汽轮机故障诊断技术

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1、华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）毕 业 设 计(论文)汽轮机故障诊断技术系 别动力工程专业班级 学生姓名指导教师III汽轮机故障诊断技术摘 要 汽轮机是一种应用十分广泛的旋转式机械设备，主要作为驱动各种生产设备运转的原动机，因此其在工业生产中的地位不言而喻。随着现代工业的发展，汽轮机正向着大型化、高速化、自动化的方向发展，与其他生产设备之间的联系也越来越紧密。因此，一旦汽轮机发生故障而停止工作，将会导致整个生产过程的停滞，造成不可估量的经济损失。可见，机械故障诊断在工程实际中具有相当的意义，它甚至逐渐成为了一种单独的学科门类。本文从汽轮机这一大型设备出发。首先详细介绍了汽轮机故障诊断的

2、历史，然后有分别介绍了汽轮机故障的分类情况和故障参数的主要分析方法，最后根据电厂的实际情况，设计了一个故障检测诊断系统，以说明在汽轮机故障诊断技术在实际应用中的具体原则。关键词: 故障诊断；旋转机械；汽轮机TURBINE FAULT DIAGNOSIS TECENOLOGYAbstractThe steam turbine is a kind of rotating machinery, which is widely used. It is mainly used as the prime mover to drive all kinds of production equipment. T

3、herefore, the position of the steam turbine in the industrial production is self-evident. With the development of modern industry, the steam turbine is developing in the direction of large scale, high speed and automation, and the relation between the steam turbine and other production equipments is

4、 more and more close. Therefore, once the turbine fails and stops working, it will lead to the stagnation of the whole production process and cause incalculable economic losses. Obviously, the mechanical fault diagnosis has the quite significance in the engineering practice, it even becomes a kind o

5、f independent discipline category gradually. This paper starts from the large-scale equipment of steam turbine. First introduced the history of the fault diagnosis of steam turbine, and then the main analysis methods were introduced to turbine fault classification and fault parameters, according to

6、the actual situation of the nuclear power plant, designed a fault diagnosis system, the specific principles to explain in the turbine fault diagnosis technology in the practical application.Key Words: The steam turbine ;Fault diagnosis; Rotating machinery II目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 汽轮机故障问题研究的意义11.

7、2 故障诊断技术的发展11.3 故障诊断技术的现状2第二章 汽轮机故障诊断的基本分析方法32.1 汽轮机故障分析概述32.2 振动诊断检测法42.2.1 振动信号的监测42.2.2 振动信号的分析5第三章 汽轮机主要故障的分类133.1 汽轮机故障概述133.2 汽轮机振动基础143.2.1 汽轮机振动的分类143.2.3 转子临界转速对振动的影响173.2.4 汽轮机振动标准173.2.5 小结203.3 转子不平衡213.3.1 转子不平衡的分类223.3.2 转子不平衡故障的特征223.3.3 转子不平衡故障的原因233.3.4 转子不平衡的诊断233.4 转子不对中243.4.1 转子

8、在不对中的分类263.4.2 转子不对中的主要故障特征273.4.3 转子不对中故障的产生原因283.4.4 转子不对中故障的诊断293.5 动静碰摩293.5.1 动静碰摩的分类303.5.2 动静碰摩的主要特征313.5.3 动静碰摩的主要原因323.5.4 动静碰磨的故障诊断323.5.5 动静碰摩故障的处理333.5.6 动静碰摩故障的预防333.6 转子弯曲333.6.1 转子弯曲的分类333.6.2 转子弯曲的主要特征343.6.3 转子弯曲的原因343.6.4 直轴方法343.6.5 预防方法353.7 油膜涡动与油膜振荡353.7.1 油膜涡动353.7.2 油膜涡动的主要特征

9、363.7.3 如何消除油膜涡动363.8 中心孔进油故障38第四章 汽轮机故障诊断系统的设计与实现404.1 汽轮机故障诊断的流程404.2 汽轮机故障诊断系统的设计（STSFDS）424.2.1 STSFDS的总体设计424.2.2 STSFDS的系统结构434.2.3 STSFDS的主要构成44结论46参考文献47致谢50第一章 绪论I1.1 汽轮机故障问题研究的意义编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第51页 共57页汽轮机（Steam Turbine），又称蒸汽透平。是一种以高温高压的蒸汽作为动力，将蒸汽的内能转换为汽轮机转子动能的机械。汽轮机由转动部分

10、和静止部分两个方面组成，其主要作用是转换蒸汽内能，带动发电机转子发电。也可以直接驱动其他动能转换设备，例如风机、泵等等。因此被广泛应用于包括电力在内的各种生产行业，甚至我国的第一艘航空母舰“辽宁号”也是采用蒸汽轮机驱动螺旋桨。作为主要的动力设备，它能否安全高效地运行直接关系到了一个生产企业能否顺利地运营。随着工业的大规模发展和科学技术的长足进步，让以汽轮机为代表的大型旋转机械设备正向着大型化、高速化、连续化、集中化、自动化的方向发展，生产设备之间形成一套完整的系统，各种设备之间的联系也越来越紧密1。根据墨菲定律的引申，越是精密复杂的系统，发生故障的概率就越高。即使是在重视安全的今天，由于汽轮机

