（动力机械及工程专业论文）汽轮发电机组振动分析、故障诊断与处理.pdf

东南大学工程硕士学位论文 摘要 随着我国改革开放的深入进行，八十年代初期引进了3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组的技 术，随着大型汽轮发电机组的单机容量日益增大，这对机组的可用率、运行效率、 安全性、可靠性与经济性提出来更高要求。 在影响电力生产的诸多因素中，汽轮发电机组振动仍是主要问题之一。振动 影响到新投运机组不能按期投运；在电力生产中，因机组振动过大，被迫停运和 降负荷的事故更是屡屡发生。扬州第二发电有限责任公司两台6 0 0 i 唧汽轮发电机 组时有故障发生，影响正常电力生产，带来一定的经济损失。因此，研究汽轮发 电机组振动故障诊断技术对机组的安全稳定运行有着十分重要的意义和巨大的 经济效益。 论文主要由三部分组成。一，对汽轮发电机组振动测试技术进行了深入研究。 着重研究了现场振动测试方法、振动数据处理与振动特征图表表示法，并对汽轮 发电机组现场各种常见振动故障及其故障特征进行了汇总。二，对转子质量不平 衡和现场动平衡方法进行了研究，分析了转子不平衡质量的来源、引起转子振动 的机理、动平衡试验方法、现场高速动平衡实施步骤及需要注意的问题。三，论 文从理论上研究了汽轮机动静碰磨故障机理和动力特性，着重分析总结了动静碰 磨的振动信号特征。 结合作者近年参与和主持的汽轮发电机组典型振动故障的测试、分析、故障 诊断、处理方案论证确定，论文详细探讨了扬州二电厂# 1 汽轮机振动测试与故 障诊断，对该机组的若干振动问题进行了说明，并给出了相应的处理措施和方案。 结合西屋公司6 0 0 m w 汽轮机分析了大型机组动静碰磨的现场诊断和应急处理方 法。在这两例实际故障的处理过程中，作者成功地应用了学习的理论知识和分析 思路，为这些故障的诊断以及最终解决起到了重要作用。 关键词：汽轮机轴系振动测试与数据分析质量不平衡 现场动平衡动静碰磨 东南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e m a n do fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，w eh a v eg a i ng r e a ti m p r o v e m e n ti n t h en a t i v ep o w e rp r o d u c t i o n 。i t st r u et h a tt h es u p p l yo f p o w e ro f2 0 0 5i sb r i g h tt h a n 2 0 0 4 ，b u ti ti ss t r e n u o u si na 1 1 i ti se s t i m a t e dt h a tt h e r ei ssl a c ko fp o w e ri sa b o u t 2 0 0 0 0t o2 5 0 0 0 m w w em u s tm a k et h ew o r k i n g s e t ss e c u r i t yf o rs l o w i n gt h es i t u a t i o n o f t h ed e m a n do f p o w e r i na l lt h ep r o b l e m st h a ta f f e c tp o w e rp r o d u c t i o n , v i b r a t i o no ft u r b i n e g e n e r a t o r s e t si so n eo f i m p o r t a n tf a c t o r s v i b r a t i o nf a u l t sc a l ld e l a yt h ec o m m e r c i a lp r o d u c t i o n , r e s u l ti ns t o p p i n gr u n n i n g , o rm a k et h em a c h i n er u n n i n gi nl o w e rl o a d i t sa l l e x a m p l et h a tv i b r a t i o nf a u l t si na u x i l i a r i e s ( f e e dp u m p ，t h ef a no fb l o wa n dl e a d ) h a p p e nn o wa n da g a m s o m eh a v ea f f e c t e ds a f ep r o d u c t i o na n dh a v em a d eb i g e c o n o m i c a ll o s s m a n yp r o b l e m sc a nl e a dt h e s ea b n o r m a lc o n d i t i o n s ，t h es h a f ts y s t e md e s i g no f t u r b i n e - g e n e r a t o ru