R—軸頸半徑。所以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的油膜振蕩與切向力Fψ有關(guān)，而F3.7.6油膜振蕩的主要特征油膜振蕩約在軸轉(zhuǎn)速為第一臨界轉(zhuǎn)速的2倍或兩倍以上發(fā)生。一旦發(fā)生油膜振蕩，該故障就會(huì)在較寬得轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)存在，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速也不能越過油膜振蕩。對(duì)于在2倍臨界轉(zhuǎn)速以上的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生的油膜振蕩，要想使油膜振蕩消失，必須把轉(zhuǎn)速降到1.5-2倍臨界轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)，有時(shí)甚至更低。這種現(xiàn)象稱為油膜振蕩的慣性效應(yīng)。油膜振蕩時(shí)的渦動(dòng)頻率約等于轉(zhuǎn)子的第一臨界角速度，而與軸的轉(zhuǎn)速無關(guān)，故也可以稱為油膜共振。油膜振蕩時(shí)，軸心的渦動(dòng)方向與軸的轉(zhuǎn)向一致。軸承載荷越小或偏心率越小，越容易產(chǎn)生油膜振蕩。油膜振動(dòng)非常劇烈，通常情況下，它的振幅通常比轉(zhuǎn)子不平衡引起的共振振幅要大。3.7.6油膜振蕩的處理采用事先銑好凹槽的軸瓦，凹槽銑在軸瓦上側(cè)可以增加油膜向下的壓力，提高穩(wěn)定性。凹槽銑在軸瓦下側(cè)則可以降低油膜承載壓力，提高轉(zhuǎn)子與軸頸的偏心率。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)，使用剛度較高的設(shè)計(jì)和材料，可以提高剛性轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，延緩油膜振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間。采用橢圓形瓦，從而減小軸頸與軸瓦的接觸角，并產(chǎn)生一定的收斂楔隙[]。采用穩(wěn)定性較好的軸承結(jié)構(gòu)，在選擇軸承時(shí)，應(yīng)考慮到系統(tǒng)偏心率的考量，如偏心率小于0.75且軸瓦承受載荷較輕時(shí)，應(yīng)采用非圓柱式軸承。采用外加阻尼支承結(jié)構(gòu)，可以提高穩(wěn)定性，同時(shí)大大降低共振振幅。3.8中心孔進(jìn)油故障在轉(zhuǎn)子完成鍛造后，在轉(zhuǎn)子鍛造完成后在整根轉(zhuǎn)子的軸心位置打上中心孔。這樣做是出于一下考量：去掉軸心處的雜物，提高強(qiáng)度。切掉金相較差的部分，防止缺陷擴(kuò)展。由于中心孔的存在，方便加工時(shí)進(jìn)行定位、運(yùn)輸時(shí)的起吊和固定。在維修和保養(yǎng)時(shí)，便于探傷。在保證轉(zhuǎn)子剛度的基礎(chǔ)上，降低了轉(zhuǎn)子質(zhì)量。但是，這樣做也會(huì)產(chǎn)生一些不良影響，目前其他國家已經(jīng)漸漸放棄了轉(zhuǎn)子中心孔，采用無孔轉(zhuǎn)子，這樣做的優(yōu)點(diǎn)有：轉(zhuǎn)子上開了中心孔，會(huì)明顯提高工作應(yīng)力。使安全性變差，無法使用較長葉片。降低了機(jī)組的啟停效率，大大延長了啟停時(shí)間。中心打孔技術(shù)使得轉(zhuǎn)子造價(jià)更加高昂，導(dǎo)致到多數(shù)電廠出于經(jīng)濟(jì)性的考量，只維修不更換。中心孔內(nèi)容易進(jìn)油，并產(chǎn)生振動(dòng)。3.8.1中心孔進(jìn)油的主要特征液體的豁性剪切力使得液體的離心力相對(duì)于高點(diǎn)有一個(gè)超前角,這樣,離心力可以分解出一個(gè)與渦動(dòng)方向一致的切向力[40]。因?yàn)闇u動(dòng)一般是次同步的,轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)容易發(fā)生以它本身的固有頻率一致的渦動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于其臨界轉(zhuǎn)速時(shí),由液體離心力分解出來的渦動(dòng)力造成次同步失穩(wěn)[41]。從現(xiàn)場機(jī)組發(fā)生中心孔進(jìn)油的實(shí)例看,具體有如下一些特征:1）一般出現(xiàn)在機(jī)組大修或轉(zhuǎn)子維修之后。2）工頻振幅隨時(shí)間緩慢增大。3）開機(jī)后的前一兩次啟動(dòng)往往不會(huì)發(fā)生，隨后有很大的概率發(fā)生。4）振動(dòng)強(qiáng)度與中心孔內(nèi)進(jìn)油量的多少有關(guān)。