11、故障产生的灾难性事故仍时有发生。例如，1987年山西大同电厂200MW机组由于调速器失控，导致机组发证生转子超速飞车的恶性事故；1999年阜新电厂一号机200MW汽轮机低压缸铸铁隔板碎裂导致轴系损坏断裂；而国外，类似的事故从上世纪60年代报道以来就有50多起2 ，例如,1969年英国辛克利角核电站一台87MW汽轮机组在超速实验时由于高应力和材料的低韧性导致主轴断裂，电站停止运行；1974美国加拉丁（Gallatin）电站2号机组225MW汽轮机由于转子制作材料缺陷产生裂纹导致中低压转子断裂，造成了巨大的经济损失；2011年2月，南非ESKOM电力公司的DUVHA电站四号机组在进行超速实验时，由

12、于转速飞升引发了汽轮机飞车恶性事故。由此可见，能够有效地预测或是诊断汽轮机故障对于生产实际是非常有必要的。1.2 故障诊断技术的发展二次世界大战以后，为了尽快恢复到战前的生产水平，各国加大了对于旋转式机械设备的开发与应用，结合战争中对于保养设备和维修故障的经验，再加上与之相关的基础物理和应用数学的极大发展，使得机械的故障诊断技术的到了飞速的提高。但是随着汽轮机向着高温度、高转速、新型材料和新式结构的发展，传统的转子动力学愈显不足，尤其是转子的复杂程度越来越高，各种传统物理学和机械学难以解释的故障频繁发生。于是，为汽轮机量身定制的设备故障诊断技术应运而生。为汽轮机量身定制的设备诊断技术，最早是出

13、现在欧洲，那在的欧洲工业联合会（EIF，European Industry Federation）的推动下，成立了英国机械保健和状态监测协会（MHMC，Mechanical Health Monitoring Center），以综合诊断学（Terotech）为指导，从60年代末开始了对设备故障的研究；美国最开始提倡以后勤学（Logistics）为主导的装备设备服务维修，后来由于层出不穷的机械故障事故，在美国航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）的倡导下，由美国海军实验室（NRL，Naval Research Laborat

14、ory）主持成立了美国机械故障预防小组（MFPG，Machinery Fault Prevention Group），积极从事机械设备故障诊断技术的开发，在汽轮机的故障诊断领域也是成绩斐然。日本虽然起步较晚，新日铁（NSC，Nippon Steel Corporation）于1971年开始研发诊断技术，吸收英美两国长处，于1976年达到使用并取得了良好的效果，让日本的电力行业以及汽轮机制造业得以居于世界领先之位。在当时，被广泛推崇的系统有：日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统”（MHM，Machinary Health Monitoring），美国西屋公司的“可移动诊断中心”（MDC，Mobi

15、le Diagnosis Centre），美国中心发电部的“汽轮机监测设备”（TSE，Turbine Supervisory Equipment）和“试验设备监测”（TEM，Test Equipment Monitoring）等等。我国自1979年才初步开发设备诊断技术，并于1983年初正式把开展机械故障诊断工作的要求纳入国营工业交通设备管理试行条例3，电力行业响应国家政策，于1984年在各大电厂推广电力故障诊断技术，应用于电厂各设备的故障检修与维护。1.3 故障诊断技术的现状目前汽轮机系统有基于线性振动理论和典型非线性振动理论研究两种故障诊断模型4，线性的理论系统较为完善，因此当我们分析非线

16、性振动模型时，常常是把某个典型的非线性模型，近似地处理接近成一个线性模型去分析，这样得以使计算工作大为简化，但是这样做到弊端是：当一个强烈的非线性故障出现及恶化时，我们就无法辨识出现的非线性转子故障的动力学现象，以至于无法进行正确的动力学特征的提取，无法准确有效地分析问题，因此，对于非线性的研究问题必须采用非线性的基础模型来分析。现代科技的飞速发展从某种方面解决了这些问题，前辈们辛苦钻研，研究出了各种各样的、可以有效应用与现场分析计算的故障诊断模型。例如：应用MATLAB的汽轮机振动故障诊断模型；基于小波分析技术与聚类分析技术相结合的旋转机械故障分析技术5；利用一维、二维隐马尔科夫（Marko

17、v）模型的故障信号处理方法；将独立分量分析（ICA）与高阶统计量等现代信号处理方法应用于故障特征提取等。尽管我们在汽轮机故障诊断方面做了相当程度的的研究，但这一技术的本身发展还是远远不够，无法满足实际的生产需要，尚未形成一个完整的全面的理论应用体系。因此，即使在工业高度发达的今天，已经投入运行使用、应用比较成功、系统较为完善的汽轮机故障诊断系统仍然不多见。作者从大三的专业课上接触到汽轮机的维修及故障预防技术，通过学习与交流，深刻地了解到设备的维护与故障的诊断工作直接关系到企业的生产效益与安全，在生产环节中的地位至关重要。导师说：“当前故障诊断推广应用的最大障碍就是从事现场故障诊断的技术人员知识

18、结构的缺乏，许多人懂得设备、懂得如何运行，却不明白背后的理论概念。”汽轮机的故障诊断技术，应该是由严谨的数学逻辑作为支撑，众多学科相互渗透所组成的知识体系。本文从汽轮机这一大型旋转机械设备出发，首先详细介绍汽轮机故障的分类及发生故障前后的特点，并针对故障给出相对的解决方案。然后列出故障诊断的主要方法与内容，以及其理论支撑和应用效果。最后，以实际电厂为例，制定汽轮机故障诊断的具体原则。第二章 汽轮机故障诊断的基本分析方法2.1 汽轮机故障分析概述故障诊断技术，从理论到实现，要经历三个阶段。首先是状态的检测，通过各种传感和观测仪器记录并上传所采集的数据，为故障诊断提供参考数据和根本依据；然后是信息