n i t si so n eo fi m p o r t a n tr e a s o n s ，a n dt h eu n d e v e l o p e dr u n n i n ga n d r 印a i rt e c h n i q u e sa r eo t h e rr e a s o u s b a s e do ne x t e n s i v er e s e a r c h e s ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h e c u r r e n tp o w e ri n d u s t r y , m a d ead e e ps t u d yo nv i b r a t i o nc o n t r o l l i n g , f a u l td i a g n o s i s a n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sa th o m ea n da b o a r d n 坨t h e w se x p l a i n e dv i b r a t i o nm e a 渊t e c h n o l o g ya n dm e c h a n i c so fv i b r a t i o n f a u l to ft h ep r o b l e m f i r s t , v i b r a t i o nm e a s u i em e t h o d s ，v i b r a t i o nd a t ap r o c e s s i n gw a s s t u d i e d , a n dt h ec o m i l l o nv i b r a t i o nf a u l t sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sw e r es u n u n a r i z e d t h e n , t h et h e s i sa l s oa n a l y z e dt h es o u i c 2o fm a s su n b a l a n c e ，m e c h a n i c so fv i b r a t i o n r e s u l t e df r o mm a s su n b a l a n c e t h ei n s t a b i l i t yo fs h a f ts y s t e m , w e 陀s t u d i e d t h e m e c h a n i c so fo i lf i l mw h i pw a se x p l a i n e d 1 1 1 ea f f e c t i n gf a c t o r so fi n s t a b i l i t y , t h e c h a r a c t e r so f t h e s et w of a u l t sa n dt h e i rd i a g n o s i sd i s p o s a lm e t h o d sw c r ce x p a t i a t e d c o m b i n i n g 、v i t ht h ei n s t a b i l i t ym 朗s u l e ，a n a l y s i s ，d i a g n o s i sa n dd i s p o s a lt h e a u t h o re n g a g e di na n dt o o kc h a r g eo ft h e s ey e a r s ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h es h a f i s i n s t a b i l i t ym e a s u l 屯，a n a l y s i s ，d i a g n o s i sa n dd i s p o s a lt e c h n o l o g i e so ft h es e c o n dp o w e r o fy a n g z h o u n 圮a u t h o rd e a l e dw i t ht h e s ep r o b l e m ss u c 4 7 , e s s l 6 i i nw h i c ht h e k n o w l e d g et h ea u t h o rm a s t e r yp l a y si m p o r t a n ts o l e k e y w o r d s ：t u r b o - m a c h i n e r y s h a f ts y s t e mv i b r a t i o nd a t am e a s u i ea n da n a l y s i s f i e l dd y n a m i cb a l a n c er u bb e b v e c nr o t o ra n ds t a t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 本论文研究工作背景 第一章绪论 国家“十一五”规划和2 0 1 0 年远景目标对电力发展给予了高度重视。