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东北大学硕士学位论文摘要 3 5 洲汽轮机组振动问题的分析研究 摘要 设备的异常振动是汽轮发电机组的常见故障，强烈的机组振动会加剧设备损 坏程度，降低机组经济性，严重时还会造成机组损坏的特大事故，因而异常振动 是汽轮发电机运转中缺陷和隐患的综合反映，是发生故障的信号。3 5 m w 汽轮机 组振动问题的分析研究，是针对山东铝业股份有限公司热电厂4 撑机组存在振动 超标故障展开的研究课题，该课题研究成果对大型旋转机械振动故障的监测诊断 和处理具有普遍借鉴意义。 本文首先对汽轮机组振动故障监测及诊断理论进行分析研究，建立起振动故 障知识库；根据国内外运行机组已发生的各种振动现象，按振动性质进行了分类； 为设备的振动故障诊断提供了既快速又有效的诊断基础。 通过对3 5 m w 汽轮机组这一大型旋转机械具体结构和常见振动故障的幅值、 频谱、相位和波形分析，区分出各种振动故障类型；借助现代检测技术，对振动 信号进行了采集与处理：运用汽轮机组振动监测诊断及处理知识库，详细分析了 其产生的振动机理、特征为振动类型、原因及故障部位的判断提供了依据。 本文针对山东铝业股份有限公司热电厂4 拌机组的振动特点，提出了有效的 振动监测方案及项目，通过测试图谱特征与常见振动故障比较分析，找出了机组 的振动原因。 根据机组实际运行情况和振动监测结果分析，提出了防止振动故障发生的具 体对策，对于指导运行人员在机组运行过程中进行正确的振动处理，指导检修和 技术人员对存在缺陷在检修时予以根本解决具有重要意义。 关键词汽轮机组振动故障诊断频谱图时域波形振幅相位 i i t h er e s e a r c ha n d a n a l y s i s o ft h ev i b r a t i o n o f3 5 m wt u r b o s e t a b s t r a c t t h ea b n o r m a lv i b r a t i o no fe q u i p m e n t sj sv e r yac o m m o nf a i l u r et ot u r b o s e t a c u t ev i b r a t i o n so f t e nm a k e st h ee q u i p m e n t sa b a t e dm o r eq u i c k l y a n dm a k et h e t u r b o s e tl c s se c o n o m i c e s p e c i a l l y , t h e yc a ni n d u c es u c hg r e a ta c c i d e n t st h a tt h e m a c h i n ec a l l tw o r k t h e r e f o r e a b n o r m a lv i b r a t i o ni sag e n e r a lr e f l e c f i o no ff a u l t s a n dh i d d e nt r o u b l e s a n di ti sa s i g n a lo f f a i l u r e s n l er e s e a r c ha n da n a l y s i sa b o u tt h e v i b r a t i o no f3 5 m wt u r b o s e ti sa p r o j e c tw h i c h a i m sa tt h eo v e r f u l lv i b r a t i o n so ft h e 4 # t u r b o s e to ft h et h e r m o e l e c t r i c i t yp l a n ti nt h es h a n d o n gp r o v i n c ea l u m i n u r nl t d c o b u tt h er e s u l t so f t h er e s e a r c ho f f e rr e f e r c n c e sf o rt h ev i b r a t i o nf a i l u r ed i a g n o s i n g a n dd e a l i n gw i t ht h ev i b r a t i o nf a i l u r e so f l a r g es c a l er e v o l v i n gm a c h i n e s a tt h eb e g i n n i n g t h i st h e s i se x p a t i a t e st l l et h e o r i e sa b o u tt h ef a i l u r eo fv i b r a t i o n d i a g n o s i n ga n di n s p e c t i n gi no r d e rt os e tu d 也ek n o w l c d g e b a s ea b o u t 血ef a i l u r e so