振动信号频域分析法在发电机组汽轮机故障诊断中的应用

振动信号频域分析法在发电机组汽轮机故障诊断中的应用

蒋惠义1许明阳2

(1华润电力（沧州运东）有限公司;2华润电力（贺州）有限公司)

摘要：汽轮机被广泛应用在电力、化工、船舶等行业。尤其在电力行业，汽轮机的机械故障引发的事故往往会造成重大经济损失，甚至人员伤亡。早期发现及诊断汽轮机机械故障，对于减少经济损失、提高机组安全性方面的意义重大。本文重点探讨振动信号的频域特征在汽轮机机械故障诊断中的应用技巧及案例。

关键词：汽轮机；振动；FFT；频谱；故障诊断

1.概述

伴随网络信息技术的高速发展，大型旋转机械远程监测诊断中心、远程专家统、机组状态监测及故障诊断大数据平台等新型应用蓬勃发展。而其中的汽轮机状态监测、故障预防、故障诊断等应用，离不开汽轮机振动信号的频域分析法。

汽轮机的各类机械故障，如：转子不平衡、动静摩擦、油膜涡动、油膜振荡、转子不对中、热弯曲、动静碰磨等，故障特征均会在振动信号上有所反映。充分利用振动信号的频域特性，可高效的预防和诊断汽轮机的机械故障，有利于“及早发现隐患、减少停机次数、指引维修方向、提高机组安全水平、降低重大事故发生率”。

2.振动信号简介

2.1振动的概念

振动(又称振荡)是指物体的往复运动。

汽轮机的振动包括：转子的相对振动、绝对振动、轴承座振动等。

2.2振动的幅值、频率、相位

振动信号的谐波分量一般采用正弦函数描述，函数的幅值、频率、相位被称为“振动三要素”。

简谐振动的方程如下：

X=Asin(ωt+φ)

其中：A为幅值、φ为相位、f为频率

3.振动信号的采集和处理

3.1振动信号的采集

目前广泛采用电涡流振动位移传感器、感应式速度传感器等，测量汽轮机振动。在发电机组中，一般由TSI系统采集汽轮机振动信号。

3.2傅里叶变换的概念

f(t)是t的周期函数，如果f(t)满足狄里赫莱条件,则有下式成立,F()称为f(t)的傅立叶变换。傅立叶变换数据表达式如下：

将汽轮机旋转一圈或若干整数圈内，所采集到的振动信号进行快速傅立叶变换（FFT），得到振动信号的频域特性。根据傅里叶变换理论得知，在采样时间内，振动信号可以由各高次谐波分量的叠加之和的形式来描述，这正是振动信号频域分析法的理论依据。

3.3常用的汽轮机振动信号图谱

TSI系统采集的振动信号，经A/D转换，并通过计算机处理后，即可得到振动信号的各种频谱图。在汽轮机故障的诊断过程中，普遍采用的图谱有波形频谱图、轴心轨迹图、振动趋势图、轴心位置图、Bode（波德）图。

4.常见汽轮机机械故障的诊断

4.1转子不平衡

转子不平衡是最常见的机械故障，由转子的质量中心偏离转子旋转中心造成。转子不平衡故障发生率极高，占汽轮机总机械故障的30%以上。

造成转子不平很的因素很多，如：加工制造或组装公差、转子部件脱落、转子变形、转子材质不均匀、转动件破损磨耗、联轴器位置改变、转子附着异物（如：转子结垢等）等。

转子不平衡的振动信号一般具有如下特征：

（1）振动以1倍频为主，其它倍频幅值很小。

（2）当转速<临界转速:振幅随转速的增加而上升。

当转速>临界转速:振幅随转速的增加而减小，并趋向于一个的稳定值。

当转速等于或接近临界转速：转子将会产生共振，此时振幅最大；

（3）振动信号的时域波形接近标准正弦波。

（4）涡动方向：同步正进动；

（5）转速一定时，振幅和相位稳定。

（6）多次启动，振动具有再现性。

4.2转子不对中

“转子不对中”也是发电机组汽轮机的常见故障。转子不对中是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。不对中分为：联轴器不对中和轴承不对中。联轴器不对中又分为：平行不对中、偏角不对中、平行偏角不对中（复合不对中）。

轴系不对中的常见原因有：加工及安装误差、基础下沉不均、机组各部件膨胀变形和扭曲变形等。

（1）一般以1倍频和2倍频分量为主。平行不对中振动频率为2倍频，偏角不对中振动为1倍频。实际应用中可能既有平行不对中，又有偏角不对中，频谱特征是上面两种情况的综合。