3.8.2中心孔進(jìn)油故障的處理及預(yù)防3.8.2.1轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油故障的處理轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的處理步驟是：在工程現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)振動(dòng)并確定是中心孔故障后，如震動(dòng)不劇烈可以堅(jiān)持運(yùn)行至可停機(jī)檢修時(shí)刻；如震動(dòng)劇烈則應(yīng)立即停機(jī)檢修。檢修方法：取下位于轉(zhuǎn)軸端口處的株洲，并清理中心孔內(nèi)的油。3.8.2.2中心孔進(jìn)油的預(yù)防：采用無中心轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。采用更加嚴(yán)密的軸端封堵系統(tǒng)。經(jīng)常檢驗(yàn)維修系統(tǒng)和軸端堵頭。第四章汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章將綜合以上所述，以汽輪機(jī)組為例，設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)。以前文所提到的各種故障特征及影響因素為參考，其本身具有一定的實(shí)用性和通用性，可以應(yīng)用在汽輪機(jī)的振動(dòng)故障振動(dòng)方面。4.1汽輪機(jī)故障診斷的流程故障診斷大致分為如下幾步：狀態(tài)監(jiān)測，即故障信號(hào)的監(jiān)視與采集，在設(shè)備的關(guān)鍵部位測得相應(yīng)的數(shù)據(jù)、信息，剔除掉虛假信號(hào)、信噪比過低的信號(hào)以及不可靠信號(hào)后，將其輸送至系統(tǒng)的識(shí)別模塊。狀態(tài)識(shí)別，經(jīng)過傅里葉計(jì)算和模糊分析后，從數(shù)據(jù)庫中抽出與監(jiān)測信息相同或相似分類的已存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)信息并進(jìn)行比較，以此來判斷可能發(fā)生故障的概率，并根據(jù)故障程度給予早期預(yù)警、緊急報(bào)警和強(qiáng)制停機(jī)等等動(dòng)作，并將所得數(shù)據(jù)送至下一級(jí)做分析處理。狀態(tài)分析，也可以稱作是狀態(tài)的預(yù)測，根據(jù)檢測的信息找出故障產(chǎn)生的位置，并根據(jù)故障前后采集的時(shí)間域數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行邏輯推理和比對(duì)分析，判斷故障的可能產(chǎn)生原因以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，估計(jì)故障事件的走向趨勢，并將分析所得數(shù)據(jù)輸送給下一級(jí)。決策處理，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，在確定無誤后開始進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的干預(yù)，并根據(jù)結(jié)果來決定最終操作：持續(xù)觀察、繼續(xù)控制、臨時(shí)維護(hù)、停機(jī)維修等等。圖4-1故障診斷流程圖圖4-2故障診斷系統(tǒng)的硬件構(gòu)成4.2汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（STSFDS）4.2.1STSFDS的總體設(shè)計(jì)STSFDS系統(tǒng)，全名為SteamTurbineSetFaultdiagnosissystem汽輪機(jī)組故障診斷系統(tǒng)。以中小機(jī)組汽輪機(jī)故障診斷與應(yīng)用技術(shù)為主體，在設(shè)計(jì)上兼顧了實(shí)時(shí)性、可靠性以及通用性。其在設(shè)計(jì)上應(yīng)具有如下特點(diǎn)：具備實(shí)時(shí)可靠的在線自動(dòng)診斷功能以及詳細(xì)完備的離線交互式診斷功能，以便同時(shí)滿足在工程實(shí)際中，對(duì)于汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的需求；具備龐大的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和完善的信息管理功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速檢索和比對(duì)，以及對(duì)于各種信息的快速分類、快速存儲(chǔ)和快速處理功能；具備良好的交互界面，信息結(jié)果一目了然，方便使用者的分析和診斷。圖4-3汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