f t h ev i b r a t i o n b a s i n go nt h ef a c t so fv i b r a t i o nh a p p e n e di nc h i n ao ro t h e rc o u n t r i e s w es o r t st h e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so f t h ev i b r a t i o n w h i c hp r o v i d e st h eb a s ef o r q u i c k l ya n de f f i c i e n c yd i a g n o s i n go f t h ee q u i p m e n t f a i l u r eo f t h ev i b r a t i o n n l r 0 u 吐t h es t u d yo ft h es t r u c t u r eo f3 5 m wt u r b o s e ta n da n a l y s i so ft h ev a l u eo f a m p l i t u d e ，p h a s ea n dw a v e ，w ec a nd i s t i n g u i s ha l lk i n d so f t h ef a i l u r eo fv i b r a t i o n w i t ht h eh e l po fo n l i n ev i b r a t i o nd e t e c t i n gd e v i c e sa n dt h eo t h e rr e l a t i v ef f a n s d u c e r a n ds e n s o r , w eg e ts o m es i g n a l sa n dr e s n l t sa b o u tv i b r a t i o n u s et h ek n o w l e d g eo f s h a f t - r o t o rd y n a m i co ft u r b o s e t t h e nw eg e tt h er e a s o n so fp r o d u c i n gv i b r a t i o n sa n d t h ef e a t u r e so ft h ev i b r a t i o n s ，w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tt oj u d g et h et y p ea n dt h e c a u s e so f v i b r a t i o n sa n dt h ep l a c e sw h e r e 也ef a i l u r eh a p p e n s a c c o r d i n g t ot h ef c a t u r e so f 廿l ev i b r a t i o no ft h e4 撑t u r b o - s e to ft h e t h e r m o e l e c t r i c i t yp l a n ti nt h es h a n d o n g p r o v i n c em u m i n u n ll t d c o t h et h e s i so f f e r s a ne f f i c i e n c ym e t h o dt o i n s p e c t i n gv i b r a t i o n s t h r o u g ht e s t i n gt h ef r e q u e n c yl o c u s c o m p a r e dw i t ht l l e n o r m a lf a i l u r eo fv i b r a t i o n w e g e t t h er e a s o n so fa b n o r m a l v i b r a t i o ni nt 1 et u r b o - s e t a c c o r d i n gt ot h em a c h i n ep r a c t i c a lr u n n i n g a n dt h er e s u l t so f i n s p e c t i n gv i b r a t i o n ， t h i st h e s i so f f e r ss o m em e t h o d st oa v o i dt l l ef a i l u r e so f v i b r a t i o n a uo f t h e s ea r ev e r y i m p o r t a n tn o to n l y t ow e l ld e a lw i t ht h ef a i l u r eo f v i b r a t i o na n dt od i r e c tt h er e p a i r i n g a n dt r o u b l e ss h o o t i n g ，b