近年，电力工业 增加投产容量，加大高新技术在电力工业中的应用，加大技改力度，提高大机组运行现代化 程度，挖掘现有设备潜力，如“以大代小”工程建设等一系列措施，缓解缺电矛盾。 “七五”、“八五”期间，在国家计委、各有关部委领导下，经过国内有关制造、运行 部门的共同努力，包括。八五”相关科技攻关项目的完成，使我国大型发电设备的安全可靠 性和运行水平有了很大的提高，但与国民经济发展需要和西方先进国家相比还有一段差距。 其中，大型汽轮发电机组振动是主要问题之一1 2 1 。 在这一技术领域中，我国几大主要汽轮机制造厂的轴系振动设计还处于中等水平；与振 动相关的轴系制造关键技术问题还有待进一步深入研究解决：大型机组运行中的振动故障仍 连续不断，成为影响新机、老机正常投运和生产的重要因素。 近二十年来，以振动为主因造成的恶性事故相继发生，如1 9 8 4 年分宜电厂、1 9 8 5 年大 同电厂、1 9 8 8 年秦岭电厂、1 9 8 9 年新乡电厂、1 9 9 0 年海口电厂均发生毁机事故，甚至出口 机组也发生恶性事故。_ 9 6 年三月，河南一台5 0 m w 机组再次发生断轴毁机恶性事故。2 0 0 0 年，阜新一台2 0 0 m w 机组发生断轴事故，2 0 0 2 年，哈三一台6 0 0 m w 机组发电机发生断轴。 振动问题目前仍是新投运大机组不能按期并网、正常投运的主要原因。不少新投运机组 需经几天、几十天、甚至数月的振动处理，才能正常带负荷。 1 9 9 5 年，哈尔滨集团公司设计制造的我国第一台优化设计6 0 0 m w 机组在哈尔滨第三 热电厂投运期间，因处理轴系振动过大，前后启动4 8 次，历经约五个月才初步得以解决， 其间耗费大量人力、物力，拖延了工期造成极大的经济损失。该机的振动问题至今未彻底 解决。1 9 9 2 年平圩电厂2 号6 0 万千瓦机组新机调试过程中，专项处理振动故障花费七十多 天，推迟并网，少发电量1 0 0 8 亿度以上。 在全国各电厂的电力生产中，因机组振动过大，被迫停运和降负荷的事故更是屡屡发生。 2 0 0 4 年夏季，时逢电力供应十分紧张的状况下，华北网中有六台机组同时出现振动问题， 影响到当时北京市的正常供电。 扬州第二发电有限责任公司有两台西屋公司生产的6 0 0 m w 汽轮发电机组，1 9 9 8 年投 运以来，有数起振动故障曾影响到安全生产。本文介绍了这些故障的分析、诊断和处理，作 者作为主持人或主要参与者参加了这些现场实际技术工作。 东南大学工程硕士学位论文 1 2 研究内容 根据作者的工作性质和工作需要，结合近年具体参与、主持两起本公司机组典型振动故 障的分析处理项目，本论文对下列内容进行了研究： 1 、汽轮发电机组振动测试技术； 2 、转子质量不平衡振动故障机理； 3 、现场动平衡方法及实例； 4 、# 1 机组质量不平衡振动分析和诊断； 5 、机组动静碰磨故障机理，分析诊断方法；现场处理技术； 6 、本厂两台机组动静碰磨故障分析和诊断。 1 3 国内外现状 国外火电机组制造、运行都达到了较高的水平，设备可用系数远高于我国。机组轴系稳 定性好，整机动力特性优良。轴承型式多样，性能稳定。 国产2 0 0 m w 机组、引进型3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组振动问题一直未彻底解决。上海引进 型3 0 0 m w 的石横、汉7 1 i 、吴泾机组，国产双水内冷3 0 0 m w 秦山核电站机组均发生过重要 的振动问题；哈尔滨优化3 0 0 m w 株江、西柏坡机组，优化6 0 0 m w 平圩机组调试阶段也都 处理过振动问题。这些缺陷的存在，一方面说明了对引进技术的大容量机组轴系振动问题需 要继续进行研究、改进和完善，另一方面说明对今后我国设计、制造的超临界机组，必须做 好有关轴系稳定性和安全运行的前期研究，对整机引进的大容量机组，做好消化吸收和运行 技术的开发工作。 火电机组的稳定运行，是我国电力工业当前和今后相当长时间内的一项重要问题。9 3 年国内6 0 0 m w 机组年平均等效可用系数仅达6 3 6 5 ，比北美低2 0 ，3 0 0 m w 机组年平均 等效可用系数为7 6 4 7 。设备质量和运行水平是造成目前影响大机组运行的两个主要原因。 开展提高大容量机组安全稳定运行技术的研究，对保证己投运的和今后将投运的大机组的可 靠性有重要意义。 根据我国电力工业发展规划，今后十五年，将完善、改进引进型3 0 0 m w 、6 0 0 m w 火 电机组，广泛采用技术先进的各种形式大容量亚临界机组，开始采用6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 级 超临界大容量机组并将开发研制单机容量百万千瓦的先进核电机组。 必须承认，国产大型汽轮发电机组的设计制造质量与西方国家的产品相比还有相当差 距，运行水平也不理想。上述1 5 0 0 0 m w 新增装机中，国产机组将占一定比例。以这样快的 速度上国产核电大机组，必须对安全问题做好相应的安排。 