第六講 汽輪機組常見橫向振動故障的診斷

1、.第六講 汽輪機組常見橫向振動故障的診斷振動是汽輪機組狀態(tài)最常見的外部表現(xiàn)形式。振動信號中包含了豐富的機組狀態(tài)信息。當(dāng)機組的狀態(tài)發(fā)生變化時，其振動形態(tài)也將隨之發(fā)生改變。利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法，對振動信號進(jìn)行分析，可提取反映機組狀態(tài)的信息。本章主要討論如何利用振動信號來診斷汽輪機組的故障。第一節(jié) 轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷轉(zhuǎn)子不平衡是汽輪機組最為常見的故障，統(tǒng)計分析表明，汽輪機組的大部分振動是與轉(zhuǎn)速同步()的振動信號。引起汽輪機組同步振動的原因可能有原始質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子熱不平衡、轉(zhuǎn)子熱彎曲、旋轉(zhuǎn)部件脫落、轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢等。這些原因都將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的不平衡。不同原因引起的轉(zhuǎn)子不平衡故障的規(guī)律基本相近，但也各有特點

2、。一、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡1.故障機理分析轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障產(chǎn)生的機理是，轉(zhuǎn)子的各橫截面的質(zhì)心連線與各截面的幾何中心的連線不重合，從而使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，各截面離心力構(gòu)成一個空間連續(xù)力系，轉(zhuǎn)子的撓度曲線為一連續(xù)的三維曲線，如圖5-l所示。這個空間離心力力系和轉(zhuǎn)子的撓度曲線是旋轉(zhuǎn)的，其旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生工頻振動。圖5-1 轉(zhuǎn)子質(zhì)心的空間分布2.故障特征分析當(dāng)轉(zhuǎn)子有質(zhì)量不平衡故障時，在不平衡力的作用下轉(zhuǎn)子將發(fā)生振動，振動的主要特征有:(l)轉(zhuǎn)子的振動是一個與轉(zhuǎn)速同頻的強迫振動，振動幅值隨轉(zhuǎn)速按振動理論中的共振曲線規(guī)律變化，在臨界轉(zhuǎn)速處達(dá)到最大值。因此，轉(zhuǎn)子不平衡故障的突出表現(xiàn)為一倍頻

3、振動幅值大。同時，出現(xiàn)較小的高次諧波，整個頻譜呈所謂的“樅樹形”，如圖5-2所示。(2)在一定的轉(zhuǎn)速下，振動的幅值和相位基本上不隨時間發(fā)生變化。(3)軸心運動軌跡為圓形或橢圓形。(4)動態(tài)下，軸線彎曲成空間曲線，并以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速繞靜態(tài)軸心線旋轉(zhuǎn)。圖5-2 轉(zhuǎn)子不平衡故障頻譜圖3.故障判斷依據(jù)對于汽輪機組而言，無論其平衡狀況有多么好，總是或多或少地存在質(zhì)量不平衡。所以，其振動頻譜中始終有一倍頻分量，這種情況是允許的。這里有必要引人一個判斷轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡故障的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡故障時，轉(zhuǎn)子的整體振動水平肯定會超標(biāo)。在轉(zhuǎn)子振動水平超標(biāo)的情況下利用如下方法來判斷轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)了不平衡故障:設(shè)診斷開始時與

4、轉(zhuǎn)速同步的振動矢量為XN，通頻矢量為XM，當(dāng)滿足(=0.7)，且振幅和相位不隨時間發(fā)生變化時，機組存在轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障。二、轉(zhuǎn)子初始彎曲所謂轉(zhuǎn)子初始彎曲，是指在冷態(tài)和靜態(tài)條件下，轉(zhuǎn)子各橫截面的幾何中心線與轉(zhuǎn)子兩端軸承的中心連線不重合，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動。有初始彎曲的轉(zhuǎn)子具有與質(zhì)量不平衡轉(zhuǎn)子相似的振動特征，所不同的是初彎轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速較低時振動較明顯，趨于彎曲值。在汽輪機組中，通常用盤車時和盤車后測量到的晃度的大小來判斷轉(zhuǎn)子是否存在初始彎曲。三、轉(zhuǎn)子熱態(tài)不平衡1.故障機理分析在機組的啟動和停機過程中，由于熱交換速度的差異，使轉(zhuǎn)子橫截面產(chǎn)生不均勻的溫度分布，使轉(zhuǎn)子發(fā)生瞬時