u ta l s ot os o l v et h ef a u l t so f t h em a c h i n e st h o r o u g h l y k e y w o r d s ：t u r b o - s e t ，v i b r a t i o n ，f a i l u r ed i a g n o s e ，f r e q u e n c yl o c u s ，t i m e a r e aw a v e ，a m p l i t u d e ，p h a s e i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本人签名：幺定万，、 日期：2 0 0 3 年7 月 东北大学硕士学住论文 第一章前言 第一章前言 l 1 引言 经济的发展，社会的进步，都是以现代高度电气化为前提的，电力工业的发 展，标志着国民经济的发展水平，直接影响着国民经济的发展速度。在现在电力 工业中，火力发电在数量上比重最大，其次是水电和核电。在火力发电厂中，绝 大多数都是以汽轮机拖动发电机来生产电能的，汽轮发电机组为人类提供了8 0 左右的电能，所以汽轮机是现代化国家中重要的动力机械设备。 汽轮机是将水蒸汽的热能转变成机械功的热力原动力，是一种单机功率大， 热经济性高，在高温、高压、高转速下旋转的大型动力机械，从力学的角度看， 它是一个复杂的、多自由度、大质量、高转速、长跨距的力学系统。其结构精密 复杂、动静间隙很小，特别是启动、停机、负荷大幅度变化等变工况过程中，动 静部分膨胀、收缩引起的胀差变化及动静间隙的变化，热应力引起的变形以及推 力的变化等等都会引起振动、超速、超温等异常情况，严重威胁着汽轮机设备的 安全。若检修质量不良，运行操作不当，对异常情况处理的决策不当或对紧急情 况的处理不及时，都将造成设备严重损坏事故，修复困难，有时甚至导致设备报 废，不仅影响企业自身经济效益，而且会造成系统出力降低，影响对用户的正常 供电。因此，汽轮机组的安全可靠性在整个电力系统中起着至关重要的作用。 汽轮机发电机组的可靠性，在很大程度上可以认为是由机组的振动状态所决 定的。对转动机械来说，微小的振动是不可避免的，振动幅度不超过规定标准的 属正常振动。这里所说的振动，系指机组转动中振幅比原有水平增大，特别是增 大到超过允许标准的振动，也就是异常振动。任何一种异常振动都潜伏着设备损 坏的危险。经验证明，汽轮机发电机组的大部分事故，尤其是比较严重的设备损 坏事故，都在一定程度上表现出某种异常振动。比如轴系质量失去平衡( 掉叶片、 大轴弯曲、轴系中心变化等) 、动静磨擦、膨胀受阻、轴承磨损或轴承座松动，以 及电磁力不平衡等等都会出现振动增大现象，甚至强烈振动。而强烈的机组振动 又会导致机组其他零部件松动甚至损坏，加剧动静部分摩擦，加速零部件磨损、 形成恶性循环，加剧设备损坏程度，降低机组经济性，严重时还会造成机组损坏 查苎垄兰翌主兰竺堡圣苎二主堕三 的特大事故。因而异常振动是汽轮发电机运转中缺陷和隐患的综合反映，是发生 故障的信号，机组的振动水平是稳定、安全运行最重要的标志之一。 造成机组振动的原因是极其复杂的，材质不均，加工误差，设计缺陷，安装 方式不当或者运行方式不当均会引起机组振动故障，如何根据机组的振动特点及 变化规律，快速而准确的分析和诊断出机组振动的具体原因具有重要的意义。 在机组运行过程中，如果运行人员能够根据振动的特征，及时对机组发生振 动的原因做出正确的判断和恰当的处理，就能有效地防止事故进一步扩大，从而 避免或减少事故所造成的危害。相反，如果对机组在运行过程中发生振动的原因 判断错误或处理不当，就会导致事故扩大，以致造成设备损坏。因此，运行和技 术人员必须掌握设备的结构、安装和运行条件，了解其振动机理，并能根据机组 振动的征兆，对振动成因做出正确的判断，从而采取正确的处理措施。 山东铝业股份有限公司热电厂4 捍机组，为哈尔滨汽轮机厂生产的 c 3 5 8 8 3 0 ，9 8 型高温、高压、单缸、单轴、单抽式汽轮机，其额定参数为：功率： 3 5 m w ，进汽量：2 0 3 t h ，抽汽量：l o o t h ，1 9 9 8 年8 月试运投产，试车投运阶段 基本正常，运行中振动值小于0 0 5 m m ，但自9 9 年1 0 月起该机组状况发生异动， 在设备启停及负荷调整过程中，常常出现振动超标现象，严重危及设备的安全稳 定运转，经过热电厂领导和技术人员近几年的攻关，目前已基本能够维持运行， 但在启停过程中仍时有异常振动现象。 本课题将重点对上述3 5 m w 机组进行振动分析研究：借助于汽轮发电机组的 在线振动状态监测装置及相关的辅助测试振动分析仪、位移传感器等仪器设施， 通过对机组的结构分析，研究其振动机理、振动变化特性以及与相关量的关系， 确定其振动类型、范围，然后通过理论、数据分析与实践经验相结合，从而对机 组故障成因做出正确的判断，指导运行人员在机组运行过程中进行正确的振动处 理，指导检修和技术人员对安装中存在问题予以根本解决。 1 2 汽轮机振动诊断技术的发展和状况u 2 l 2 1 1 3 8 【4 9 】 设备诊断技术的历史，可追溯到1 9 世纪产业革命时期，早期的诊断技术主要 依赖于该领域个体专家单纯依靠感官获取设备的状态信息，凭个体专家的经验做 出直接判断，这是最原始、最简单的诊断技术。