19、的处理，包括了信息的分类整理和信号的运算与筛选，以及信号之间的转换，从庞大的数据中整理出对故障诊断工作有价值的信息；最后是对处理之后的信息进行模糊识别，以期对设备的运行状态、运转趋势进行判断和预测。 诊断的基本流程，如图2-1：图2-1 故障诊断的基本流程诊断的实施方法也用很多种，虽然在各个领域都各不相同，但总体来讲，可以分为三个方面：（1）按照核心部分分类，有离线经验分析和在线设备监视等等。（2）按照检测方法分类，有振动检测法、噪声检测法、温度压力检测法、声波检测法、金相分析法等等6。（3）按照诊断的原理分类，有频域诊断法，时域分析法、统计分析法、信息理论分析法、模式识别法等等【7】。2.2

20、 振动诊断检测法对汽轮机的故障诊断时所选择的特征信号，应该同时具备敏感性和实时性两方面：即蕴含了机器运行时的最本质的信息，又能表明当前的运行情况，有利于设备的工况判别。旋转设备发生故障的最明显的特征就是伴随着剧烈的振动和刺耳的噪声，而其中振动是最主要的信号特征8。在汽轮机所发生的故障中，振动往往是最普遍的现象。由此可见，振动诊断检测法是一种十分合理的汽轮机故障诊断方法。2.2.1 振动信号的监测2.2.1.1 振动的测量装置 在工程实际中，想要了解汽轮机的运行状态，往往通过监测它的通频振幅而得出。用来测量通频振幅的装置叫拾振器，拾振器的核心组成部分是传感器。在工程现场，应根据不同的使用环境和现

21、场条件，来选择使用何种传感器。测振仪器的种类有很多，以被测参数来划分，有位移传感器（电阻式、应变式、电容式、涡流式），速度传感器（动圈式、动磁式、变间距式），加速度传感器（压电式和应变式）【9】。2.2.1.2 振动信号的评定需要采集的振动信号可以根据实际应用情况分为：（1）轴承振动评定,测量点位于轴承基座。（2）轴振动值评定，测量点位于基座上，轴的两侧。2.2.1.3 振动的监测参数振动的监测参数可以分为以下两种：（1）动态参数1）振幅，表征被测器件因振动离开其平衡位置的最大距离。图2-2 3个方向上的测点2）振动烈度，是国际上统一的机械振动状态特征量。3）相位，用于确定旋转机械的动态特性及

22、动平衡。（2）静态参数1）轴心位置，在平衡状态下，轴承中心相对于轴颈中心的位置10。2）轴向位置，是指机器转子上安装的止推环相对于止推轴承的位置11。3）涨差，指的是汽轮机转子与气缸的相对膨胀量。4）对中度，指轴系转子之间的连接对中程度12。5）温度，轴瓦温度反映了轴承当前的运行情况。6）润滑油压，可以以此判断轴承油膜的状态。2.2.2 振动信号的分析在工程实际中，过程参数与过程状态之间，其实并没有严格的一一对照的关系。因此，在故障诊断的准确与否，取决于先期信息的分类处理。故障诊断其实是由工况监测和故障分析两个部分组成。不论是从字面意思还是其背后机理，二者有着明显的不同，但是二者确是相辅相成，

23、不可或缺。工况监测是故障分析的基础，故障分析是工况监测的目的。工况监测是对实时状态的监视及实时信息的收集，从汽轮机侧接收数字信号并进行处理。故障分析则是从汽轮机的故障出发，目的在于判断查明故障的部位以及发生原因。然而在工程实际中，汽轮机故障往往是一种十分复杂的多参数形态，因此在分析数据时，不仅要应用到模拟量分析，等基本处理手段，也要尝试用了一些新的方法，例如人工神经网络系统、混沌模型系统等。2.2.2.1 对比分析法在工程实际中，采用了一种频谱分析仪，分析所测得振动信号的频谱中的峰值等数据，通过与参考模式的对比，就可以判断出运行是否正常或是识别出什么故障、何种原因。这种把当前信息与过往经验相比

24、对，通过分析其中的区别和联系并以此为根据进行信息处理的方法，称为对比分析法 对比分析法的顺利应用，有两个十分必要的先决条件：一是要熟悉机器的各种状态下的稳态参数和故障特征，并统计为参考模式；而二是要有鉴定人员需要有一定的技术水平，对操作仪器有着相当的了解。2.2.2.2 逻辑判别法前面提到，在工程实际中，过程参数与过程状态之间，其实并没有严格的一一对照的关系。导致了我们没法直接通过分析对比就能得出二者之间的关系，因此我们需要后退一步，通过梳理二者的逻辑，进行故障判别。逻辑判别法可以分为数理逻辑判别和物理逻辑判别两种方法13。所谓的数理逻辑判别法，简单来讲，就是将采集的数据通过函数运算转变为特征

25、参数，比对该特征参数是否大于或小于某些故障的阈值，依次判断是否存在该故障。物理判别法则是从关键部位的零部件所用材料物理变化的角度来判断该部位零件的当前情况。例如：通过对润滑油的分析，测得润滑油温度、压力是否正常，以及各种金属微粒的含量大小，就可以分析得出，油膜是否正常、被润滑件是否产生严重磨损等。2.2.2.3 贝叶斯分类法在机械的运行过程中个，出现的问题大多是随机的。虽然机械故障的出现不可预见，但我们仍然可以根据已有的统计模型和现场数据估计出故障发生的概率，这种利用已有模型和经验对故障出现的概率做出的估计，称为先验概率14。因为故障状态是一个随机量，以此故障状态的空间可以写成j=（1，2i，