5、熱彎曲，產(chǎn)生較大的不平衡，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動。轉(zhuǎn)子熱態(tài)彎曲引起的振動一般與負(fù)荷有關(guān)，改變負(fù)荷，振動相應(yīng)地發(fā)生變化，但在時間上較負(fù)荷的變化滯后。隨著盤車或機組的穩(wěn)態(tài)運行，整機溫度趨于均勻，振動會逐漸減小。2.故障特征分析(1)轉(zhuǎn)子的振動頻譜與質(zhì)量不平衡時的振動頻譜類似。(2)振動的幅值和相位隨負(fù)荷發(fā)生變化。(3)在一定的負(fù)荷下，振動的幅值和相位隨時間發(fā)生變化。(4)軸心運動軌跡與質(zhì)量不平衡時的軸心運動軌跡類似。3.故障判斷依據(jù)當(dāng)轉(zhuǎn)子振動值超標(biāo)，且式(4-50)滿足的情況下，若振幅和相位隨時間發(fā)生變化，則說明轉(zhuǎn)子存在熱態(tài)不平衡故障。四、轉(zhuǎn)子部件脫落1.故障機理分析平衡狀況良好的轉(zhuǎn)子在運行中突然有部

6、件脫落時，會引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，在不平衡質(zhì)量的作用下會使轉(zhuǎn)子發(fā)生振動。當(dāng)脫落的部件質(zhì)量相當(dāng)大時，會使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量不平衡，從而使轉(zhuǎn)子的振幅值突然增大。尤其是，若轉(zhuǎn)子的振幅值非常大時，就會導(dǎo)致二次事故的發(fā)生。2.故障特征分析(1)轉(zhuǎn)子部件脫落后，轉(zhuǎn)子的振動頻譜與質(zhì)量不平衡時的振動頻譜類似。(2)轉(zhuǎn)子部件脫落的前后，振動的幅值和相位突然發(fā)生變化。(3)部件脫落一段時間后，振動的幅值和相位趨于穩(wěn)定。(4)軸心運動軌跡與質(zhì)量不平衡時的軸心運動軌跡類似。五、轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢1故障機理分析如果蒸汽的品質(zhì)長期不合格，隨著時間的推移，將在汽輪機的動葉和靜葉表面上結(jié)垢，使轉(zhuǎn)子原有的平衡遭到破壞，振動增大。由于結(jié)

7、垢需要相當(dāng)長的時間，所以，振動是隨著年月逐漸增大的。并且，由于通流條件變差，軸向推力增加，機組級間壓力逐漸增大，效率逐漸下降。2.故障特征分析(1)轉(zhuǎn)子的振動頻譜與質(zhì)量不平衡時的振動頻譜類似。(2)軸心運動軌跡與質(zhì)量不平衡時的軸心運動軌跡類似。(3)振動的幅值和相位隨時間發(fā)生極為緩慢的變化，這種變化有時需要一個月甚至數(shù)個月才能發(fā)現(xiàn)明顯的差別。(4)機組的出力和效率逐漸下降。(5)各監(jiān)視段的壓力隨時間的變化而緩慢增加。第二節(jié) 轉(zhuǎn)子動靜碰磨故障的診斷隨著機組參數(shù)的不斷提高，動靜間隙的不斷減小，機組在運行過程中，由于裝配不良、轉(zhuǎn)子不平衡t過大、軸彎曲、機械松動或零部件缺陷等原因，可能導(dǎo)致動靜部件之間

8、發(fā)生碰磨。碰磨是汽輪機組的常見故障之一，且往往是其他故障的誘發(fā)故障。在國產(chǎn)200MW及以上的機組中，已有多臺因動靜碰磨而造成轉(zhuǎn)子彎曲的嚴(yán)重事故。一、轉(zhuǎn)子碰磨的幾種類型按摩擦的部位可分為徑向碰磨、軸向碰磨和組合碰磨，如圖5-3所示。轉(zhuǎn)子外緣與靜止部件接觸而引起的摩擦稱為徑向碰磨；轉(zhuǎn)子在軸向與靜止部件接觸而引起的摩擦稱為軸向碰磨；既有徑向摩擦又有軸向摩擦的碰磨稱為組合碰磨。圖5-3 動靜碰磨的幾種類型按轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)與靜止部件的接觸情況分為整周碰磨和部分碰磨。轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的一周中始終與靜止的碰磨點保持接觸，稱為整周碰磨；轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的一周中只有部分弧段發(fā)生接觸。稱為部分碰磨。另外，按照摩擦的程度分為

9、早期碰磨、中期碰磨和晚期碰磨。二、碰磨對轉(zhuǎn)子振動特性的影響1數(shù)學(xué)模型的建立為了方便起見，將實際轉(zhuǎn)子簡化成如圖5-4所示的模型。轉(zhuǎn)子與靜子碰磨時，靜子對轉(zhuǎn)子有一個作用力F0，同時轉(zhuǎn)子對靜子也有一個反作用力F0。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動方程為 (5-1)其中 整理得 (5-2)其中 圖5-4 轉(zhuǎn)子碰磨簡化模型令式中 m輪盤質(zhì)量； mc靜子參振質(zhì)量； c轉(zhuǎn)子阻尼； cc靜子碰磨處的當(dāng)量阻尼； k轉(zhuǎn)子總剛度； kc靜子碰磨處的當(dāng)量剛度； e輪盤的偏心距； 轉(zhuǎn)子與靜子間隙； 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度； 相位角。則方程(5-2)變?yōu)?(5-3)設(shè)當(dāng)(n=0、l、2、3)時，轉(zhuǎn)子與靜子碰磨(即y)，此時在式(5-3)中，當(dāng)為