华北网内，近年机组振动问题连续不断，影响到正常生产。沙岭子电厂l 、2 号机调试 投运期间，都曾发生振动问题，其中2 号机因振动拖延了工期；大港电厂3 、4 号意大利3 2 0 m w 2 第一章绪论 机组的低压转子振动过大；刚投运的盘山电厂1 号机组5 瓦振动接近5 0 m w ，需做进一步 处理；网内的2 0 0 m w 机组发电机转子多数做过动平衡( 如大同二厂、石热、京西、陡河、 军粮城电厂等) 。近年夏季，一度出现过网内六台机组同时发生振动问题的局面，影响到当 时的电力供应。这些振动缺陷，除常使机组被迫停机处理外，使机组减负荷和带病运行的情 况，更是屡见不鲜。 大容量机组轴系稳定性、轴系振动动力特性是关系到机组整体可靠性的一个十分重要的 方面i ”1 。 随机组容量的增大，轴系长度将增加，跨数增多；另一方面，热力参数的提高将导致轴 系受力的复杂化。这些都会使大容量火电机组的振动问题更为突出。国产2 0 0 m w 机组由于 轴系、轴承设计问题，七十年代初曾出现过油膜振荡，八十年代，随投运台数的增多，闯题 又一次集中出现，日趋严重，以至发生了秦岭电厂5 号机组重大断轴事故。 引进型和国内设计的3 0 0 m w 亚临界机组近几年振动问题不断，每年新投运的3 0 0 m w 机组总有几台在调试期间需要处理振动问题。有些振动原因至今未查明。 振动故障机理是诊断的基础p j 。这方面所进行的理论研究已很多，对转子裂纹、动静碰 摩、汽流激振等典型故障的研究，国内外发表的论文已有数百篇之多。这些研究多偏重于学 术，且由于理论、试验室研究和工程实际的差距，以致至今现场对部分典型故障的诊断，仍 缺乏准确的判据，经常出现模糊不清，无法定论，甚至误判的情况，影响正常生产。 因此从机组和现场的实际状况出发，密切结合机组运行的相关因素突出常见的重要 故障，进行机理和征兆的研究，对促进当前诊断技术提高具有十分重要的意义。 目前，国内机组基本都配置了引进的菲利普或本特利监测保护装置n i ，对于这些大型机 组，出现报警后运行人员应如何处理。继续观察、减负荷还是立即停机? 现场表计记录出现 振动不正常时应如何分析和评价? 机组能否一直运行至下次维修? 停机过程需做那些临时 性试验，怎样确定故障部位或能否短时间内重新启动? 对运行人员来说，准确及时地回答这 些问题是很困难的。运行人员可以判断超限报警，厂级的汽机专工可判断一般故障，而对于 异常振动信号的分析和疑难故障的分析诊断，均需电力试研院所专业技术人员携带仪器到现 场进行实地测量、分析，或重新开杌，测试后提出处理意见。这种工作方式费时费事，远不 能满足现代化生产的要求。特别是当同时有多台机组发生故障、有经验的高级专业人员尚缺、 交通条件不便时。更是常常因此延误生产。 近年，国内大机组的振动还存在如下一些突出问题睁1o i ： ( 1 ) 由于机组的实际振动状况的复杂性对于疑难故障，有时不能迅速发现、准确及时 地分析判断，从而增加了诊断时间和处理过程，眙误生产。 ( 2 ) 运行中反映出的机组振动的早期症兆被忽略，造成设备损坏的严重后果。 ( 3 ) 振动专业人员缺乏，影响机组振动故障的紧急处理。 上述问题的存在已非短期，只是因为近年各电网大机组投运台数剧增，使得这些早已有 的缺陷更为明显。 3 东南大学工程硕士学位论文 第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 2 1 振动测量 振动是一种特殊的力学运动形式，它是指质点或机械动力系统在某一稳定平衡位置随 时间变化所做的一种往复式运动。 存在四种振动形式： 简谐振动：运动量随时间按谐和函数的形式变化 周期振动：运动量变化经过一个固定的时间间隔不断重复 非周期振动：振动量变化随时间不呈现重复性 随机振动：任一给定时刻的运动量不能预先确定 汽轮发电机组振动的激振力来自于周期旋转的轴因而多数是周期振动。它们一般可 以被分解为若干个简谐振动之和。个别情况下，也会呈现为单一的简谐振动的形式。 2 1 1 简谐振动与复合振动 旋转机械最基本的振动形式是简谐振动j ，位移的数学表达式为： 工=asin(oa+妒)(2-1) 式中么：位移幅值，f - t 7 ：园频率，；初始相位。 两个以上频率不相同的简谐振动合成在一起，便形成一个复合振动，反过来。任何周 期振动又都可以分解成若干个简谐振动。付里叶变换是进行这种分解的有效工具。 旋转机械的振动信号都是周期性连续信号，汽轮机组振动专业习惯称这种信号为通频 信号。用f f t 分解后得到的一系列简谐信号中，与转动频率相同的简谐振动具有特殊的意 义，它被称之为一倍频振动。也有称之为工颓、基频、选频、同频或i x 等。 频率为转速二分之一和两倍的简谐振动在旋转机械的振动分析也是较常用到的，它们 分别被简称为半频( 1 2 x ) 和倍频( 两倍频2 x ) 振动。 低于工作转速频率的振动，统统被称为低频振动：高于工作转速频率的振动，被称为 高频振动。它们可能是转动频率的整分数倍或整数倍，也可能不是。 2 1 2 振动位移、速度和加速度振幅的量度 简谐振动可以用位移、速度和加速度三种形式表示。 简谐振动位移的大小，用振幅以表示。