第六讲汽轮机组常见横向振动故障的诊断振动是汽轮机组状态最常见的外部表现形式。

振动信号中包含了丰富的机组状态信息。

当机组的状态发生变化时，其振动形态也将随之发生改变。

利用适当的数学方法，对振动信号进行分析，可提取反映机组状态的信息。

本章主要讨论如何利用振动信号来诊断汽轮机组的故障。

第一节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，汽轮机组的大部分振动是与转速同步(f)的振动信号。

引起汽轮机组同步振动的原因可能有原始质r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。

一、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5-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。

图5-1 转子质心的空间分布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:(l)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5-2所示。

(2)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。

(3)轴心运动轨迹为圆形或椭圆形。

(4)动态下，轴线弯曲成空间曲线，并以转子转速绕静态轴心线旋转。

图5-2 转子不平衡故障频谱图3.故障判断依据对于汽轮机组而言，无论其平衡状况有多么好，总是或多或少地存在质量不平衡。

所以，其振动频谱中始终有一倍频分量，这种情况是允许的。

这里有必要引人一个判断转子出现不平衡故障的标准。

当转子出现不平衡故障时，转子的整体振动水平肯定会超标。

在转子振动水平超标的情况下利用如下方法来判断转子是否出现了不平衡故障:设诊断开始时与转速同步的振动矢量为X N ，通频矢量为X M ，当满足M N X X α≥(α=0.7)，且振幅和相位不随时间发生变化时，机组存在转子质量不平衡故障。

二、转子初始弯曲所谓转子初始弯曲，是指在冷态和静态条件下，转子各横截面的几何中心线与转子两端轴承的中心连线不重合，从而使转子产生偏心质量，导致转子产生不平衡振动。

有初始弯曲的转子具有与质量不平衡转子相似的振动特征，所不同的是初弯转子在转速较低时振动较明显，趋于弯曲值。

在汽轮机组中，通常用盘车时和盘车后测量到的晃度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。

三、转子热态不平衡1.故障机理分析在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡，从而使转子产生振动。

转子热态弯曲引起的振动一般与负荷有关，改变负荷，振动相应地发生变化，但在时间上较负荷的变化滞后。

随着盘车或机组的稳态运行，整机温度趋于均匀，振动会逐渐减小。

2.故障特征分析(1)转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似。

(2)振动的幅值和相位随负荷发生变化。

(3)在一定的负荷下，振动的幅值和相位随时间发生变化。

(4)轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似。

3.故障判断依据当转子振动值超标，且式(4-50)满足的情况下，若振幅和相位随时间发生变化，则说明转子存在热态不平衡故障。

四、转子部件脱落1.故障机理分析平衡状况良好的转子在运行中突然有部件脱落时，会引起转子质量不平衡，在不平衡质量的作用下会使转子发生振动。

当脱落的部件质量相当大时，会使转子出现严重的质量不平衡，从而使转子的振幅值突然增大。

尤其是，若转子的振幅值非常大时，就会导致二次事故的发生。

2.故障特征分析(1)转子部件脱落后，转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似。

(2)转子部件脱落的前后，振动的幅值和相位突然发生变化。

(3)部件脱落一段时间后，振动的幅值和相位趋于稳定。

(4)轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似。

五、转子部件结垢1．故障机理分析如果蒸汽的品质长期不合格，随着时间的推移，将在汽轮机的动叶和静叶表面上结垢，使转子原有的平衡遭到破坏，振动增大。

由于结垢需要相当长的时间，所以，振动是随着年月逐渐增大的。

并且，由于通流条件变差，轴向推力增加，机组级间压力逐渐增大，效率逐渐下降。

2.故障特征分析(1)转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似。

(2)轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似。

(3)振动的幅值和相位随时间发生极为缓慢的变化，这种变化有时需要一个月甚至数个月才能发现明显的差别。

(4)机组的出力和效率逐渐下降。

(5)各监视段的压力随时间的变化而缓慢增加。

第二节转子动静碰磨故障的诊断随着机组参数的不断提高，动静间隙的不断减小，机组在运行过程中，由于装配不良、转子不平衡t过大、轴弯曲、机械松动或零部件缺陷等原因，可能导致动静部件之间发生碰磨。