10、其他值時 ，2.方程的求解設(shè)方程的解為 (5-4)代人方程(5-3)得 (5-5)式中，當(dāng)時，有當(dāng)為其他值時 可用近似的方法求解方程(5-5)。由于篇幅原因，這里不敘述求解過程。下面考慮一特殊情況下的方程的解。(1)不考慮靜子的參振質(zhì)量，即，。(2)，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周中有半周(即180o)與靜子碰磨，則轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速為 (5-6)而沒有發(fā)生碰磨故障時的轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速為。很顯然，發(fā)生碰磨故障時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速是增加的，見圖5-5。發(fā)生碰磨后，轉(zhuǎn)子振動的二倍頻振幅與一倍頻振幅之比為 (5-7)分析上式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為時，A2/A1最大。這說明，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生部分碰磨時，二倍頻幅值與一倍頻幅值之

11、比在轉(zhuǎn)速略大于1/2臨界轉(zhuǎn)速時最大。圖5-5 共振前后的轉(zhuǎn)子共振曲線對比三、動靜碰磨對轉(zhuǎn)子運動產(chǎn)生的影響動靜碰磨含有三種物理現(xiàn)象：碰撞、摩擦和軸系剛度的改變。下面分析由這三種物理現(xiàn)象產(chǎn)生的效應(yīng)。1.碰撞產(chǎn)生的效應(yīng)碰撞產(chǎn)生的效應(yīng)體現(xiàn)在如下幾個方面：(1)改變轉(zhuǎn)子的振動形態(tài)。碰撞相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子及靜子一個脈沖，能將轉(zhuǎn)子和靜子的固有頻率激發(fā)起來。因此，轉(zhuǎn)子的實際振動是由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強迫振動和沖擊產(chǎn)生的自由振動的疊加而形成的，從而使振動在頻譜中的高頻分量增加。(2)碰磨點限制了轉(zhuǎn)子的運動，使轉(zhuǎn)子的振動波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生削波現(xiàn)象。(3)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較大的法向力和切向力(見圖5-6石和圖5-7所示)。圖5-6

12、碰磨產(chǎn)生的沖擊1.摩擦產(chǎn)生的效應(yīng)(1)動靜部分摩擦，使機組的零部件磨損，影響機組的運行狀態(tài)，使機組的效率下降。(2)使轉(zhuǎn)子和靜子局部過熱，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱態(tài)彎曲。(3)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生附加扭矩，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。(4)產(chǎn)生切向摩擦力。圖5-7說明了由碰磨產(chǎn)生的摩搖力的方向，摩擦使轉(zhuǎn)子從正向渦動轉(zhuǎn)向反向渦動。3.軸系剛度變化產(chǎn)生的效應(yīng)軸系剛度不僅與轉(zhuǎn)子的材料有關(guān)，而且與軸系的邊界條件有關(guān)，動靜碰磨時，邊界條件改變了，其剛度發(fā)生變化(剛度增加)，固有頗率增加，軸系將不穩(wěn)定，可能發(fā)生自激振動。圖5-7 碰磨產(chǎn)生的效應(yīng)四、振動特征分析1.振動的時城波形特征當(dāng)轉(zhuǎn)子未發(fā)生碰磨故障時，振動的時域波形為正弦波。

13、當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障時，振動的時域波形發(fā)生崎變，出現(xiàn)削波現(xiàn)象，如圖5-8所示。另外，在振動信號中有奇異信號。2.振動的頻譜特征由動、靜部分碰磨而產(chǎn)生的振動，具有豐富的頻譜特征，如圖5-9所示。碰磨故障的振動信號既有(工頻)、成分，又有大于f5r的高頻成分，同時還有(00.39)、(0.40.49)、0.5和(0.510.99)的低頻成分。振動有時還會隨著時間發(fā)生緩慢的變化。圖5-8 發(fā)生碰磨故障時的振動時域波形(a) 無故障時的時域波形；(b) 碰磨故障時的時域波形圖5-9 動靜碰磨故障下的幅值譜(a)轉(zhuǎn)子振動頻譜；(b)軸承座振動頻率3.軸心運動軌跡特征(1)若發(fā)生的是整周碰磨故障，則軸心運動