即最大位移到平衡位置之间的距离，也称作单 4 第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 峰值；振动的波峰与波谷之间的垂直距离称作为峰峰值，表示为a p p ： 单位都是微米( 1 z m ) 或毫米( r a m ) 。电厂习惯用“丝”或。道”表示1 毫米是l o o 丝，1 丝等于1 0 微米。在描述振幅的大小时，如果不做特别的注明，所指振幅都是峰峰值，这是目 前振动测量仪器对位移振幅习惯的输出值。 同样，速度和加速度的振幅也可以用峰值或峰峰值来表示。 对于速度振幅因为振动能量与速度的平方成正比例，所以更多地是使用均方根值或称 有效值，又称作振动烈度，单位：m m s 。 根据测量得到的振动速度一时间曲线，速度均方根值，由下式计算： = 对于复合振动，速度均方根值可以按下式计算： 3 0 0 0 r m i n 机组工作转速下简谐振动的速度均方根值和位移峰峰值的换算公式： 2 2 现场振动测试 ( m m 协纽产 2 2 1 测试对象与内容的确定 常规振动测试包含如下几个方面： 1 各主要轴承的瓦振：在条件容许的情况下，测试所有轴承的瓦振。 2 各主要轴承处的轴振( 相对轴振或绝对轴振) 。 轴振测试还进行下面两项内容： ( 1 ) 盘车状态； ( 2 ) 低转速( 4 0 0 5 0 0 r p m ) 时的轴振。 ( 3 ) 间隙电压。 5 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 东南大学工程硕士学位论文 2 2 2 测点的选择与布置 首次冲转的新机组，需要设置尽可能多的测点，应该保证每个主轴承上至少有一个速 度或涡流传感器。 大修后开机的机组，应该首先保证过去振动大的轴承安置有传感器，对于本次大修转 子动过的相关轴承，也应有传感器。如发电机转子拔过护环，转子换过叶片，接长轴重新 进行过调整，则应该在发电机轴承或汽机相邻轴承上安放传感器。 需要进行动平衡的机组，除了在要降低振动的轴瓦处设置测点，还应在相邻轴承处加 装测点。 存在特殊振动故障的机组，为判断故障原因、寻找解决途径，要进行专项的测试和试 验。这时对测点要仔细地斟酌，根据测试目的和试验要求，重点部位加装测点充分利用 测振仪已有的通道测点数量多比少好，记录数据多比少好，因为事先很难估计整个处理 的难易程度，较多的相关数据对问题的分析都可能会有帮助。 2 2 3 测试工况、内容与步骤 测试前还应该确定测试工况：升速、降速、3 0 0 0 f r a i n 、超速、低负荷、变负荷过程以 及满负荷等：对运行的特殊要求：升速率、暖机时间、真空、捧气缸温度、氢压、油温等 以及测试步骤、试验安排的次序。 测试通常包含常规测试项目和特殊测试项目。 常规测试项目有以下内容： 】、升降速振动测试 升降速振动测试是机组在升降速过程对振动状况进行的测试和数据记录。它可以确定 轴系各阶i 临界转速，在某一特殊转速区段振动随转速的变化情况，确定支撑系统和结构振 动特性，共振等。对于可能存在动静碰摩的机组，升速试验往往也是必需的。在逐渐升速 过程观察振幅变化情况，特别是在临界转速之前。 有许多图形可以清楚显示振动如何随转速变化，如波特图、极坐标图、级联图，轴心 静态位置图可以显示轴心在轴承间隙园内的位置是如何随转速变化的。这些图形对分析转 子振动状况、故障诊断和处理是非常有用的工具。 2 、3 0 0 0 r m i n 定速时的测量 机组冲转升速到3 0 0 0 r r a i n 时的振动状况是机组振动的基本而重要的数据。常常以此 作为平衡的基础数据。有一部分机纽振动随温度变化显著，冷态启机刚到3 0 0 0 r m i n 和数 十分钟后的振动会不同。因此，需要注意3 0 0 0 r m i n 测量值与定速时间的关系。 3 0 0 0 r m i n 定速时的测量一般测量记录较全的数据，包括各轴承垂直、水平轴向三个方 向的振动，现有的全部轴振测点的数据。 3 、满负荷和升负荷过程的振动测量 8 第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 满负荷时机组振动和3 0 0 0 r m i a 时的振动一样是重要的数据。机组绝大多数时间是要 在满负荷状态下运行的，相对来说，它比机组处于其它状态下的振动更为重要，因此，保 证这个状态下机组的振动是首要任务。如果几个重要工况点：过临界转速、3 0 0 0 r m i n 、低 负荷、满负荷的振动互有矛盾而无法全部顾及，则首先要保证的还是满负荷时的振动，这 是现场处理振动的一条基本原则。 多数机组满负荷时的振动基本是稳定的，可能会有些不显著的变化。通常用最高值或 平均值来衡定。如果随满负荷时间的j 醮振动持续不断增加以至超标，这时则要进行振动 处理。 3 0 0 0 r m i n 及其之后的升负荷过程、满负荷的振动测试，可以用趋势图来显示，同时可 以将发电机有功功率采集绘制在同一张图中，振动曲线清楚地表明振动随时间和负荷的变 化情况。 在对汽轮发电机组进行振动故障分析和诊断时，有时需要安排一些特殊的试验项目， 观察机组某些特定运行参数发生变化时振动是如何变化的，从中找出联系，以便确定振动 原因。 