26、m），其中i（i=1,2,3,，m）称为故障状态空间中的模式点。在诊断过程中，主要用于判别运行状况的正常或异常两种状态，因此他们的先验概率P（1）+P（2）=1。仅仅得出先验概率还不足以达到判条件，还需要考虑到各种观测数据、各种状态下的条件密度。例如： P（x /1）正常状态下的类条件事件发生密度；P（x /2）异常状态下的类条件事件发生密度；由此，根据贝叶斯公式： Pix=PxiP（i）j2PxjP（j） （式31）式中Pix为后验概率。可以理解为，在所有样本环境及条件均为已知的条件下，故障状态空间中模式点出现的概率。图2-3 贝叶斯分类算法2.2.2.4 模型判别法在生产实际中，汽轮机的故

27、障的发生是一个动态的过程，而且遵循着一定的规律。最常使用的模型判别法，是展开对故障发生的前后动态和瞬态时间域的数据分析。也就是所谓的时间域分析。时间域分析是根据观测数据建立的数学表达式，只要拥有合理的模型结构和参数设置，那么动态过程的基本规律、运行状态的异常与否等信息一定蕴含在分析模型及数据结构当中。在工程实践中已经证明：用时间域分析法进行的建模，在运行状态预测、故障提前预警方面已经取得了一定的效果。目前的汽轮机诊断技术中，已经大范围采用时间序列分析法中的线性和非线性检验方法，来判断一个运行工况是否整体在一个正常或是异常的范围内。2.2.2.5 模糊诊断法机器在运行过程中，我们所监测得的测量值

28、和特征参数往往是确定的，但它们对应的现象及故障却是存在一定的不确定性，也就是存在一定的偶然性和模糊性。因此在工程实际中，我们并不能将故障准确地定义为某一类，同样地，也无法判断机轮机的当前的状态属于具体哪一种故障。我们只能以一种范围性的说法来概括。例如振动有大有小，有径向振动也有径向振动，有倍频振动也有同步振动等等，我们通过逐步模糊处理的方法，先把振动信号模糊归类在振动大这一分类中，在通过后续的算法做详细分类。但是，这里所说的模糊分类并不是靠人工思维分类那么简单，它有着一定的模糊运算规则以及运算逻辑，并可以通过复杂的数学运算把相应的想象用数学模型来体现。2.2.2.6 故障树分析法故障树分析法，

29、是利用树状图将汽轮机故障与汽轮机运行时的异常现象、异常状态、异常参数等等联结起来的图形式分析方法，它模糊了各个事件与故障发生原因的微小差别，强调了故障前后现象的因果关联。通过鲜明的分支和严谨的结构关系，将故障-现象-因素这三者紧密地结合起来，具有逻辑性强、合理程度大、便于分类和处理等优点，因此在故障诊断领域被广泛使用。下面是应用故障树的步骤：（1）给故障以明确的定义，选定可能发生的故障作为顶事件。（2）分析该故障的成因（3）做出系统故障的逻辑图。（4）对故障树的各级结构做定性分析，分析各个因素与顶事件的关联程度。（5）对故障树的各个结构做定量分析，就可以根据故障树逻辑，对系统故障做出分析。 图

30、2-4汽轮机故障的故障树分析图2.2.2.7 图形分析法所监测的数据，通过分析处理，可以得到一系列的图形数据，有的可以直观的看出机器当前的运行状况、某一参数的大致走向等等。针对汽轮机振动故障的特点，常常采用的图形分析方法有：（1）波特图（Bode plot），又称为幅频响应图，是一种应用于线性的非时变系统的坐标图。一般由两张图组合而成，波特图中横坐标表示为转速频率的半对数坐标尺度，波特图纵坐标则分别表为振动幅值和振动相位。因此它也是一种幅频响应和相频响应曲线。有着绘制简单，对比直观等优点。图2-5 机组升速时的波特图（2）极坐标图，也称奈奎斯特（Nysquist）图，在进行振动的分析绘图时，也

31、称之为振型圆。其是指是一种工频振动矢量图，原理是将振动频率特性分析计算成相应的极坐标函数后，以振动频率特性的实部为横坐标，虚部为纵坐标，以幅频特性为参变量的图，可以直观地表示出振幅与相位的关系。它的绘制范围很广，可以绘制整个范围域的特性曲线，因此在数据分析领域被被广泛使用。图2-6 产生振动时的极坐标图（3）轴心位置图 利用相互垂直的两个传感器，通过监测和分析得到的数据，得出轴中心的径向位置。轴心位置图与极坐标图不同，轴心振动图是以不存在径向振动为前提的，它给出的是转子中心的轴向振动特性。图2-7 失稳时的轴心位置图（4）轴心轨迹图 主要是借助安装在轴的截面上的传感器，可以得到轴心轨迹大致图像

32、和轴系的旋转状态，进而可以确定轴的进动方向。还可以用来测算转子的临界转速、空间振型曲线及部分故障，如转子不对中、轴颈处的动静碰磨、油膜振荡（正进动时发生）等等17。图2-8 轴心轨迹图（5）频谱图 汽轮机振动的绝大部分信号是由多种激励信号合成的复杂信号，根据傅里叶分析原理，这种合成的复杂信号可以被分解成一系列的谐波分量，即概率成分。每一个谐波分量又含有幅值和相位特征量。各个谐波分量以频率轴为坐标，按转速高低为幅值频率排列起来的谱图，就叫做频谱图19。图2-9 频谱图把一段时间内收集的所有频谱图叠加进一个图形了，就得到了瀑布图：图2-10 瀑布图（6）趋势分析 趋势分析是把所测得的特征数据值和预