14、軌跡為圓形或橢圓形，且軸心軌跡比較紊亂。(2)若發(fā)生的是單點局部碰磨故障，則軸心運動軌跡呈內(nèi)“8”字形，如圖5-10(a)所示。(3)若發(fā)生的是多點局部碰磨故障，則軸心運動軌跡呈花瓣形，如圖5-10(b)所示。4.振動的時變特征當(dāng)轉(zhuǎn)軸與靜子發(fā)生碰磨時，會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振幅時大時小、振動相位也時大時小的旋轉(zhuǎn)振動。這種旋轉(zhuǎn)振動的機理如圖5-11所示。設(shè)轉(zhuǎn)子原來有不平衡質(zhì)量，該不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的振動矢量為，和之間相差角度。振動矢量使轉(zhuǎn)子的A點與靜子發(fā)生碰磨，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的A點處出現(xiàn)過熱，從而使轉(zhuǎn)子在A點處沿軸的徑向方向發(fā)生貓拱背式的熱變形，在方向產(chǎn)生質(zhì)量偏心，由圖5-10 發(fā)生碰磨故障時的軸心運動軌跡(a)單

15、點局部碰磨時的軸心運動軌跡；(b)多點局部碰磨時的軸心運動軌跡圖5-11 碰磨時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的振動為。設(shè)轉(zhuǎn)子的合成偏心質(zhì)量為，很顯然，。合成偏心質(zhì)量產(chǎn)生的合成振動為，和之間也相差角度。合成振動使轉(zhuǎn)子在B點處與靜子發(fā)生碰磨。依此類推，碰磨點逆轉(zhuǎn)向移動。這種移動過程可用圖5-12來說明。當(dāng)碰磨點在轉(zhuǎn)子上移動一周后，矢量式也逆轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)了一周，合成振幅經(jīng)歷由大(0o位置)小(180o位置)大(360o位置)的過程，合成振動的相位經(jīng)歷由0o0o的過程。所以，振動會出現(xiàn)時大時小的現(xiàn)象。合成振動經(jīng)歷一個變化周期需要十幾分鐘，有時需要數(shù)十分鐘。根據(jù)對不同碰磨程度下轉(zhuǎn)子振動信號頻譜中各振動成分的計算發(fā)現(xiàn)：

16、(1)(00.39)、(0.40.49)、0.5和(0.510.99)的低頻成分的幅值與工頻成分的幅值之比均不超過0.10，一般在0.050.10之間。(2)、及以上高頻成分的幅值與工頻成分的幅值之比也很小，不超過0.01。(3)、成分的幅值與工頻成分的幅值之比較大，一般可達(dá)0.200.50。圖5-12 與的合成第三節(jié) 轉(zhuǎn)子不對中故障的診斷一、轉(zhuǎn)子不對中故障的類型所謂不對中，是指用聯(lián)軸器連結(jié)起來的兩根軸的中心線存在偏差，這種偏差有如下幾種類型。(1)平行不對中。所謂平行不對中，是指兩根軸的中心線產(chǎn)生了平行偏移，如圖5-13(a)所示。(2)偏角不對中。偏角不對中是指兩根軸的中心線存在一定的夾角

17、，如圖5-13(b)所示。(3)組合不對中。所謂組合不對中，是指兩根軸的中心線既產(chǎn)生了平行偏移，圖5-13 轉(zhuǎn)子不對中的幾種類型(a)平行不對中；(b)偏角不對中；(c)組合不對中又存在一定的夾角，如圖5-13(c)所示。對中性包括靜止?fàn)顟B(tài)下的冷對中和運行狀態(tài)下的熱對中。影響轉(zhuǎn)子對中性的因素有:連接到機組上的管道系統(tǒng)、支座與基礎(chǔ)、機架、應(yīng)對中的各軸的熱關(guān)系等。不對中的作用就像轉(zhuǎn)子上有一個不定向的預(yù)載荷，容易引起軸向振動。二、故障特征分析(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對中故障時，從振動的時域波形上可看出旋轉(zhuǎn)基本頻率的高次成分。(2)從振動信號的頻譜圖上可以發(fā)現(xiàn)工頻的高次分量，如2和3振動，尤其是2振動非常明

18、顯(如圖5-14所示)。圖5-14 不對中故障的頻譜特征(3)當(dāng)不對中比較輕微時，軸心軌跡呈橢圓形；當(dāng)不對中故障達(dá)到中等程度時，軸心軌跡呈香蕉形；當(dāng)不對中故障較嚴(yán)重時，軸心軌跡呈外“8”字形。第四節(jié) 轉(zhuǎn)子裂紋故障的診斷長期運行的汽輪機有時會在轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)不同程度的裂紋，這是誘發(fā)災(zāi)難性事故的根源之一。轉(zhuǎn)軸裂紋使汽輪機在運行時呈特殊的動態(tài)現(xiàn)象，觀察和跟蹤這些現(xiàn)象能有效地監(jiān)測轉(zhuǎn)軸裂紋的存在。諸如超聲、紅外線和其他電氣方法能直接有效地監(jiān)測裂紋的存在，但它們適用于靜態(tài)場合，現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)側(cè)裂紋最常用的方法是振動監(jiān)測方法。一、轉(zhuǎn)子裂紋的分類按裂紋的方向分類，有軸向裂紋、徑向裂紋和斜裂紋，如圖5-15所示。軸向裂