特殊试验项耳有： 4 、超速试验 现场例行的考核危急保安器的超速试验最高转速是额定转速的1 1 0 1 1 2 ，即3 3 0 0 m i n 3 3 6 0 r m i n ，有些机组的试验已经降到1 0 8 1 1 0 ，对应转速是3 2 4 0 r m i n 3 3 0 0 r m i n 。利用超速试验过程，可以对机组进行和转速相关的振动测试和有关的诊断性试验， 如判断机组是否存在结构共振或转动部件松动及有无临界转速等。 5 、变真空试验 真空影响到轴承座的标高，缸体的变形，通流部分径向间隙。真空度的提高使得缸体 在外界大气压的作用下要下沉，进而影响到以缸体为基础的轴承座的垂直位置。改变真空 的同时，测试缸体在垂直方向上的绝对位移和轴颈在轴承中的静态位置，可以协助进行多 项故障的分析与判断。 6 、变油温试验 变油温试验主要可以用来判断轴承油膜失稳。 油温提高后油黏度降低，轴颈的偏心率增大，如果因此使得转子原本存在的失稳消失， 可以判断这种失稳很可能是油膜失稳。现场运行中，运行人员还常常利用改变油温的方法 来控制振动的大小。从理论上讲，轴颈位置改变所造成的油膜刚度和阻尼的变化也应该影 响到轴颈的工频振动，但规律性不强，因此，一般不能从变油温试验中得到更多的结论。 7 、变调门开启次序试验 对于高压转子的失稳，在确定主要原因是来自轴承，汽封，还是由于进汽使转子上浮 所致，进行改变调门开启次序的试验是一项有效的判别方法。目前先进的大型机组改变调 门的开启次序己无须再变动结构，只需改变控制系统的设置即可。 7 东南大学工程硕士学位论文 为判断发电机一励磁机振动。常常需要进行如下一些试验： 8 、变励磁电流试验； 9 、变氢压试验； 1 0 、变有功无功试验。 上述试验是在机组结构不做变动，仅改变运行参数下进行的。还有一些专项试验，需 要对机组局部结构略作变动，这应该算作处理方案实施过程中的试探性试验。如： 1 1 、变轴承结构参数试验； 1 2 、变支撑刚度试验； 1 3 、支撑剐度激振试验： 1 4 、改变轴承标高试验。 2 3 振动数据分析方法 2 3 1 频谱分析 两个以上频率不相同的简谐振动合成在一起，便形成一个复合振动。这种复合振动是 非简谐的周期振动。反过来，任何周期性振动又都可以分解成若干个简谐振动。付里叶变 换1 1 2 1 是进行这种分解的有效工具。 有限离散付里叶变换可以计算信号的频谱、功率谱以及解决其它方面的问题。但是， 当离散的点数比较多时，计算的工作量太大，无法广泛应用。1 9 6 5 年，g o o l e y 和t u k e y 提 出了快速付里叶变换算法，即f f r ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，大大减少了计算量，使具体 计算有限付里叶变换成为可能。此后，f f t 成为信号数字处理的十分有效的工具。 2 3 2 信号的幅值域分析 最基本的信号特征的分析是计算信号的幅值域参数，包含最大值、最小值、均值、均方 根值等。对于长度为t 的连续信号x ( f ) ，有均值 x = 专弘衍 ( 2 - 5 ) 均方根值 x 。= 对于信号x ( r ) 采样后得到的一组离散数据毛，而，矗， 均值 x = 专喜一 8 ( 2 - 6 ) c 2 7 ) 第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 最大值 最小值 均方根值 鬻，嘘= m a x i 五i o = l 2 ，一- , i v ) x 自= m i n j 而l ，( f = l ，2 ，忉 2 3 3 信号的相关分析 k = ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 相关分析；研究信号之问关联程度的分析叫自相关函数、互相关函数能够寻找隐藏在 噪声信号中的有关联的信号。 相关分析多用于对于随机信号的处理，旋转机械振动信号大多数是确定性周期信号， 相关分析较少采用。 2 3 4 频响函数分析及应用 对机组进行结构共振分析时，需要知道机组构件与转轴转动之间随转速变化的关系，这 种传递关系可以用频响函数来研究。常常采用锤击法测量结构的频响函数。 知道h ( f ) 后，可以判断机组结构系统是否存在共振。这项判断的难点在于需要有足够 大的力的输入以激起足够大的响应。 频响函数还用在轴承油膜动特性试验测定中。 2 3 5 倒频谱分析 倒频谱分析”1 的目的是寻找频谱中的周期成分。 利用倒频谱可以精确地量度功率谱中的谐振频率和边带频率，倒频谱用一个量值即可 以代表了谐振和边带的全部功率。这在分析滚动轴承的故障时是很有用的。 2 3 6 小波分析及其在机组振动故障诊断中的应用 付里叶变换适用于平稳信号。不适合于非平稳时变信号的处理。 加窗付里叶变换一定的局限性。 小波变换发展了加窗付里叶变换的时域局部化思想i t 4 , t s ，窗口宽随频率的增高而缩小， 保持高频信号仍具有较高的分辨率。小波变换适当离散化之后可构成标准的正交系。 小波变换是一种多分辨率的信号处理技术。它利用一系列不同尺度的基函数对信号进 9 东南大学工程硕士学位论文 行分解，这些基函数可以根据信号不同的频率段，通过母小波的伸缩与平移而得到。 2 4 稳态数据和瞬态数据的特征图形 机组转速不变，运行参数不断变化时，振动测量得到的数据称为稳态数据。