4.2.2STSFDS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2.3STSFDS的主要構(gòu)成4.2.3.1機(jī)組數(shù)據(jù)庫一種配有機(jī)械硬盤和云端上傳功能的存儲(chǔ)模塊，用以存儲(chǔ)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)指的是汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)尺寸、工況狀態(tài)等等，例如機(jī)組的各部位尺寸、軸系的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)工況系數(shù)、軸間允許間隙等等；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫則是存放就地監(jiān)測裝置傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如振動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、壓力信號(hào)、溫度信號(hào)等等。4.2.3.2用戶管理模塊該模塊用于完成操作者的登錄認(rèn)證與信息識(shí)別，以及進(jìn)行用戶管理等功能。使用權(quán)限按照級(jí)別劃分，從只能訪問數(shù)據(jù)到可以設(shè)置數(shù)據(jù)。由于不屬于本專業(yè)知識(shí)，這里不做贅述。4.2.3.3數(shù)據(jù)分析模塊數(shù)據(jù)分析模塊是整個(gè)診斷系統(tǒng)可以發(fā)揮效用的關(guān)鍵之一，其作用相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦。所采集到的信息被送到這里進(jìn)行分類出分類，并根據(jù)不同的信息類別進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理。這里的分析可以大致分為兩個(gè)方面：瞬態(tài)分析，指的是在一段狀態(tài)下的所收集的數(shù)據(jù)的處理，例如在汽輪機(jī)啟停的過程中，整個(gè)啟停過程的數(shù)據(jù)要收集并單獨(dú)存儲(chǔ)，并根據(jù)分析得出該機(jī)組在起停過程中的狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)分析，指的是對(duì)于一些列運(yùn)行數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，所描述的是機(jī)組在一段時(shí)間內(nèi)的情況，我們可以通過穩(wěn)態(tài)分析得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在全局角度觀察機(jī)器的運(yùn)行性能和發(fā)展趨勢。4.2.3.4知識(shí)管理模塊該模塊集成了參數(shù)設(shè)置、模糊關(guān)系、診斷規(guī)則等。參數(shù)設(shè)置，根據(jù)不同的現(xiàn)場應(yīng)用情況，不同類型的機(jī)組有著不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的機(jī)組配置不同的診斷基礎(chǔ)參數(shù)，可以讓診斷更加精確。模糊關(guān)系，認(rèn)為定義某些故障和某些特征現(xiàn)象之間的模糊關(guān)系，比如軸心軌跡為雙環(huán)橢圓，我們可以把該故障與轉(zhuǎn)子不對(duì)中定為模糊關(guān)系；再如振動(dòng)為軸向振動(dòng)，波形不為正弦波，可以模糊定義為一定不是動(dòng)靜碰摩。診斷規(guī)則，規(guī)定所用來形成故障征兆的診斷信息所通過的兩個(gè)途徑：自動(dòng)獲取征兆和交互獲取。自動(dòng)獲取指的是直接獲得從機(jī)組傳回的就地監(jiān)測信息，然后根據(jù)傅里葉分析法和模糊分類法診斷故障。交互獲取指的是，在采集數(shù)據(jù)后，由工程師分析數(shù)據(jù)并處理成軌跡特征、譜系特征和趨勢特征等等，結(jié)合系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)處理就后，再對(duì)產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析排除。5.2.3.5故障診斷模塊故障診斷分為自動(dòng)診斷，非自動(dòng)診斷以及兩者相輔相成的智能診斷三種。自動(dòng)診斷過程主要是在模糊關(guān)系的層次上進(jìn)行變換和運(yùn)算，把數(shù)據(jù)聚類分析，并以此將故障識(shí)別到類的層次上。交互診斷則是利用了診斷系統(tǒng)中的模糊規(guī)則，通過一定的邏輯推理和演化，完成對(duì)問題的診斷。智能診斷則是當(dāng)前的主流方式，集成了上面所說的模糊分析、邏輯關(guān)系診斷已經(jīng)