19、紋沿著轉(zhuǎn)子軸向擴(kuò)展；徑向裂紋沿著轉(zhuǎn)子周向擴(kuò)展；而斜裂紋的擴(kuò)展方向與軸向方向成一定的夾角90o)。其中，徑向裂紋對轉(zhuǎn)子的安全危害最大，斜裂紋次之。圖5-15 轉(zhuǎn)子裂紋的類型(a)軸向裂紋；(b)徑向裂紋；(c)斜裂紋按裂紋的形狀特征分為開裂紋、閉裂紋和時開時閉裂紋。開裂紋轉(zhuǎn)軸的撓度大于無裂紋轉(zhuǎn)子的撓度;閉裂紋對轉(zhuǎn)子的振動特性不會發(fā)生作用;而時開時閉裂紋對振動影響復(fù)雜。圖5-16 裂紋轉(zhuǎn)子的撓度變化一般來說，徑向裂紋在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的動應(yīng)力下，始終處于“開”和“閉”的周期變化過程中。圖5-16為轉(zhuǎn)子上的徑向裂紋的開閉引起轉(zhuǎn)子撓度變化的情況。二、裂紋故障的機理分析導(dǎo)致轉(zhuǎn)子裂紋最重要的原因是高周疲勞、低周疲

20、勞、蠕變和應(yīng)力腐蝕開裂。此外，也與轉(zhuǎn)子工作環(huán)境中含有腐蝕化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。而大量的扭轉(zhuǎn)和徑向載荷，加上復(fù)雜的轉(zhuǎn)子運動，造成了惡劣的機械應(yīng)力狀態(tài)，最終也導(dǎo)致軸裂紋的產(chǎn)生。三、裂紋轉(zhuǎn)子的振動特征分析有徑向裂紋的轉(zhuǎn)子其橫向剛度下降，而且轉(zhuǎn)子的剛度不對稱，與無裂紋轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線不再重合，由此產(chǎn)生彈性不平衡力。轉(zhuǎn)子以。旋轉(zhuǎn)時，伴隨其非同步的彎曲振動使裂紋分別以固有頻率和(裂紋閉合時轉(zhuǎn)子的固有頻率，裂紋張開時轉(zhuǎn)子的固有頻率)周期性開閉，不斷改變裂紋的性質(zhì)。由于裂紋性質(zhì)的改變導(dǎo)致轉(zhuǎn)子剛度的變化，改變了轉(zhuǎn)子對主要激振力的動力響應(yīng)，此激振力即重力和不平衡力。當(dāng)不平衡力不計時，理論上，裂紋轉(zhuǎn)子在重力作用下的響應(yīng)如下式

21、 (5-8)由上式可知，裂紋轉(zhuǎn)子由重力引起的響應(yīng)除1倍頻外，還有2倍頻、3倍頻分量。除了上述特征外，裂紋轉(zhuǎn)子還有如下的振動特征:(1)由于裂紋的存在改變了轉(zhuǎn)子的剛度，從而使轉(zhuǎn)子的各階臨界轉(zhuǎn)速較正常值要小，裂紋越嚴(yán)重，各階臨界轉(zhuǎn)速減小得越多。(2)由于裂紋造成剛度變化且不對稱，從而使轉(zhuǎn)子的共振轉(zhuǎn)速擴(kuò)展為一個區(qū)域。(3)裂紋轉(zhuǎn)子在做強迫響應(yīng)時，一次分量的分散度較無裂紋時大。(4)在恒定轉(zhuǎn)速下，各階諧波幅值及其相位不穩(wěn)定，尤以二倍頻最為突出。(5)裂紋轉(zhuǎn)子引起的剛度不對稱，使轉(zhuǎn)子動平衡發(fā)生困難，往往多次試加平衡質(zhì)量也達(dá)不到所要求的平衡精度。四、裂紋轉(zhuǎn)子的監(jiān)測和診斷(1)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)法。此方法著眼于各階諧

22、波分量幅值lx、2x和3x的大小以及隨時間的變化，1x、2x和3x分量幅值隨時間穩(wěn)定增長的趨勢說明轉(zhuǎn)子存在裂紋。(2)滑停法。此法將機組從工作轉(zhuǎn)速滑降至零轉(zhuǎn)速，在降速過程中，測最振動響應(yīng)并進(jìn)行頻譜分析。若轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋或裂紋有進(jìn)一步的擴(kuò)展，則在轉(zhuǎn)速過臨界及1/2、1/3臨界轉(zhuǎn)速時，振動響應(yīng)將有明顯的改變。(3)溫度瞬間法。此法原理是快速降低蒸汽溫度，使轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生拉伸的熱應(yīng)力。如果有裂紋存在，拉應(yīng)力將使裂紋張開，使轉(zhuǎn)子振動瞬間增大，通過快速降溫或快速升溫的辦法可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子是否有裂紋。第五節(jié) 油膜渦動與油膜振蕩故障的診斷一、油膜渦動1.轉(zhuǎn)軸在油膜力作用下的渦動運動當(dāng)軸徑在軸瓦中轉(zhuǎn)動時，在軸徑與軸瓦