启动升速 或停机降速过程的振动的数据，称之为瞬态数据。 2 4 1 瞬态数据的特征图形 l 、波特图 波特图是表示振动幅值、相位随转速变化的图形。图形的横坐标是转速，纵坐标有两 个，一个是振幅峰峰值，一个是相位。每个图上有两条曲线，分别表示了该测点振幅、相 位随转速是如何变化的或称作幅频、相频特性。 波特图是用来确定： ( 1 ) , l l t 界转速 ( 2 ) 共振放大因子a f ：两种计量法：半功率带宽法和幅值比率法 ( 3 ) 分析转子不平衡质量所处的轴向位置不平衡振型阶数 ( 4 ) 结构共振分析 ( 5 ) 动静碰摩分析 2 、轴心静态轨迹 当转子不转动时它应该座落在轴承内孔的底部，转子转动后，由于油楔的动压作用， 转子要上抬。随转速的升高，油膜产生的向上的作用力增加，轴心的位置会画出一条向上 的连续曲线来，这就是轴心静态轨迹。 轴心静态轨迹图给出了轴颈在轴承中的位置，它是诊断的有用工具，用它可以确定转 子的下列情况： ( 1 ) 送高压顶轴油后轴颈浮起量。 可以用来确定顶轴油泵、油路是否正常。 ( 2 ) 转速升高过程以及3 0 0 0 r r a i n 定速后轴颈在轴承中的位置。 将轴心轨迹和正常情况下的进行比较，可以知道当前的转子是否受到不正常的约束力 作用，或判断轴瓦是否异常。 ( 3 ) 支承状况变化时对轴颈静态位置的影响。 支承状况较多是由于温度变化引起的标高变化，进而引起轴颈相对轴承的静态位置的 变化。 ( 4 ) 缸体左右位置变化引起轴承相对轴颈位置的变化。 判断缸体跑偏，缸体受到侧向推力，轴承座在台板上滑动不良等缺陷。 ( 5 ) 油膜状况的变化。 1 0 第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 发生油膜失稳时，轴颈在轴承中应该处于小偏心的位置。根据轴心静态轨迹以及和油 温、油压等相应参数的比较，可以确定轴颈偏心率的变化是否是油膜变化所致。 ( 6 ) 外部作用力，如汽流激振力等。 转子发生汽流激振时一个可能的原因是汽门的开启次序使得转子受到额外的向上的 作用力轴颈在轴承中向小偏心方向移动，抑制失稳的能力降低，进而发生失稳。在判断 失稳是否出自这一原因时，轴心静态轨迹是有用的。 ( 7 ) 判断瓦温升高的原因。 通常情况，瓦温的升高意味着轴颈距离轴瓦面的接近这种变化在轴心静态轨迹图中 也很容易看到。 轴心静态轨迹的测试是利用涡流传感器的间隙电压，且必须用两个涡流传感器才能碍 到。如果受条件限制，一个平面只有一个传感器虽然不能得到两维轨迹图，但可以得到 轨迹在传感器方向的位移变化，这个单一量在许多情况下也是有用的。例如，利用垂直安 装的涡流传感器可以测得轴颈在轴承中垂直方向上的变化，同样可以用来判断轴承标高， 外部激振力、顶轴油压等造成的轴颈位置的变化。 3 、轴心动态轨迹 对应一定的转速，转轴在支承轴承中的工作点位置。即静态工作点是一定的。由于振 动，转轴中心会围绕着这个工作点做周期运动形成动态运动轨迹，如图2 1 所示。图中的 大圆弧是轴颈的静态轨迹，转速为零时，轴颈中心在a i ，随转速的增加，轴颈向左上方浮 起，转速越高，上浮量越大。对应一定的转速，轴颈中心的平均位置是固定的，同时轴颈 中心还要围绕着这个平均位置作涡动，涡动轨迹就是动态轨迹。如果这个涡动是转子不平 衡质量造成的同步涡动，轨迹郎如图2 i 中所示的椭圆形。 上刁。i p ：，1 v 商晰沁、q 冬 n=1000rminn=50型0rmin墨 一气 ，1 t ，p 、 n 2 0 i y 图2 。1 轴心动态轨迹 轴心动态轨迹图形可以提供下列信息： 振幅( 垂直、水平方向) ； 绝对相位( 垂直、水平方向) ； 东南大学工程硕士学位论文 相对相位； 相对( 于工频的) 振动频率比； 进动方向； 振型。 不同的振动故障会呈现不同的动态轨迹。因而，轴心轨迹可以用来进行故障诊断。 轴心轨迹的测量必须要在一个平面互相垂直安装的两个涡流传感器。 2 4 2 稳态数据的特征图形 1 频谱图 对时域波形进行频谱分析可以得到信号中所含各谐振分量的频率和幅值。以频率为横 坐标，以振幅为纵坐标，将分析结果绘制在图上即可得到频谱图。频谱图是目前进行故障 分析和诊断的最普遍使用的图形，从中可以得到有关信号所含频率成分的重要信息。 有三种连续的三维频谱图：瀑布图、级联图和全频谱级联图。 2 、瀑布图 用某一测点在一段时间内连续测得的一组频谱图顺序组成的三维谱图是瀑布图，一般 情况是在相同转速下测得的。图的z 轴是时间轴，相同频率的谱线和z 轴应该是平行的， 从图中可以清楚地看出各种频率的振幅随时间如何变化的，对分析定转速下出现的动静碰 摩、热弯曲、电磁激振、汽流激振等故障是很有用的。 3 、级联图 级联图是转速连续变化时，不同转速下得到的频谱图依次组成的三维谱图。它的z 轴 是转速，工频和各个倍频及分频的轴线在图中应该是倾斜的直线。 在分析振幅与转速有关的故障时用级联图是很直观的。这类最典型的故障是油膜涡动 和油膜振荡。 级联图在进行扭振固有频率测试的数据分析中要用到。 4 、趋势图 趋势图用来记录、显示振动或其它过程参数是如何随时问变化的，这种图形以时间为 横坐标，以振幅、相位或其它参数为纵坐标。 