2 0 世纪初，可靠性理论的产生和 应用，使人们可以依靠事前对材料寿命的分析和评估及设备运行中对材料性能的 2 查苎查堂堡主兰竺丝查苎二主堕查 部分检测来完成对设备的诊断。 真正意义上的诊断技术是产生于2 0 世纪7 0 年代初期的现代设备诊断技术。 在旋转机械( 特别是汽轮发电机组) 故障诊断方面，首推美国的西屋( w e s t h o u s e ) 公司，从1 9 7 6 年开始研制，到1 9 9 0 年已发展成网络化的汽轮发电机组智能化故 障诊断专家系统，其3 套人工智能诊断软件( 汽轮机t u r b i n a i d 、发电机g e n a i d 、 化学水处理c h e m a i d ) 共有诊断规则近1 0 0 0 0 条，对西屋公司所生产机组的安全 运行发挥了巨大的作用，取得了很大的经济效益。 日本在民用工业中的故障诊断技术发展得很快，在世界上占有一定的优势。 他们密切注视世界动向，积极引进、消化最新技术，努力发展自己的诊断技术， 研制诊断仪器。三菱重工的白木万博在旋转机械故障诊断方面开展了系统的工作， 他所研制的“机械保健系统”在汽轮发电机组故障监测和诊断方面起到了有效的作 用。 我国设备诊断技术的研究和开发是从2 0 世纪7 0 年代末期开始的。电力系统 在各大发电厂大力推广的以汽轮机组安全监视为目的的旋转机械状态监测系统， 在很大程度上提高了机组运行的可靠性，降低了事故发生率。 1 9 8 7 年5 月，中国振动工程学会故障诊断学会成立。1 9 8 7 年1 0 月，由振动 工程学会、故障诊断学会和转子动力学学会联合召开了全国第一届旋转机械故障 诊断对策研讨会。北京、沈阳、天津、上海等省( 市) 先后成立了机械设备故障 诊断技术委员会或研究开发中心。与此同时，中国机械工程学会成立了失效分析 工作委员会，建立了全国性的专家库和失效分析网，用于协调全国的失效分析和 故障预防研究工作。 现代设备诊断技术的发展经历了两个主要阶段。第一个阶段是以计算机技术、 传感技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的常规诊断技术发展阶 段。这一阶段，设备诊断技术融合并吸收了大量的现代科技成果，各种先进理论、 方法和技术在设备诊断领域中都找到了用武之地。如：振动诊断技术、振声诊断 技术、声发射诊断技术、光谱诊断技术、铁谱诊断技术、红外和热成像诊断技术、 核辐射诊断技术等，都是这一阶段取得的成果。计算机技术的迅速发展，使得各 种信息处理方法应运而生，如逻辑诊断、统计诊断、故障树诊断、模糊诊断等。 各种新技术的应用，使得对设备的在线监测与诊断成为可能。但是，在这一发展 东北大学硕士学位论叉第一章前言 阶段，各种新技术和新方法的应用，仅仅只是延长了人的感官功能。 人工智能技术的应用，标志着现代设备诊断技术进入了第二个阶段智 能诊断阶段。智能诊断技术的应用，不但延长了人的感官功能，而且延长了人的 大脑功能。诊断技术发展到这一阶段，其研究内容与实现方法己发生了且正在继 续发生着重大的变化。原来以数值计算和信号处理为核心的诊断技术将被以知识 处理和知识推理为核心的诊断技术代替，形成基于知识的设备诊断技术。对诊断 技术的研究也不再是各种方法的“堆积”，而是从知识的角度出发，系统地研究诊断 技术。 1 3 汽轮机振动监测和故障诊断 现场中的汽轮发电机组的振动故障十分复杂，仅仅利用- n 两个方面的诊断 知识想达到对现场振动故障完全准确诊断是不可能的，建立完整和准确的故障诊 断知识范围是振动故障诊断系统的快速、准确、使用的基础。本课题从以下几个 方面构成振动诊断系统的主要框架，作为研究的基础。 1 3 1 汽轮机组的原理及结构分析 汽轮机组的故障特征与其结构特点密切相关。现场的振动处理经验表明：机 组的不同结构形式会引起不同的振动故障，同时对轴系临界转速和轴系的不平衡 响应的灵敏度也会产生很大的影响，对其正确的分析，有助于故障部位和故障具 体原因的准确判断。只有把机组的结构分析也纳入故障的分析系统中去，才能按 不同的振动征兆确定具体的故障原因。 1 3 2 轴承转子系统动力学【1 6 】 随着机电设备朝着日益大型化、高速化和智能化方向发展，轴承一转子系统 动力学在旋转机械的开发、设计、制造方面起着越来越重要的作用。在旋转机械 中，转子与其他不动件之间是依赖小间隙约束而构成完整系统的，机组的失效也 总是最先表现在这类小间隙约束的破坏和失效上，而机组振动则是导致小间隙约 束破坏的直接原因。因此，必须借助于转子系统动力学知识对振动原因认真分析 研究，从而保证转子系统在小间隙约束条件下仍然能够具有优良的动力学品质。 1 3 3 振动信号的采集与处理 设备运行状态信号的取得，是设备诊断技术的基本任务。为了正确判断设备 的状况及诊断其故障，必须了解和设备状态有关的各种物理量和时间的变化规律， 4 查些垄兰竺主兰堡垒查苎二主堕三 利用有关测量仪器来获得各种振动信号，然后对信号进行各种频谱分析与处理， 从而识别设备的运行状态，揭示设备振动的本质原因。 1 3 4 设备状态监测及故障诊断理论 状态监测与故障诊断是现代化设备管理的技术基础，它包括设备运行、状态 监测、故障诊断、趋势预报和决策维修等。