23、之間的間隙中形成油膜，油膜的流體動壓力使軸徑具有承載能力。當(dāng)油膜的承載力與外界載荷平衡時，軸徑處于平衡位置.;當(dāng)轉(zhuǎn)軸受到某種外來擾動時，軸承油膜除了產(chǎn)生沿偏移方向的彈性恢復(fù)力以保持和外載荷平衡外，還要產(chǎn)生一垂直于偏移方向的切向失穩(wěn)分力，這個失穩(wěn)分力會驅(qū)動轉(zhuǎn)子作渦動運動。當(dāng)阻尼力大于切向失穩(wěn)力時，這種渦動是收斂的，即軸徑在軸承內(nèi)的轉(zhuǎn)動是穩(wěn)定的。當(dāng)切向分力大于阻尼力時，渦動是發(fā)散的，軸徑運動是不穩(wěn)定的，油膜振蕩就屬于這種情況。介于兩者之間的渦動軌跡為封閉曲線，半速渦動就是這種情況。2.半速渦動的機理假設(shè)油在軸承中無端泄，油在軸瓦表面的流動速度為零，而在軸徑表面的流動速度為，等于軸徑表面的線速度，且

24、兩者間隙中的油流速度是線性變化的，如圖517所示。在連心線上，AB截面流人油楔的流量為，在CD處流出的流量為，兩個流量之差應(yīng)等于因渦動引起收斂油楔隙內(nèi)流體容積的增加率，即 (5-9)由此可得 (5-10)式中 軸徑半徑； 軸承寬度； 軸承間隙； 軸心偏心距； 軸徑渦動角速度； 軸徑轉(zhuǎn)動角速度。圖5-17 半速渦動的原理示意這就是所謂的半速渦動的含義。實際上，由于軸承端泄等因素的影響，一般渦動頻率略小于轉(zhuǎn)速的一半，約為轉(zhuǎn)速的0.420.46倍。二、油膜振蕩故障的形成轉(zhuǎn)軸在發(fā)生半速渦動之前的轉(zhuǎn)動是平穩(wěn)的。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的值時，轉(zhuǎn)子發(fā)生半速渦動。一般稱發(fā)生半速渦動的轉(zhuǎn)速為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。發(fā)生半速渦動后，隨

25、著轉(zhuǎn)速的升高，渦動角速度也隨之增加，但總保持著約等于轉(zhuǎn)動速度一半的比例關(guān)系。半速渦動一般并不劇烈，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速升高到比第一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍稍高以后，半速渦動的渦動速度與轉(zhuǎn)軸的第一階臨界轉(zhuǎn)速相重合即產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為強烈的振動現(xiàn)象，稱為油膜振蕩。油膜振蕩一旦發(fā)生之后，就將始終保持約等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速的渦動頻率，而不再隨轉(zhuǎn)速的升高而升高。圖518表示油膜振蕩的轉(zhuǎn)速特性，分三種情況，每一圖中都表明了隨轉(zhuǎn)速變化的正常轉(zhuǎn)動、半速渦動和油膜振蕩的三個階段，其中一條曲線表示振動頻率的變化，一條曲線表示振動幅值的變化。圖5-18(a)表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之前。圖5-18(b)表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之后

26、。這兩種情況的油膜振蕩都在稍高于二倍臨界轉(zhuǎn)速的某一轉(zhuǎn)速時發(fā)生。圖5-18(c)表示失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速之后，轉(zhuǎn)速在稍高于二倍臨界轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)軸并沒有失穩(wěn)，直到比二倍臨界轉(zhuǎn)速高出較多時，轉(zhuǎn)軸才失穩(wěn)。而降速時油膜振蕩消失的轉(zhuǎn)速要比升速時發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速低，表現(xiàn)出一種“慣性”現(xiàn)象。圖5-18 油膜振蕩的轉(zhuǎn)速特性三、油膜振蕩故障的特征分析1.油膜振蕩故障的頻譜特征油膜振蕩是軸頸帶動潤滑油高速流動時，高速油流反過來激勵軸頸，使其發(fā)生強烈振動的一種自激振動現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運動時，軸頂在軸承內(nèi)繞其中心高速旋轉(zhuǎn)。但失穩(wěn)后，軸頸不僅繞其中心高速旋轉(zhuǎn)，而且軸頸中心本身將繞平衡點甩轉(zhuǎn)或渦動。這種渦動頻率一般約為轉(zhuǎn)動