33、报值按一定的时间顺序排列起来进行分析。这些特征数据可以是通频振动、1倍振幅、二倍振幅以及轴心位置等18。图2-11 趋势分析图第三章 汽轮机主要故障的分类3.1 汽轮机故障概述以汽轮机为代表的大型旋转是动力机械，是现带工业生产中的关键动力设备。如何维护管理好这些设备，避免机器出现故障和事故，以确保生产过程中的安全性和高效率是当前工业的发展目标之一。由于汽轮机的复杂的结构组成以及对零部件精度的高要求使得机器，以及运行过程的低容错率等等，很容易使汽轮机在运行或是实验过程中发生故障，其常见原因见下表：表3-1汽轮机发生故障的常见原因分类故障分类主要原因设计原因 结构不合理，动静间隙过小； 参数选用不

34、合理，工况下易磨损腐蚀； 工作转速距离临界转速太近； 热膨胀量计算不精确，易产生摩擦振动制造原因 零件材料选用错误，强度不够； 零件处理不够，锻造工艺不足； 转子出厂时的动平衡调整不到位安装维修 安装时未严格按照要求，各部位安装精度不够； 轴系整体对中性不良，各段转子轴心落差不在可以接受的范围内； 机器静平衡调整不当，热套过盈配合性不好； 安装问题导致个别部位应力集中； 管道的空间布置不当，有较大的节流损失和沿程阻力损失； 检修方法不当，破坏了机组原有的平衡性能操作运行 未在正常工况下运行，实际运行主参数与设计值不同； 汽轮机经常超速超负荷运行； 在临界转速区内转子的升速率过高或过低，引起振动

35、损坏机组； 轴承与转子轴颈处润滑不良导致磨损； 转子工艺缺陷导致金相较差的部位产生疲劳和磨损； 启停机过程中盘车时间不够，暖机时间不够机器劣化 长期运行，保养不当，机组各部分状态较差； 零部件磨损、腐蚀、脱落； 机组的热套过盈配合发生变化； 机器的基础沉降不均匀，机器壳体变形等3.2 汽轮机振动基础转子时旋转式机械设备发挥功能的主要构造，高温蒸汽在汽轮机内膨胀做功，从而使转子高速旋转。在工程实际中，对于高速旋转设备，发生故障的特征就是旋转不稳定，转子系统不能实现自动定心，伴随着振动和噪声。因此，在现场可以通过分析汽轮机的振动情况来推断出汽轮机的运行状态以及该状态的会如何发展。也可以通过故障前采

36、集到的各种振动图形，判断汽轮机出了在什么部位，出了何种故障，是否严重，是否对汽轮机主体造成了损害等等。3.2.1 汽轮机振动的分类 我的导师曾经提到过：汽轮机的故障诊断技术从某种层面上看就是汽轮机的振动诊断技术。如果知道转子的一阶临界转速、故障时的频率及转速等特征，就可以大体了解故障发生的原因。可以作为一种初步汽轮机故障诊断方法，可以帮助我们排除不可能因素，找出发生故障的大致原因。根据不同振动的类型，振动的成因，振动的影响大小等等的特性，我们对机组故障时的振动做了如下分类：3.2.1.1 按振动频率分类按振动频率的高低可以分为基振动、倍频振动（2 0、3 f0）、频率为基频分数（如1/2 f0

37、、1/3 f0等）的振动与基频呈比例（如20% f0-35% f0）的振动、超低频（5Hz以下的）振动、超高频（10KHz以上）振动等20。3.2.1.2 按振动的原因分类根据汽轮机发生振动故障的原因分类，可分为如下（1）由于转子的质心偏移造成的不平衡振动。（2）由于转轴静置弯曲或受热弯曲、轴系对中性不良、不同的部分热膨胀性不一致、机基础的沉降不均匀等造成的转子不对中振动。（3）由于轴颈处油膜半速涡动，产生自激振荡。（4）由于各部件摩擦破坏转子动平衡引起的振动。（5）其他因素并发导致机组运行状态异常并引发的振动。3.2.1.3 按照振动发生的部位分类根据汽轮机振动故障的不同发生部位做了不同的分

38、类。3.2.1.4 按照振动的激振力的不同 按照汽轮机发生振动的激振力的不同，可以把振动分为：（1）强迫振动，由外界提供的激振力引起的，振动频率与该激振力振动频率较为接近，因此也称之为同步振动；（2）自激振动，是由于高速运转的汽轮机自身产生力矩引起的振动，频率一般为一阶临界转速的一半，也称之为半频振动；（3）由各种扰动力诱发的不规则振动，叫做非定常振动。 图3-1多盘转子的常见振形3.2.2 汽轮机振动特征汽轮机的振动特征见表3-2:表3-2汽轮机振动特征汇总表序号故障名称频谱特征其他特征1转子原始弯曲1倍频 振幅、相位随时间缓慢变化到一定值，转子冷却后状态恢复2转子 不平衡1倍频在运行初期机