设各状态监测是指对某些特征参数( 如 振动、噪声、温度等) 进行测取，将测定值与规定的正常值( 门限值) 进行比较， 以判别设备的工作状态是否正常。设备故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使 用过程中的状态，确定其整体或局部是正常运转还是发生了异常现象，以便早期 发现故障及其原因并预报故障发展趋势的技术。不仅要对设备是否正常作出简易 诊断，还要对设备产生故障的原因、部位和严重程度作出判断，为设备管理决策 提供依据。它包括信息的采集、分析处理( 数据处理) 和状态识别( 包括判断和 预报) 三个基本环节，涉及数学、物理、化学、机械、电子、传感、计算机以及 数字信号处理、统计模式识别等技术。从设备管理全过程看，状态监测是基础， 采集的数据应准确无误，而故障诊断是在状态监测基础上的深入和发展。 1 3 5 振动的变化特性以及与相关量的关系 振动的变化特性是指振动矢量的变化规律，包括振动幅值的变化规律及振动 相位的变化特点。非稳定振动故障，振动的幅值和相位均随时间和工况表现出或 大或小、或快或慢的变化，研究不同振动故障振动变化特性的特点是故障诊断的 一个重要方面。 机组的每一种故障，除了其在振动参数方面特征外，还与某些相关量有关， 如机组主蒸汽压力、温度、流量、排气温度、凝汽器真空等。因此在故障诊断系 统中，掌握振动故障与相关量的关系是必须的，只有掌握了振动故障与所有相关 量之间的关系，才能为振动故障的正确分析判断提供充足的依据。 1 3 6 故障部位的判断确定 故障部位的判断确定是诊断知识中的一个重要方面，正确判定出故障的部位， 对缩小诊断范围，快速做出正确的判断，具有重要的作用。对非同步转速的振动 故障，根据出现过大振动所在的部位以及振动类别，确定故障所在转子及所在轴 承。对同步转速的振动故障，可根据转子振动传递特性来判断故障部位，振动幅 值传递特性与相位传递特性和不平衡计算相结合进行故障部位的精确识别。 查苎苎兰竺主兰竺垒查 苎二主堕主 1 4 本课题研究的主要内容和技术路线 本课题着重研究汽轮发电机组的振动问题，以揭示大型旋转机械设备的振动 特性。通过建立机组的在线监测及预测方法，提出大型旋转机械设备状态在线监 测及预测的总体方案和技术路线，利用测振仪、传感器等进行数据采集，利用设 备状态监测及故障诊断理论进行现代信号处理，从而对随机性故障、趋势性故障、 可预知故障等做出准确的判断分析，指导运行操作和设备检修，保证机组的安全 稳定运行。 技术路线见图1 1 。 图1 1 汽轮机组故障诊断研究的技术路线 f i g 1 1t e c h n i c c o u r s eo nf a i l u r ed i a g n o s er e s e a r c ho f t u r b o 。s e t 东北大学硕士学位论文第二章3 5 删汽轮机组振动问题原因分析 第二章3 5 m w 汽轮机组振动问题原因分析 2 13 5 m w 汽轮机结构及性能简介3 1 】 山东铝业公司热电厂4 挣汽轮机c 3 5 8 8 3 0 + 9 8 型汽轮机系单缸、单轴、单抽凝 汽式汽轮机，采用喷嘴调节，新蒸汽通过主汽阀后由四根主汽管引入四个调节阀。 汽缸由高、中、低三部分组成。其设计规范见表2 1 ： 表2 13 5 m w 汽轮机设计规范 t a b l e 2 1d e s i g nc r i t e r i o no f 3 5 m w t u r b o s e t 序号项目数值 单位 1型号c 3 5 - 8 8 3 o 9 8 2 型式单缸高温高压单抽冲动式 3 功率3 5 0 0 0k w 4转速3 0 0 0“m i n 5转向自汽机端看为顺时针 6临界转速1 7 7 8r m i n 7 汽压 8 8 3m a 8汽温5 3 5 9真空0 0 8 6胁 1 0排汽温度带负荷 6 0 c ，空负荷 1 2 0 c 1 1进汽量额定工况2 0 3 ，最大进汽量2 2 0 t h 1 2抽汽量额定工况1 0 0 ，最大抽汽量1 3 0 t ， l 1 3各监视段压力调节级 7 9 5衅a 一段抽汽 3 2 5 二段抽汽 1 7 4 三段抽汽 1 2 8 四段抽汽 o 3 8 五段抽汽 0 1 3 六段抽汽 o 0 7 3 东北大学硕士学位论文第二章3 5 k l w 汽轮机组振动问题原因分析 1 4 工业抽汽压力o 7 8 5 1 2 7m 【p a 1 5级数2 0 级 1 7 回热抽汽分别在 6 、9 、1 1 、1 4 、1 6 、1 7级 1 8调速系统型式全液压式 1 9 调速器型式高速弹簧片式 2 0危急保安器型式 离心飞锤式2 只 2 1危急保安器动作范围3 3 3 0 3 3 6 0r m i n 2 2 同步器行程 3 3m m 2 3高压油动机最大行程2 3 0n n n 2 4中压油动机最大行程1 2 0m m 2 5调速系统的速度变动率4 5 2 6 调速系统的迟缓率! d 3 2 7工业抽汽压力变动率1 0 2 0 2 8 一 轴向推力额定工况：7 6 6 k n 纯凝工况：1 7 8 3 最大抽汽工况：9 5 5 2 9 l # 注油器出口压力 0 1 8m p a 3 02 # 注油器出口压力 o 2 5口a 3 1一次脉动油压 1 0m a 3 2二次脉动油压 1 0m p a 3 3转子轴向位移 0 5 1 om m 3 4晟大振动 o 1m m 3 5透平油型号国产2 0 # 3 6油箱容积 1 lm 3 3 7制造单位哈尔滨汽轮机厂 3 8安装单位冶金部第九安装公司 2 2 汽轮机振动综述 8 - 东北大学硕士学位论文第二章3 5 1 w t 汽轮机组振动问题原因分析 2 2 1 汽轮机振动分类 经多年的研究和不断的改进，当今采用的分类方法见表2 2 。 