27、角速度的一半，稱為半速渦動。當(dāng)轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速比較低時，渦動頻率可能與轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速相等或接近，其渦動振幅將被共振放大，即產(chǎn)生強烈的振動，此時稱為油膜振蕩。由此可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生油膜振蕩時，其振動的主要頻率成分為臨界轉(zhuǎn)速(一般是第一階臨界轉(zhuǎn)速)左右的頻率。一般來說，在油膜振蕩的形成和發(fā)展過程中，轉(zhuǎn)子振動有如下的頻譜特征：當(dāng)轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)出現(xiàn)油膜渦動時，振動的頻率成分中0.5振動很大，且0.5振動的幅值與振動幅值的比值隨轉(zhuǎn)速而變化。從實驗中發(fā)現(xiàn)，若僅僅是半速渦動，這個比值在(0.32.0)范圍內(nèi)；若比值超過2.0，則將很快發(fā)展成油膜振蕩。當(dāng)出現(xiàn)油膜振蕩時，振動的主要成分的頻率近似地等于。這里，表示轉(zhuǎn)子

28、系統(tǒng)的第一階臨界轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果表明，出現(xiàn)油膜振蕩故障時，振動的幅值與振動的幅值之比大于2.0。圖5-19是在實驗轉(zhuǎn)子上側(cè)得的油膜渦動和油膜振蕩故障的振動頻譜。圖5-19 油膜渦動和油膜振蕩故障的振動頻譜(a)油腆渦動故障下的幅值譜；(b)油膜振蕩故障下的幅值譜2振動時城波形特征轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生油膜渦動和油膜振蕩故障時，振動的時域波形會發(fā)生畸變，在工頻的基波上盈加了低頻成分，有時低頻分量占主要地位。圖5-20中的(b)和(c)是在實驗轉(zhuǎn)子上測得的油膜渦動和油膜振蕩故障的振動信號時域波形，與正常情況下的振動時域波形圖5-20(a)相比，具有明顯的差異。3.軸心運動執(zhí)跡特征當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生油膜振蕩故障時，

29、轉(zhuǎn)子渦動方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相同(即正向進(jìn)動)，軸心軌跡呈花瓣形(如圖5-21所示)。圖5-20 油膜渦動和油膜振蕩故障的振動信號時域波形(a)正常情況下的時域波形；(b)油膜渦動故障下的時域波形；(c)油膜振蕩故障下的時城波形圖5-21 油膜振蕩時的軸心運動軌跡4.油膜振蕩故障發(fā)生過程中伴隨的其他現(xiàn)象(1)油膜振蕩故障的發(fā)生和消失具有突然性，并具有慣性效應(yīng)，即升速時產(chǎn)生振蕩的轉(zhuǎn)速比降速時振蕩消失的轉(zhuǎn)速要大。(2)油膜振蕩故障發(fā)生時，油膜經(jīng)歷了破壞建立破壞建立這樣的反復(fù)過程，軸頸和軸承不斷碰磨，產(chǎn)生撞擊聲，軸瓦內(nèi)油膜壓力有較大波動。(3)油膜振蕩對轉(zhuǎn)速和油溫的變化較敏感。(4)軸承載荷小或偏心率

30、小的轉(zhuǎn)子，容易發(fā)生油膜振蕩，工作轉(zhuǎn)速高于2倍一階臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子容易發(fā)生油膜振蕩。第六節(jié) 蒸汽振蕩故障的診斷一、蒸汽激振的機理分析汽輪機的蒸汽間隙(是轉(zhuǎn)子和靜子之間的徑向動靜間隙，亦稱徑向間隙)，在安裝時應(yīng)是均勻?qū)ΨQ無偏差。由于轉(zhuǎn)子彎曲，汽缸膨脹變形跑偏，或者汽流作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子切向推力，均可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜子的徑向間隙的變化出現(xiàn)偏差，如圖5-22所示。這種偏差會產(chǎn)生一個作用于轉(zhuǎn)子上的促使其渦動的切向力。當(dāng)有葉片圍帶時，此力更大。研究表明，在汽輪機的軸端汽封和隔板汽封中亦存在同樣的激振力。國產(chǎn)200MW及以上的汽輪機組曾發(fā)生過由蒸汽振蕩故障導(dǎo)致的嚴(yán)重事故。圖5-22 汽輪機的蒸汽間隙在汽輪機運行過程

31、中，蒸汽的激振力來自于下面幾個方面。1.葉頂間隙產(chǎn)生的激振力在汽輪機中，當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心時，轉(zhuǎn)子葉輪和汽缸間的間隙沿周向不均勻，使間隙的漏汽量重新分布，小間隙處產(chǎn)生大推力，大間隙處產(chǎn)生小推力。其結(jié)果產(chǎn)生了一個垂直于轉(zhuǎn)子中心位移的橫向力(見圖5-23)，此力將誘發(fā)轉(zhuǎn)子渦動。該力的大小與這一級葉輪的功率成正比，與葉片的高度成反比。圖5-23 轉(zhuǎn)子受力分析示意作用于汽輪機葉片的蒸汽周向力，在間隙小的一側(cè)大于間隙大的一側(cè)，轉(zhuǎn)子各級葉輪所受周向力的總和除有力偶外，還有一個與轉(zhuǎn)子軸心的位置垂直的附加力Ft，其表達(dá)式為 (5-11)討論轉(zhuǎn)子葉輪在干擾力的作用下的運動，力學(xué)分析如圖5-23所示，設(shè)葉輪中心位置以x、