39、组振动处于较高水平，在达到临界转速时的振幅较小3转子 热变形1倍频伴随有2倍频的高次谐波，振动多为径向，转子进动方向为正进动4转动部件飞脱1 X倍频振动突然增加，相位突变，伴随异响5联轴器松动1倍频、2倍频与转速和负荷有关，带高负荷是更明显6轴系不对中1倍频、2倍频振动较为稳定，联轴器两侧的振动较大，轴心轨迹为双环椭圆7动静件摩擦1倍频、整分数倍频振动不稳定，有削波现象，含有丰富的次谐波与高次谐波，轴心呈现反向涡动等8油膜涡动0.35倍频0.5倍频振动非常剧烈，频率与转子固有频率相近，且振幅较大，涡动方向与转动方向相同9气流激振0.6倍频0.9倍频其轴心轨迹表现出由小变大的振动方式，由于受到轴

40、承限而达到一种饱和状态，但由于不稳定激励力的存在，使得轴心轨迹由大变小10油膜振荡fcnt突发性的大振动，频率与转子到达第一临界转速时的频率相等，且振幅大于1X2111基础共振1 倍频振幅和频率随着转速的变化而变化12转子裂纹1倍频、2倍频减速到1/2临界转速时有振幅为2X的峰值，并且随着时间逐渐增大13结构刚度不足1倍频X与转速有关，振动幅度和频率与瓦振轴振相接近14中心孔进油1倍频、0.80.9倍频转轴的振动幅度运行时间的增加而增大15轴承座刚度不对称2倍频故障可能引起转子的分数次谐波共振，在垂直振动和水平振动时的特征差别较大16转轴截面刚度不对称2倍频呈非线性变化3.2.3 转子临界转速

41、对振动的影响在汽轮机达到一定的速度时，由于轴系的连接误差以及转子自重造成的自然弯曲，转子各段的轴心并不能完全落在中心轴线上，因此会出现较强的振动现象，此时的转速，我们称之为转子的临界转速。它不是一个特定的速度数值，而是一段数值区域，当转子转速在这段区域内，会产生频率与转速频率相同，振幅较大的振动。那么汽轮机系统如何能度过这个难关呢？Jeffcott用一个对称的单转子模型在理论上分析了这一现象，证明只要在振幅还未上升到危险程度时，迅速提高转速，越过临界点后，转子的振幅就会降下来22。汽轮机在临界转速区域停留的时间和冲过临界转速区域的跨越速度等运行参数与汽轮机的其他振动问题也有一定的联系，也是一个

42、表征汽轮机性能的参数量，故在汽轮机系统设计、参数测量、运行模拟和故障诊断中，准确地计算临界转速区域也是十分有必要的。3.2.4 汽轮机振动标准振动已经被电力行业以及机械制造、机械维修行业作为评定机器运行状态的标准，汽轮机的振动也被认定为是判断汽轮机故障的第一要素。但在最开始，各国对于振动的描述和测量方位有着很大的不同，为了规范使用与方便交流，1972年，国际电工委员会规定，汽轮机的振动评定尺度主要有轴承座振动位移、轴承座振动烈度和轴径向位移三种23。轴承座振动轴承座振动，又称为轴承振动或瓦振，它是以轴承座垂直、水平和轴向三个方向中的最大振动为评定依据24。我国的电力行业起步较晚，于是在一开始就

43、借鉴国外技术与经验，通过衡量轴承振动位移信号和轴承振动频率信号来分析和判断轴承座振动情况的，并于1980年纳入我国电力工业部实行的电力工业技术管理法规，进一步规范了我国电力行业的振动评价标准。 规范中给出的规范如下表：表3-3 轴承振动标准转子转速 （转/分钟）优良合格150030507030002030503.2.4.1 轴承振动烈度早在20实际40年代末，工业上就提出了在一般的机械振动故障诊断，仅仅采用振动频率、振动幅度、振动速度并不能正确的反映振动的情况。因此，为了精确表达振动情况，大多数情况下建议使用三个方向上的振动速度的均方根值：其表达式如下： rms=1T0T2（t）dt （31）

44、如果振动信号只含有单一频率成分，振动位移和振动速度的表达式分别为 yt=Ap-p2sin（t+） （32） t=AP-P2cos(t+) （33）把连个式子联立求解，由此可以得出振动的速度和位移的关联式： rms=0.70710-32AP-P （34）对于频率为50Hz的振动量而言rms=0.11AP-P而当频率分量较为复杂时，根据傅里叶变换可以求出不同频率的分量fi对应的振动幅值Ai，速度的均方根可由下面这个公式计算： rms=10-312Aifi 2+A2f2 2+A+Anfn 2 （35）注：当频率分量较大时，采用上式换算误差较大。速度有效值应该以仪表直接显示为准。GB11347.1-8

45、9大型旋转机械振动烈度现场测量与评定给出了振动烈度的评定等级25。如表3-4所示：表3-4 振动烈度评定等级振动烈度支承类别rms（mm/s）刚性支撑柔性支承0.46AA0.711.121.82.8B4.6B7.1CB11.2C18.0D28.0D46.071.0然后根据现场的实际应用，将振动评价分为了四个区，各评价区域的具体定义见表3-5：表3-5 振动评定区域分界定义区域描述区域A刚刚投入生产的机组应该在此区域内区域B符合运行标准，可以连续运行区域C不符合运行标准，应该停机维护或检修区域D振动可能损坏机组，应该大修或更换3.4.2.2 转轴振动标准研究表明，当激振力一定时，支承刚度越大，轴