表2 2 汽轮机振动分类 t a b l e 2 2t h es o r to f t u r b o - s e t sv i b r a t i o n 振动 振动类别振动频率h z振源 相应振动 性质波形 1 普通强迫 仁n 6 0 ( 1 ) 转子不平衡离心力；( 2 ) 固定式 近似 为转数联轴器连接的转子不同心、不平直和 强振 动 ( r r a i n )轴径本身不圆；( 3 ) 不对称电磁力正弦波 2 高次谐波f = k n 6 0 ( 1 ) 序1 振源的非基波分量； ( 2 ) 转轴存在弯曲( 永久或热弯曲) 和正弦波 迫 共振 ( ，* 2 、3 、4 ) 横向裂纹 3 分谐波 共振 f = n 6 0 k同序2正弦波 f = n p 6 0近似 振4 电磁激振p 为转子电磁力 磁极个数 正弦波 包络线是 5 拍振 f = ( n l - n 2 ) 6 0振动频率相近的两种振动的叠加 正弦波 动f = n t 6 0 近似为 t 为在主轴上 6 撞击振动齿牙冲击力 产生振动的脉冲波 齿轮个数 7 随机振动连续频谱流体冲击力和大部件松动时的冲击力随机波 1 轴瓦自激f = n l l 2 0暂态：随 白半速涡动机波 2 轴瓦自激 f = n d 6 0 油膜力 油膜振荡n 。为转子第 稳态：正 激 一临界转速 弦波 3 参数激振f = n p 6 0交交的挠曲引起的惯性力 近似 振正弦波 4 汽流激振 f = n d 6 0 汽流不稳定力正弦波 动 5 摩擦涡动无简单关系不稳定干摩擦力谐波 表2 2 的机组振动划分方法，是首先将机组振动按振动性质划分为普通强迫振 动、电磁激振、拍振、撞击振动、随机振动、轴瓦自激振动、参数振动、汽流激 振、摩擦涡动等共ll 类，然后按振动类别将振动故障原因再分类。为叙述和实际 - 9 东北大学硕士学位论文第二章3 5 n w 汽轮机组振动问题原因分析 诊断方便，将普通强迫振动分为稳定的、不稳定的两类。凡是基频振幅、相位不 随运行时间和运行工况变化而变化的称为稳定的普通强迫振动：相反，称为不稳 定普通强迫振动。这种分类方法有以下特点： ( 1 ) 分类方法简单而严密。一般只要通过振动频谱或不同频率下振动分量，即 可对发生的振动进行分类，而且避免了以往分类法的各类故障严重的相互交叉， 虽然表2 2 中高次谐波共振、电磁激振、参数振动、分谐波共振、轴瓦自激 振动、汽流激振的振动频率可能接近，但振动性质不同，这些振动的进一步划分， 可以按其他振动特征区分。 ( 2 ) 表中所列的振动包括目前国内外在运行机组上己发生的各种振动。对于目 前学术上讨论的、但在实际机组上未见有发生的振动，例如材料内滞、转子内腔 集液等引起的自激振动没有列人在内。对国内机组振动而言，具有实际意义 的是前九类振动，因此可以说这种分类法列全了汽轮发电机组的各种振动。 ( 3 ) 在诊断一开始即可采用正向推理，对发生的振动进行分类。再用正向推理 按不同的振动类别对引起振动的具体故障做出诊断。 ( 4 ) 经大量现场实践证明，这种分类法对不同类别的振动，其故障源不存在相 互交叉，这一点作为获得肯定的诊断十分重要，例如表中所列的1 1 类振动的激振 力，是互不交叉的，由此延伸引起各类振动激振力的故障源也不存在交叉，这样 引用推理手段才能获得可靠和肯定的诊断。 ( 5 ) 将个长期认为涉及多方面、复杂而难于搞清的机组振动问题简化为只要 进行简单的振动测量，再按表2 2 分类，即可把振动故障原因局限在较小的范围内， 由此可以显著地降低诊断、查找振动故障原因的工作量并缩短诊断时间。 ( 6 ) 这种分类法的主要缺点，是普通强迫振动划分太粗，涉及的故障原因和 范围相当广，因此诊断难度较大，现场发生的振动约有8 0 以上是属于这一类振 动，因此如何将这一类振动细分，以便诊断，尚待进一步研究。 2 2 2 振动故障诊断 故障诊断是采用演绎推理的方法，以故障特征为基础，与振动特征进行比较、 分析，或采用逐个排除的方法，对振动性质、故障原因和具体部件作出判断。 演绎推理有反向推理和正向推理两种形式，这两种推理方式在目前的振动故障 诊断中都使用，下面具体介绍这两种方法在振动故障诊断中的使用方法、使用要 东北大学硕士学位论文第二章3 5 1 d w 汽轮机组振动问题原因分析 点和存在的问题。 2 2 2 1 反向推理 反向推理也称目标直接推理，它是依据振动特征反推出振动故障原因，因此称 它为反向推理。在推理过程中只与单一的目标有关，当振动特征与故障特征符合 时，即可作出诊断。 故障特征是指前人或个人在以往工作中经归纳总结得到的具体的、明确的故障 所呈现的振动现象和特点：振动特征是指要诊断的机组振动，经调查、测试、分 析后归纳得出的振动现象和征兆。