汽轮机转子振动故障分析及诊断

汽轮机转子振动故障分析及诊断

邵庆林

（大唐邓州生物质能热电有限责任公司河南邓州474150）

摘要：随着电力产业的发展，为提高热能效率，汽轮机的装机容量也日益增大，当前电力行业百万级以上汽轮机组已屡见不鲜。装机容量的增加，对汽轮机转子的可靠性与安全性带来了严峻的考验。汽轮机运行中转子的振动故障主要受中心不正、转子质量不均匀、汽流发生激烈振动、动静摩擦等影响。本文对转子的振动故障进行归纳分析，并提供了对应的诊断方法。

关键词：汽轮机；转子运行；故障；诊断

引言

在目前电力生产中，汽轮机主要是把高温高压蒸汽的热能转化为转子的动能，带动发电机转子旋转做功，从而把动能转化为电能。转子作为重要的转动设备，是电力生产中必不可少的机械设备。汽轮机转子一旦出现异常和故障，轻则发生机组非停事件，严重时将造成重大设备的损坏，引起巨大的经济损失，甚至会造成人身伤亡事故。所以转子的安全性、可靠性、适用性以及可维修性受到人们的关注，促使关于汽轮机转子振动故障机理分析与诊断技术飞速发展。在汽轮机转子运行过程中，轴和轴瓦的振动、轴承的温度、润滑油的温度以及相关的热膨胀和轴向位移都将作为判断汽轮机转子工作状态的重要信号，更是影响转子设备运行安全与操作人员人身安全的因素，因此对汽轮机转子振动故障分析及诊断的研究工作迫在眉睫。

1汽轮机转子振动故障类型

1.1中心不正

中心不正极易引起轴承的强烈振动，机组启动前后的蒸汽参数波动可能会引起机组热膨胀不够或者热应力过大，造成机组振动；另外机组负荷的急剧波动，或者机组非计划停运过程中，也易引起转子出现歪斜，从而出现不科学的移位的现象，进而导致偏离现象严重，产生动静摩擦，造成机组振动。汽轮机运行期间对主蒸汽参数有严格的规定，如果存在违反规程的现象，会造成转子膨胀不均匀，进而轴系不均，振动问题自然产生。一般的轴承振动是因为热应力不均，汽缸膨胀不充分，油膜振荡，转子中心在安装过程中偏差等原因造成的。

1.2转子质量不均匀

转子质量不均匀直接对转子转动产生影响。在实践经验总结中得知，转子出现热弯曲变形最为常见，蒸汽温度、压力严重超参数，导致自身热量过高，不能及时散热，从而产生应力变形。另外转子运行过程中汽缸会进入冷空气，进入水汽，那么这些冷水冷气会对汽缸和转子产生冲击，产生交变的应力，最终导致汽轮机转子质量出现差异，这样转子就不可避免的发生热变形。当转子发生弯曲变形之后，机组就会出现异常振动，出现这一问题，可能会临时产生危害，也可能是永久性产生危害，虽然直接后果不同，但是原因都是转子质量偏心造成的。如果没有及时对偏心和弯曲情况进行调整，则会导致构件出现摩擦，动静之间摩擦力大，如预留控制不足则可能造成汽轮叶片出现变形，隔板出现弯曲，振动问题由此产生。从振动的性质可知，振动问题和质量不平等存在一致性，两者之间的性质存在差异，针对轴的振动和轴瓦振动具体变化，要提前设定阻力，对振动幅度进行评估。

1.3汽流发生激烈振动

汽流本身的流动不断向转子馈送能量，它与外界振动无关。产生的机理主要是由于密封间隙里压力径向分布不均和转子径向不平衡引起的。当出现汽流激振时会表现出以下几个特点，第一点，汽轮机组承担的负荷严重超越额定值，这样汽轮机轴发生剧烈的振动；第二点，在强烈的振动之下，产生的频率和高压下的转子频率一致；第三点，在高压转子段发生汽流激振问题，末级时间过长，汽体在叶片末端出现紊乱，叶片受到不均匀汽流的冲击出现汽流激振的问题。

1.4动静摩擦振动

动静摩擦是机组启动和正常运行中振动突然增大的主要故障之一，数据表明汽轮机转轴事故的80%是由转轴动静摩擦引起的，转轴摩擦严重时还会引起轴系断裂事故。按照出现原因主要分为机组启停中碰摩和工作转速下的碰摩。机组启动时，尤其是在转子临界转速以下，发现异常振动及时打闸停机，振动还可控制；如果发生在临界转速以上，即使停机，在降低通过转子临界转速时，产生共振，还会使转轴摩擦急剧加重。工作转速下的动静摩擦，经分析研究是由工作转速下的转轴径向碰摩引起的。跟轴封的间隙和轴瓦的油膜建立、润滑油的温度、压力和油质均存在关系。

2诊断方法

2.1小波包分析在汽轮机转子振动故障诊断中的应用

小波变换是一种多分辨率信号处理技术。它利用一系列不同尺度的基函数对振动信号进行分解，这一系列基函数可通过母小波的伸缩与平移得到。在小波分析中，通过尺度的变化，选择不同的频率段对信号进行分析。小波包分解能够将任何信号（平稳或非平稳）分解成一个由小波伸缩而成的基函数族，信息量完整无缺，通过对分解信号在不同尺度上的分解与重构，能得到原信号在不同频段上分布的详细信息以及信号发生突变的时间点。基于小波包分析的这种特性，通过对振动信号的小波包分析，就能够对振动系统进行故障诊断，及时发现系统故障发生的时间及频率谱能量。汽轮发电机组是一类从结构到功能都很复杂的大型系统，任何部分的失常所表现出的故障征兆从发生、扩展到传播都很复杂，产生的非平稳振动信号所包含的不同零部件的故障频率分布在不同的频段内。因此，对机组振动故障进行诊断，对保证汽轮发电机组稳定安全运行十分重要。几年来，在不同的领域人们利用多种不同的小波函数及相应算法对所研究对象进行分析，取得了成功。

2.2报警和故障诊断

在对汽轮机转子振动信号数据分析过程中，应利用事先采集的信号设置与之相对应的报警界定，进而才能在振动值高出正常限定值时，及时对汽轮机转子的运行故障类型进行识别和分类，其详细的振动值高超报警流程为：输定报警值界限——输入采集数据限号——汽轮机转子运行——发生警报。首先，对转子平衡度较差故障诊断：水平与垂直倍频不平衡值均大于等于1、单倍频振动效果较为明显；其次，转子摩擦故障诊断：4倍频占据1倍频20%以上、5倍频与0.5倍频占据1倍频10%以上、2倍频占据1倍频50%以上、3倍频占据1倍频20%以上以及1倍频在界定值以上；最后，油膜涡动与油膜振动故障诊断：0.5倍频、1倍频其幅值均在2.0以上。

结束语

总结上文，汽轮机转子作为电力生产中不可或缺的转动机械，在结构上具有精密性以及特殊性的特点。因此关于汽轮机诊断机理与诊断方法研究工作具有较高的应用价值。在汽轮机运行过程中，由于中心不正、转子质量不均匀、汽流发生激烈振动、动静摩擦振动等因素引起的转子振动故障普遍存在。小波包分析法，在汽轮机转子振动故障报警和诊断应用中，以振动信号为依据，对其进行详细分析和诊断，最终消除隐患和故障，确保汽轮机转子的安全稳定运行。

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