5 、全频谱级联图 全频谱级联图是一种新型的连续谱图。 全频谱级联图是一个辅助诊断工具，它以不同的型式显示了与运动轨迹相同的信息， 例如预载荷以及其它与工况有关的轨迹椭圆程度( 或扁平程度) ，当前所有频率分量的迸动 方向等。全频谱图和全级联图主要用于分析判断那些含有反向涡动特征的故障。 第二章机组振动测试、分析与故障诊断技术 2 5 机组故障诊断概况和故障特征汇总 汽轮发电机组振动故障诊断是根据相关的数据和信息对故障定性，进而对其产生的原 因或机理做出判断，并确定解决措施和实施处理方案。 振动故障有很多类型，总计有数十种之多，但其中数种常见故障( 转子质量不平衡、转 子不对中、碰磨) 的发生率占了总数的9 5 以上。根据现场经验，如果能对这些典型故障做 出准确的判断则足可以应付生产实际的需要。因此，对典型、常发故障诊断技术的掌握 有十分重要的工程意义i l “。 近几十年国内有关单位对机组振动故障处理的历史和经验教训说明对振动故障的定 性一般并不困难，但在确定故障的具体原因时，由于对造成故障的机理分析有分歧，使得 误判时有发生。因此，机组振动故障的诊断除需要现场经验外，还应该掌握一定的机组振 动故障的基础理论知识和科学的分析能力，这样才能快捷地找出故障的确切原因，提出正 确的根治措施，而不致盲目一概采用现场高速动平衡的方法，使得表面上振动有所减小， 实际上没有根治，机组经过一段时间的运行或检修后，振动重复出现。 表2 1 列出了汽轮发电机组常见故障的振动特征。 表2 1 汽轮发电机组振动故障特征汇总表 序号故障名称频谱特征其它特征 振幅、相位随转速变化，随时间 l 原始质量不平街 l x 不变，轴心轨迹呈椭圆或圆形 低转速下转轴原始晃度大，临界 2 转子原始弯曲 l x 转速附近振动略减小 振幅、相位随时间缓慢变化到一 3 转子热弯曲i x 定值，转子冷却后状况恢复 转子部件( 叶片、平衡块)振动突增，相位突变到定值，伴 4l x 飞脱 随声响 高的2 x 或3 x 幅，1 2 临界转速 5 转轴不对中 1 x 、2 x 有2 x 共振峰，“8 ”字形轨迹 6 联轴器松动i x 、2 x 等与负荷有关 内环或外环轨迹，振幅、相位缓 7 动静碰摩l x 、整分数、倍频 慢旋转；或振幅逐渐增加 8 油膜涡动 o 3 5 0 5 x 低频的出现与转速有关 在一定转速出现突发性的大振 9 油膜振荡 1 种 动，频率为转子第一临界转速， 大于i x 振幅 1 3 东南大学工程硕士学位论文 与负荷密切相关，突发性的大振 1 0 气流激振 神 动，频率为转子第一l 临界转速， 改变负荷即消失 1 l 结构共振1 x 、分频、倍频存在明显的共振峰，与转速有关 1 2结构刚度不足1 x与转速有关，瓦振轴振接近 降速过1 2 临界转速有2 x 振动 1 3 转子裂纹 i x 、2 x 峰，随时间逐渐增大 与启机次数有关，随定速、带负 1 4 转子中心孔进油1 x 、0 8 o 9 x 荷时间而逐渐增大 1 5 转轴截面剐度不对称 2 x 1 2 临界转速有2 x 振动蜂 1 6 轴承座刚度不对称 2 x 垂直、水平振动差别大 1 7 轴承磨损i x 、次同步 i x 、1 2 x 。1 5 x 高 1 8 轴承座松动 l x 与基础振动差别大 1 9 瓦盖松动，紧力不足l x 、分频、1 2 x可能出现和差振动和拍振 2 0瓦体球面接触不良1 x 和其它振幅不稳定 2 l叶轮松动l x相位不稳定，但恢复性好 2 2 轴承供油不足 i x 瓦温、回油温度过高 2 3 匝问短路 l x 、2 x 和励磁电流有关 2 4 冷却通道堵塞i x与风压、时间有关 2 5 磁力不对中 2 x随有功增大 2 6密封瓦碰摩 i x 、2 x 振幅逐渐增大 1 4 第三章质量不平衡的振动特征及现场动平衡方法研究 第三章质量不平衡的振动特征及现场动平衡方法研究 3 1 概述 转子质量不平衡是汽轮发电机组最常见的振动故障，它占了旋转机械振动故障总数的绝 大部分l j 6 1 。 根据振动数据对质量不平衡故障做出判断不是十分困难的，因为主要判据是一倍频振幅 和相位，现代功能较全的振动测试仪器，都具备显示这些量值的功能。 但是，现场实际对质量不平衡的准确判断还是有一定难度，因为有时手头的数据并不充 分，只是局部的、片面的，根据这些有限的数据进行判断，并且要立即决定进一步处理的步 骤，常常容易做出错误定性；有时机组同时存在其它故障，机组振动的主要原因是质量不 平衡，还是动静碰磨，或转子热弯曲时难以定夺。 现场的实例显示，一台机组转子质量不平衡的振动特征可能有时表现的不鲜明，同时表 现出来的其它振动特征很容易分散分析的思路和焦点，但待机组动平衡处理完后，除了一倍 频振动大消除所有的异常振动特征也会全部随之消失。对质量不平衡故障的分析。是故障 诊断的主要技术，动平衡则是振动处理的主要方法。 近年，汽轮机、发电机制造厂加工精度、装配精度不断提高，国内大型汽轮机厂均可以 在制造厂动平衡机上对大型汽机转子进行高速动平衡。发电机转子的高速平衡，各电机厂早 己能够进行。同时，国内电力系统电厂主机、泵、风机的检修质量也在提高，现场检修过程 中对转动部件的质量控制有明显改善，转子现场平衡方法也在不断改进老式土平衡机的低 速动平衡已被电