例如柔性转子存在一阶不平衡，在一阶临界转 速下轴承或转轴振动必然会呈现显著峰值，则其故障特征是转子一阶不平衡，在 一阶临界转速下振动过大。当某一台机组启动中在一阶临界转速下发生强烈振动， 则启动中一阶临界转速下强烈振动即为振动特征，若采用反向推理，即可作出该 机组一阶临界转速下，强烈振动故障原因是转子存在一阶不平衡的诊断。 使用反向推理不需要了解故障范围，而只要对有关的故障特征有所了解，即可 进行诊断，因此目前国内这种诊断方法应用相当广泛，而且国内外在线诊断目前 主要也是采用这种推理方法。由于反向推理诊断故障容易掌握，所以目前已获得 较广泛应用，但是在实际诊断振动故障时往往会发生下列弊病。 ( 1 ) 诊断结果不肯定 机组绝大多数振动故障特征有多方面的反映，不同的故障其特征存在着显著的 交叉，例如转子不平衡过大，引起的是基频振动过大；同样支承动刚度不足，轴 系连接同心度、平直度偏差等故障，也是基频振动过大，也就是说故障和特征之 间不是一一对应的关系，而是多重交叉关系，而且一种故障在特征上有多方面的 反映，就拿最简单的振动故障转子不平衡来说，它可以在升速过程中发生振动过 大，但也有不大的，而只是在工作转速下振动大；有时则相反。从而依据振动特 征反推故障，必然会得出几种不肯定的诊断结果，这就是目前一般都习惯采用的 可能是某种原因，或大概是某种原因。得出这种不肯定的诊断结果，从方法上来 说是采用了反向推理的必然结果，但从主观上来说，作出这种诊断是事先给自己 留好退路，因此严格地说，这是一种不负责任的诊断。 ( 2 ) 产生漏诊断和误诊断 由于故障和特征之间不是一一对应的关系，一种故障在特征上有多重反映，不 东北大学硕士学位论文第二章3 5 删汽轮机组振动问题原因分析 同的故障特征相互交叉等原因，在诊断的反向推理过程中，不仅可能会得出错误 的诊断，而且还会漏掉真正引起振动的故障。出现漏诊断和误诊断机率虽然与诊 断本人对故樟特征和振动特征认识广度和深度直接有关，但从诊断方法来说这种 现象是难于避免的。 目前在实际振动故障诊断中，为了避免漏诊断，往往采取不错误诊断的一种 错误做法，将一台机组振动说成是多种故障原因的综合反映，为此对一台机组振 动故障诊断往往提出4 5 个或更多的可能原因，而且各个原因之间往往互不相干。 但现场绝大部分实际机组振动的故障原因是1 2 个，而且这些故障原因是相互密 切相关的。 由现场消振经验证明，当故障诊断准确率为2 0 3 0 时，虽然有一定的参 考价值，但它的误导作用影响太大，会对消振带来极为不利的影响。 所谓故障诊断准确率，是指实际故障与诊断故障的符合程度，例如实际故障是 一个，诊断出三个可能原因，其中一个符合，则其准确率为3 3 ；又如实际故障 是两个，诊断出三个，但一个也不符合，其准确率为零。 振动故障诊断的实际价值是用来指导消振工作，因此故障诊断应在消振之前作 出，但目前在一些文献中见到的振动故障诊断，实际是消振之后作出的。这种总 结分析对于提高今后的故障诊断的认识是有必要的，但是对于消除这台机组的振 动来说，已是多余的了。从这些资料统计来看，其诊断的准确率大部分为3 0 左 右，有些更低。如果拿当时的原始诊断来说，其准确率远低于3 0 。 2 2 2 2 正向推理 使用正向推理诊断故障的前提，是振动故障范围必须明确，具体推理方法是在 能够引起机组振动故障全部原因( 称故障总目录) 中与实际机组存在的振动特征、 故障历史，进行搜索、比较、分析，采取逐个排除的方法，剩下不能排除的故障 即为诊断结果一某种故障不能排除。这一诊断结果包含两层含义，一层是当只有一 个故障不能排除时，它是引起振动故障的原因；另一层含义是当还剩下两个以上 故障不能排除时，这些故障都是振动的可能原因，需要迸一步做工作，排除其中 无关的故障。 显然正向推理在排除和不能排除的故障比较中，也采用了反向推理，但是这 种反向推理是在故障范围明确的前提下采用的排除方法，因此思维方式上要比反 东北大学硕士学位论文第二章3 5 m w 汽轮机组振动t - i 题原因分析 向推理直接诊断故障严密得多，由此可以获得很高的诊断严密性和诊断的准确率， 基本上可以避免采用反向推理诊断故障所出现的漏诊断和误诊断的结果，但是要 取得较高的诊断准确率和肯定性的诊断结果，应掌握以下要点。 ( 1 ) 振动故障范围 这是采用正向推理的大前提，在数学上称作边界条件，应明确。对机组振动故 障诊断来说，应明确机组振动到底存在哪些故障及其相应特征，这显然是一个非 常复杂和涉及面很广的问题，而且即使列全了机组振动的所有故障及其特征。在 实际诊断时如何查找和记住这些故障和特征也将十分困难况且前人还没有提供 这些资料，所以在以往故障诊断中没有采用正向推理的。 ( 2 ) 分层次诊断 在正向推理中采用分层次诊断是能获得严密和可靠诊断的一种有效思维方 式。所谓分层次，具体是指先大范围，后小范围，再具体到某一种故障和某一个 部件。在每一层次上诊断首先要明确这一层的故障范围及其相应的故障特征、机 理，在对机组振动特征已全面和深入了解的基础上，做严密推理，才能获得可靠 和肯定的诊断。 ( 3 ) 故障特征和故障机理 直观寻找和分析寻找振动故障的基础，是眼见为实；推理诊断振动故障的基础 是故障特征和故障机理。