46、承座振动越小，轴振越大。因此，在工程实际中要注意此处的引用。振动的评定标准中应充分考虑该因素26。表3-6和表3-7是 陆地安装大型汽轮发电机组旋转轴向振动测量与评价标准27。该标准适用于在陆地安装、功率大于等于50MW、额定转速范围从1500-3600r/min的电站大型发电汽轮机组，振动区域划分与表2-5相同。表3-6 相对振动位移推荐值区域上界额定转速/（r/min）1500180030003600A/B100908075B/C200185165150C/D300290260240表3-7 绝对振动位移推荐值区域上界额定转速/（r/min）1500180030003600A/B12011

47、010090B/C240220200180C/D385350320290我国电力行业在最初多采用进口汽轮机，且大多购自欧美，所以我国应用的轴振标准参考自美国GE公司：表3-8 GE汽轮机轴振标准轴振标准良好报警跳闸双振幅75以下125以上250以上需要注意的是，由于测量设备会受到现场的机械干扰和电磁干扰等因素的影响，将会产生测量偏差，工程学中称之为偏摆，当偏摆量超出一应范围时，一般为振动限值的15%，应采取必要的补偿措施，在轴振动的测量信号中应扣除偏摆分量。3.2.5 小结 工程实践证明，要想正确地诊断出出机组的故障状态，甚至预测故障趋势，就必须深入透彻地研究振动这一征兆。本节介绍了振动这一汽

48、轮机故障的重要表现形式和研究特征。从基础概念着手，对振动进行了系统的分类，接着列表叙述了汽轮机各种因素所引发振动的主要特征，通过该表可以应用不多的数据来初步判别汽轮机的故障部位及大致情况。然后又介绍了临界转速对于汽轮机振动的影响，说明了振动的衡量标准，包括了相对振动和绝对振动，在结尾还给出了国际标准组织对于汽轮机振动标准的评定。3.3 转子不平衡 转子的几何轴心周围质量分布不均，质心不在轴线上而产生的附加惯性力或力偶现象称为转子不平衡28。它是引起汽轮机振动的主要原因之一，而且无法避免，也无法预测。因为制作工艺的限制，难免在铸造过程中导致某些部位质量分布不匀，再加上其产生的不平衡量无论大小和方

49、向都是随机的，因此很难预判。但是在通常情况下，我们可以通过分析广时间域的数据，来推测出产生不平衡故障时的惯性离心力矩的分布情况以及它和转速的关系，进而可以在到达该转速时，控制转子不平衡振动，避免振动过大引发汽轮机故障。转子不平衡故障的对机组产生的影响如下所述：1) 会产生一定的惯性力矩和内应力，造成转子金属疲劳和蠕性形变；2) 产生巨大的振动和噪音，诱发其他故障，降低运行性能；3) 缩短了维修周期，降低使用寿命。在工程现场，转子不平衡是最常见的振动原因之一，因此一个完善可靠的汽轮机故障检测系统，应该对该故障进行尤其深入的研究，这样才能在应用实际中，发挥诊断故障的真正作用。图3-2转子不平衡的轴

50、心轨迹分析图3.3.1 转子不平衡的分类转子的不平衡按照发生过程可以分为初始不平衡，渐变不平衡和突发不平衡三种情况29。初始不平衡：由转子本身的缺陷和问题、以及不正确的安装方法、不合格的维护保养等因素造成的。渐变不平衡：在运行了一段时间后才发生的不平衡故障，主要是由于转子主要构造结垢、通流部位磨损等后期运行因素累积而导致的。突发不平衡:主要是由于转子上有零件脱落、管道内出现异物等非正常的因素引起的振动。特点是机组振动突然增大，后稳定在某一个水平。图3-3 三种不平衡的振幅变化趋势3.3.2 转子不平衡故障的特征上面提到，大多数汽轮机振动故障都与转子不平衡有着或多或少的联系。因此，熟悉转子不平衡

51、现象的故障特征对于故障诊断颇为重要。因此，在电力行业总结分了相当数量的转子不平衡故障发生前后的频谱、转速等一些基本参数后，做了如下总结：1) 振动的时域波形近似为正弦波。2) 转子不平衡产生的谐波大多为基频谐波。3) 当n时，即在临界转速以上，转速增加是振幅趋于较小的稳定值；当约等于n时，发生共振。4) 当工作转速一定时，相位保持稳定。5) 转子的轴心轨迹为椭圆形。6) 轴心为同步正进动。7) 初始不平衡的向量域稳定在某一允许范围内，渐变不平衡的向量域逐渐变化、突发不平衡向量域则会产生突变30。3.3.3 转子不平衡故障的原因 转子不平衡作为常见的汽轮机故障，其原因涉及到从设计制造到运输安装，

52、从运行使用到维护保养的方方面面，具体的故障原因如下表所示：（为表示方便，某些名词采用简写，如初始不平衡写为初始）表3-9 汽轮机转子不平衡的原因序号原因分类主要原因初始渐变突发1设计原因 设计不规范，图纸有误差 参数计算不正确 运行规范不合理 材质选用错误 力矩分配，导致应力集中 零部件易脱落2制造原因 制造精度不够 加工不够细致 加工流程错误 未做出厂试验 打磨精细度不够高，关键部位易结垢 表面镀层不好，容易被腐蚀 热处理工序未达标，应力抵抗能力差 滤网精细度、强度不好3安装维修 安装误差大 零部件未严格按照说明书安装 维修时没有及时除垢 没有检查各零件的紧密性及滤网的完整性4操作运行 没有