碰磨是汽轮机组的常见故障之一，且往往是其他故障的诱发故障。

在国产200MW及以上的机组中，已有多台因动静碰磨而造成转子弯曲的严重事故。

一、转子碰磨的几种类型按摩擦的部位可分为径向碰磨、轴向碰磨和组合碰磨，如图5-3所示。

转子外缘与静止部件接触而引起的摩擦称为径向碰磨；转子在轴向与静止部件接触而引起的摩擦称为轴向碰磨；既有径向摩擦又有轴向摩擦的碰磨称为组合碰磨。

图5-3 动静碰磨的几种类型按转子在旋转一周内与静止部件的接触情况分为整周碰磨和部分碰磨。

转子在旋转的一周中始终与静止的碰磨点保持接触，称为整周碰磨；转子在旋转的一周中只有部分弧段发生接触。

称为部分碰磨。

另外，按照摩擦的程度分为早期碰磨、中期碰磨和晚期碰磨。

二、碰磨对转子振动特性的影响1．数学模型的建立为了方便起见，将实际转子简化成如图5-4所示的模型。

转子与静子碰磨时，静子对转子有一个作用力F 0，同时转子对静子也有一个反作用力－F 0。

转子系统的运动方程为02)cos(F t me Ky y C yM -ΩΩ=++ (5-1)其中⎩⎨⎧-++=),(,00δy k y c y m F c c cδδ><y y 整理得)cos(2t me A Ky y C yM ΩΩ=+++δ (5-2)其中 ⎩⎨⎧+=c m m m M δδ><y y⎩⎨⎧+=c c c c C δδ><y y ⎩⎨⎧+=c k k k K δδ><y y ⎩⎨⎧-=ck A 0 δδ><y y图5-4 转子碰磨简化模型令22/////c c cc c m k N m c Bm m m k Nm c t ωωα=====-Ω=Φ式中 m —轮盘质量；m c —静子参振质量；c —转子阻尼；c c —静子碰磨处的当量阻尼；k —转子总刚度；k c —静子碰磨处的当量刚度；e —轮盘的偏心距；δ—转子与静子间隙；Ω—转子的旋转角速度；α—相位角。

则方程(5-2)变为)cos(2222a e A F F F y d dy N d y d K C M +Φ=++++Ω+ΦΩ+ΦΦω (5-3) 设当00)12(2Φ-+<Φ<Φ+ππn n (n=0、l 、2、3．．．)时，转子与静子碰磨(即y<δ)，此时在式(5-3)中22Φ=d y d B F M ，ΦΩ=d dy N F c C ，y F c K 22Ω=ω，δω22Ω-=Φc A 当Φ为其他值时 δ>y ，0====ΦA F F F K C M2.方程的求解设方程的解为∑∞=Φ+Φ+=10)]sin()cos([n n n n b n a A y (5-4)代人方程(5-3)得)cos()]sin()cos([)]cos()sin([)]sin()cos(['''122022112αωω+Φ=+++Φ+ΦΩ+Ω+Φ-ΦΩ-Φ+Φ-Φ∞=∞=∞=∑∑∑e A F F n b n a A n b n a n N n b n a n C M n n n n n n n n n (5-5) 式中，当00)12(2Φ-+<Φ<Φ+ππn n 时，有⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧Ω-=Φ+ΦΩ+Ω=Φ-ΦΩ-=Φ+Φ-=Φ∞=∞=∞=∑∑∑δωωω22'122022'1'12')]sin()cos([)]cos()sin([)]sin()cos([c n n n c c k n n n c C n n n M A n b n a A F n b n a n N F n b n a n B F 当Φ为其他值时 0''''====ΦA F F F K C M可用近似的方法求解方程(5-5)。

由于篇幅原因，这里不叙述求解过程。

下面考虑一特殊情况下的方程的解。

(1)不考虑静子的参振质量，即0=α，0=N ，0=C N ，0=B 。

(2)00=Φ，即转子旋转一周中有半周(即180o )与静子碰磨，则转子系统的一阶临界转速为mk k c c c 2/2122'+=+=Ωωω (5-6) 而没有发生碰磨故障时的转子的临界转速为ω==Ωm k c /。

很显然，发生碰磨故障时，转子系统的临界转速是增加的，见图5-5。

发生碰磨后，转子振动的二倍频振幅与一倍频振幅之比为)28(38222212c c A A ωωπω--Ω= (5-7) 分析上式可知，当转速为2221c ωω+=Ω时，A 2/A 1最大。

这说明，当转子发生部分碰磨时，二倍频幅值与一倍频幅值之比在转速略大于1/2临界转速时最大。

图5-5 共振前后的转子共振曲线对比三、动静碰磨对转子运动产生的影响动静碰磨含有三种物理现象：碰撞、摩擦和轴系刚度的改变。

下面分析由这三种物理现象产生的效应。

1.碰撞产生的效应碰撞产生的效应体现在如下几个方面：(1)改变转子的振动形态。

碰撞相当于给转子及静子一个脉冲，能将转子和静子的固有频率激发起来。

因此，转子的实际振动是由旋转产生的强迫振动和冲击产生的自由振动的叠加而形成的，从而使振动在频谱中的高频分量增加。

(2)碰磨点限制了转子的运动，使转子的振动波形发生畸变，产生削波现象。

(3)在转子上产生较大的法向力和切向力(见图5-6石和图5-7所示)。

图5-6 碰磨产生的冲击1.摩擦产生的效应(1)动静部分摩擦，使机组的零部件磨损，影响机组的运行状态，使机组的效率下降。