前者是直观可见的，后者是抽象的。 上述已经指出，由于故障和特征之间不是一一对应的关系，不同的故障特征的 相互交叉，造成反向推理诊断结果不肯定和误诊断，克服这一缺点的有效措施， 一是采用正向推理；二是明了故障机理，通过故障机理的分析，若不能解释故障 特征多重性和相互的交叉现象及故障形成史，也可排除特征相似但实际与发生振 动无关的故障。若是同时存在两个以上故障时，应说明各个故障之间的相互关系， 及各个故障在振动中所占的相对量值，这样才能保证诊断结果的准则性，以及消 振对策切实有效。 ( 4 ) 振动特征和振动机理 如果说掌握故障特征和故障机理是获得正确诊断结果的先决条件，那么正确获 取机组振动特征和振动机理，是获取准确诊断的必要条件。若采用正向推理。首 先应全面地获取振动特征及其历史，查明振动机理，只有这样才能排除所有的无 东北大学硕士学位论文第二章3 5 m w 汽轮机组振动问题原因分析 关故障，获得肯定的诊断，在偏离振动特征，或在不可靠的振动特征基础上所做 的推理，只能是直观想像凭空的推测，不能称为故障诊断。 这里应说明，在目前振动故障诊断中，常常将某些与振动特征不符的故障首先 排除，这种排除法从形式上来说与正向推理中逐个排除故障的方法相似，但它是 在故障范围没有确定的前提下所做的推理。诊断的结果只能缩小怀疑面，而最终 仍不能获得肯定的诊断结果，因此仍属反向推理范畴。 纵观国内外故障诊断系统，在振动信号的采集和数据处理方面，相关的经验 己比较丰富，但在故障部位的确定判断方面，大多还不能达到对形成机组振动的 各种原因，均能进行综合分析的程度，现场中出现的大量振动故障还是依靠经验 丰富的专家进行故障诊断和处理。目前的故障诊断，尚存在以下不足： a 在故障诊断过程中，故障诊断的正确性，取决于它所拥有知识的数量和质量， 但目前国内外在故障诊断知识范围的研究方面还存在不足，多数故障诊断系统所 包含的分析范围仅为材质不均，加工误差，设计缺陷，安装方式不当等几个方面， 这些方面还不足以反映引起振动故障原因的全部征兆。因而在实际应用中存在一 定的局限性，对某些振动故障还无法做出正确诊断。 b 在建立征兆与故障之间的判断规则方面，仍需完善。在建立诊断知识框架的 基础上，应对振动故障每一方面的振动特征进行归纳总结，建立征兆与故障之间 较为全面的判断规则，才能进一步提高故障诊断的准确性。 c 现国内有些大型火电机组上己采用了远程在线振动监测及诊断系统，但其准 确性仍待于进一步考察研究，而且该系统造价较高。对于小型火电机组来说，采 用在线检测离线分析的监测方式，再通过专业技术人员的详细认真的分析和判断， 即可找出故障症结，制定消除对策，而且造价低，准确性高，实用性强。 2 3 汽轮机振动机理、特征分析 机组在运行中常见的振动原因有以下几个方面：( 1 ) 转子弯曲和偏斜；( 2 ) 转子 不平衡：( 3 ) 转子对中不良；( 4 ) 油膜涡动；( 5 ) 油膜振荡；( 6 ) 转子膨胀受阻振荡；( 7 ) 封存在转子内部的流体造成振荡；( 8 ) 顶隙激振力一一蒸汽振荡；( 9 ) 水冲击振荡：o 嗍爱 机不符合要求振荡。 2 3 1 转子不平衡故障的诊断 转子不平衡是汽轮机组最为常见的故障，统计分析表明，汽轮机组的大部分 1 4 东北大学硕士学位论文第二章3 5 m 汽轮机纽振动问题原因分析 振动是与转速同步( 丘) 的振动信号。引起汽轮机组同步振动的原因可能有原始质 量不平衡、转子热不平衡、转子热弯曲、旋转部件脱落、转子部件结垢等，这些 原因都将导致转子的不平衡。不同原因引起的转子不平衡故障的规律基本相近， 但也各有特点。 2 3 1 1 转子质量不平衡 ( 1 ) 故障机理分析 转子质量不平衡故障产生的机理是，转子的各横截面的质心连线与各截面的 几何中心的连线不重合，从而使转子在旋转时，各截面离心力构成一个空间连续 力系，转子的挠度曲线为一连续的三维曲线，如图2 - l 所示。这个空间离心力力系 和转子的挠度曲线是旋转的，其旋转的速度与转子的转速相同，从而使转子产生 工频振动。 z 图2 1 转子质心的空间分布 f i g 2 1s p a t i a ld i s t r i b u t i n go f t h er o t o r sc e n t r o i d ( 2 ) 故障特征分析 当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下转子将发生振动，振动的 主要特征有： a 转子的振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速按振动理论中的 共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此，转子不平衡故障的突出表 现为一倍频振动幅值大。同时，出现较小的高次谐波，整个频谱呈所谓的“枞树形”， 如图2 2 所示。 b 在一定的转速下，振动的幅值和相位基本上不随时间发生变化。 c 轴心运动轨迹为圆形或椭圆形。 1s 查! ! 垄兰壁主兰堡垒墨 d 动态下，轴线弯曲成空间曲线 ( 3 ) 故障判断依据 苎三兰! ! 婴塑竺垫塾塾塑塑墨垦堕坌堑 并以转子转速绕静态轴心线旋转。 对于汽轮机组而言，无论其平衡状况有多么好