53、按照标准工况运行 蒸汽中带有水蒸汽或其他异物 某些入口处节流阻力大，零件松脱 速度、负荷突变5状态劣化 长时间工作运行使得转子老化 长期异工况运行导致转子磨损或产生汽蚀 长期应力集中导致裂纹 长期使用导致其他部件老化断裂3.3.4 转子不平衡的诊断 在工程实际中，常常通过波形、频率、振动方向等因素来判断一个故障是否有转子不平衡引起，详细的判断规则如下图所示：（为表示方便，某些名词采用简写，如初始不平衡写为初始）表3-10转子不平衡的诊断序号特征参数故障特征原始渐变突发1时域波形正弦波正弦波正弦波2特征频率1X1X1X3伴随频率高次谐波高次谐波高次谐波4稳定性能较稳定逐渐增大突发性增大后稳定5振

54、动方向径向径向径向6相位特征稳定渐变突发后稳定7轴心轨迹椭圆椭圆椭圆8进动方向正进动正进动正进动3.4 转子不对中出于对蒸汽内能的最大程度利用的原则，以及某些大型机组的再热回热设计，汽轮机多采用多缸设计，即分为高压缸、中压缸、低压缸三个部分，因此汽轮机的轴系是很长的。由于制造工艺的不足与安装条件的限制，我们无法安装相当长的一根转子，亦无法在保证精确与刚度的同时铸造一整根转轴系统。因此我们将转子分段铸造，不同段的转子使用联轴器连接。图3-4 组合转子系统机器工作时各转子轴线之间产生的平行位移、轴线角度位移等变化误差，称为转子不对中故障【31】。具有不对中故障的转子系统在运转过程中将产生一系列有害

55、于设备的动态效应，例如一起轴系联轴器的偏转、咬死，轴承的损坏，轴主体挠曲变形，为轴承添加附加负荷，甚至使转子产生附加弯矩，致使轴上的负荷比重新分配，导致轴及轴承的损坏32。图3-5 在不对中故障轴系的受力情况3.4.1 转子在不对中的分类转子的不对中故障根据发生的位置不同，可以分为两大部分：一种是轴系不对中故障，这种故障非常普遍，普遍到几乎每一台汽轮机都有此故障。另一种是轴承不对中故障，这种并不严重，从技术层面来讲，比较容易处理和预防。下面将分别介绍这两种不对中故障。3.4.1.1 轴系不对中轴系不对中相对于上一种故障，具有较高的普遍性，在工程实际中，被人们挂在嘴边的转子不对中，大多数情况下指

56、的是轴系不对中。造成轴系不对中的原因可能使安装误差、材料蠕性形变、基础沉降不均匀等造成的33。通常我们会采用可调节矢量式联轴器和自动位移轴承来缓解和调节不会中故障，虽然在理论上讲不可能是转子达到绝对对中，但可以把振动降低到机器允许和运行可接受的范围内。轴系不对中一般分为三种情况：1)两段转子的几何中轴线仍然平行，但不在同一条水平线上，称为平行不对中；2) 偏角不对中，两段转子的截面切线皆与法线相交，几何中轴线呈一定角度；3) 综合不对中，几何中轴线存在垂直方向上的位移和水平方向的交叉，为前两者的综合情况，也称为偏角平行不对中。图3-6 转子的几种不对中情况3.4.1.2 轴承不对中 轴承不对中

57、实际上反映的是轴承坐标高和左右位置的偏差34。由于结构上的原因，轴承在水平方向和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了这种差别35。我们为了解决摩擦问题在轴系与轴承之间加入一层油膜，油膜根据油泵压力来调整厚度，因此从理论上来讲，在转子出现轻微不对中故障的情况下，我们可以利用油膜弹性并通过提高油膜厚度来缓解轴承不对中所带来的负面效应。但是一旦不对中状态恶化到一定程度，会使得油楔失稳，这时只能选择停机重新校准转子后再继续运行。轴承不对中故障会引起轴颈中心线的位移，打破轴的动平衡性能。同时将改变轴的各向应力，使得不同方向上的轴系所分配到的支承负荷不同。如果某一段油膜负荷较大，则将在此产生

58、半速涡动并导致失稳；而分配到较小支承负荷的油膜则有可能发生油膜振荡。另一方面，支撑负荷的变化还会导致汽轮机转子的临界转速以及振形发生改变。 3.4.2 转子不对中的主要故障特征 出于联轴强度、传矩能力、传动精度、使用寿命等等的一系列考量，在大多数的汽轮发电机组中，全部采用的是齿式联轴器下图为齿式联轴器的示意图：图3-7 齿式联轴器示意图根据现场经验，在发生该故障时，有以下特点：1) 不对中故障的频率为基础频率的二倍。2) 由不对中故障引起的转子的激励应力，随着转速的升高而增大36。3) 在联轴器的轴向和径向上，不同频率的相位差不同。而且根据不对中的情况不同，所差的相位角也不同。4) 由于两段轴心不在同一水平线上，因此中心齿套围绕轴心的运动轨迹可以近似处理成一个三维模型。在平行位移不对中的旋转轮廓为一圆柱体，角位移不对中时为双锥体37。3.4.3 转子不对中故障的产生原因转子不对中引作为汽轮机的常见故障，其诱因也是有很多的，从设计制造到使用维护的整个过程，都会影响到转子的对中性能。例如，在设计制造时，计算了错误的转子参数或采用了不合格的材料，都会导致转子在运行时各个方向上的热膨胀量不均匀，不同转子在同一水平高度上的伸缩量