（2）振动信号时域波形为畸变的正弦波；

（3）联轴器两侧的轴向振动相位相反；

（4）轴心轨迹呈月牙形、香蕉形、严重不对中时甚至呈“8”字形；

（5)涡动方向为同步正进动；

（6）轴承不对中可能导致高次谐波。

4.3转子热弯曲

热弯曲的常见原因：停车后未及时盘车、转子热稳定性差、转子存放不当、转子预负荷大、暖机不当等。

转子热弯曲的振动信号一般具有如下特点：

（1）振动以1倍频为主。因为热弯曲的本质是转子不平衡。

（2）转子热弯曲一旦发生，不会立即复原。

（3）停机惰走时在低转速下转子的工频振幅比在开车时相同转速下的振动值要大很多。

（4）通过盘车后，振幅可能减小。

4.4.半速涡动和油膜振荡

半速涡动和油膜振荡是滑动轴承中，由于油膜动态力的作用，轴在滑动轴承中发生的一种自激振动。

造成油膜振荡常见因素：轴系结构设计、轴承负载、轴承进油温度、轴瓦间隙等。

油膜振荡可能导致瓦块损坏，对汽轮机危害极大。

半速涡动的特点：

（1）振动频率接近转速频率的一半，随着转速的提高，油膜涡动的故障特征频率与转速频率之比也保持在一个定值上始终不变。

半速涡动和油膜振荡的关系：

当转速升至高于一阶临界转速的2倍后，半速涡动速度与转轴的一阶临界转速相重合，即产生共振，表现为强烈的振动现现象，及发生油膜振荡。一旦发生油膜振荡，即使转速继续上升，涡动频率总保持为转子一阶临界转速频率。

油膜振荡的振动一般具有以下特征：

（1）油膜振荡只在转速高于一阶临界转速两倍以上时发生。一旦发生振荡，振幅激烈增大，即使工作转速继续升高，其振幅也不会下降。只有工作转速低于2倍一阶临界转速后，剧烈振动才消失。

（2）油膜振荡时，频谱中一阶临界频率分量大。

（3）强烈振动时，振幅突然增加，声音异常。

（4）轴心轨迹变化剧烈，呈紊乱状；进动方向为正进动。

（6）油膜振荡时对转速和油温变化敏感。降低润滑油温可抑制振动。

（7）振动频率为组合频率，一阶临界转速对应的频率分量大。

（8）油膜振荡具有惯性效应,升速时产生油膜振荡的转速与降速时油膜振荡消失的转速不相同。

例：某发电机组汽轮机#1瓦发生严重半速涡动故障，其频谱如下图所示。由图可见：振动频率中0.5倍频成分大，轴心轨迹呈不规则的发散状（紊乱状），完全符合半速涡动的诊断特征。

图4-7-某发电机组汽轮机#1瓦发生严重油膜涡动时的频谱图

图4-8某发电机组汽轮机发生严重油膜涡动的轴心轨迹图

图4-9某发电机组汽轮机发生严重油膜涡动导致轴承损坏的照片

5.总结

常见汽轮机故障的振动信号具有以下特征：

（1）转子不平衡、轴系临界转速、其他结构部件的固有频率接近基频等故障，频谱特征以1倍频为主。

（2）半速涡动、喘振或次谐波引起的共振等故障，频谱中存在大量低于基频的分量。

（3）转轴裂纹、叶片共振或谐波共振等故障，则频谱中整数倍基频分量增大。

（4）转子发生动静摩擦，则高频率分量增大。

（5）转轴不对中故障，频谱以一、二倍为主，波形为畸变正弦波，轴心轨迹不规则，涡动方向为同步正进动。

振动信号频谱分析法是“汽轮机机械故障诊断、隐患预判、汽轮机动平衡”有力工具，有利于避免意外事故，对安全生产和设备维护具有十分重要的意义。汽轮机振动信号的频谱分析法应用十分广泛，不仅可用于汽轮机故障分析，更可用于其它大型转动机械。

参考文献：

1、《小波与傅里叶分析基础AFirstCourseinWaveletswithFourierAnalysis,SecondEdition》(美AlbertBoggess、FrancisJ.Narcowich著)

2、《信号与线性系统分析》第三版吴大振

3、《热工控制系统》边立秀、周俊霞、赵劲松、杨建蒙、编著

4、《汽轮机设备运行及事故处理》汪玉林主编

作者简介：

蒋惠义（1966-），男，工程师，现任华润电力（沧州运东）有限公司副总经理

许明阳（1981-），男，工程师，现任华润电力（贺州）有限公司技术支持部副部长