32、y表示，擾動力在坐標(biāo)軸上投影為， (5-12)為常數(shù)，設(shè)葉輪質(zhì)量為m，轉(zhuǎn)軸剛度系數(shù)為k，葉輪中心運動方程為 (5-13)用復(fù)變量表示上述微分方程，得 (5-14)其中，如果考慮外阻尼作用，則徽分方程為 (5-15)其中，是阻尼系數(shù)。將代人式(5-15)，求得特征根后作變換整理可得一般解，即 (5-16)其中在式(5-16)中，第二項代表反進(jìn)動項，是收斂的。第一項代表正進(jìn)動項，當(dāng)0時是發(fā)散的。因此當(dāng)滿足或 (5-l7)的條件時，轉(zhuǎn)子運動就會失穩(wěn)。轉(zhuǎn)子渦動的頻率總是低于轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速。2.汽封產(chǎn)生的激振力(1)圍帶汽封產(chǎn)生的激振力。在汽輪機的高壓級中，由于蒸汽的容積流量小，為了減少漏汽損失，常在動葉

33、頂部圍帶處設(shè)置汽封以減少葉頂漏汽。蒸汽在圍帶汽封處產(chǎn)生的激振力的大小與汽封前燕汽的參數(shù)(壓力、溫度)、汽封后蒸汽的參數(shù)(壓力)、汽封間隙處的半徑以及進(jìn)人汽封的蒸汽的周向速度有關(guān)。一般來說，汽封前蒸汽的參數(shù)越高，進(jìn)人汽封的蒸汽的周向速度越大，蒸汽產(chǎn)生的激振力越大。(2)隔板汽封產(chǎn)生的激振力。隔板汽封位于靜葉根部，其所處位置的半徑小，且動葉出口汽流余速較小，進(jìn)人隔板汽封的汽流的預(yù)旋較小，蒸汽產(chǎn)生的激振力較小。(3)軸端汽封產(chǎn)生的激振力。高壓轉(zhuǎn)子的軸端汽封幾乎覆蓋了高壓轉(zhuǎn)子的一半，進(jìn)人軸端汽封的蒸汽參數(shù)很高。根據(jù)對一臺產(chǎn)生嚴(yán)重自激振動的汽輪機高壓轉(zhuǎn)子的考察，證明其原因主要是高壓缸前汽封中汽流激振所引

34、起，并通過實驗驗證了這一點。軸端汽封一般是迷宮式汽封。蒸汽在迷宮式汽封內(nèi)流動時，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的作用力類似于滑動軸承對轉(zhuǎn)子的作用力。這種作用力可表示為 (5-18)式中 、汽封作用在轉(zhuǎn)子水平和垂直方向上的力； x、y轉(zhuǎn)子的位移； K、k汽封的主剛度和交叉剛度，； D、d汽封的主阻尼和交叉阻尼，； 、E轉(zhuǎn)子的渦動速度和渦動半徑。其中，交叉剛度k和主阻尼D對轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性影響最大。研究表明，迷宮汽封對轉(zhuǎn)子的激振力與汽封的進(jìn)出口壓力、進(jìn)汽預(yù)旋速度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、汽封的結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)子渦動半徑和渦動頻率有關(guān)。二、蒸汽振蕩故障的特征分析汽輪機發(fā)生蒸汽振蕩故障時，將出現(xiàn)下列故障征兆：(1)轉(zhuǎn)子正向渦動，渦動頻率為0.

35、60.9倍工頻；(2)軸心運動軌跡為橢圓形；(3)強烈振動時，有可能激發(fā)轉(zhuǎn)子的一階自振頻率，表現(xiàn)為自激振動，強振時的主要頻率為轉(zhuǎn)子的一階固有頻率，且頻帶較寬；(4)負(fù)荷存在一個“門限值”，在其值附近可導(dǎo)致強烈振動；(5)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也存在一個“門限值”，在其值附近可導(dǎo)致強烈的振動;(6)振動的再現(xiàn)性強；(7)一般在轉(zhuǎn)子不平衡、不對中和偏心時容易發(fā)生；(8)振動的大小，跟機組的負(fù)荷有密切關(guān)系；(9)蒸汽振蕩故障多發(fā)生在汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子上。第七節(jié) 非轉(zhuǎn)動部件松動故障的診斷部件配合松動是汽輪機組的常見故障之一。部件松動故障分為兩大類，一類是非轉(zhuǎn)動部件的配合松動故障；另一類是轉(zhuǎn)動部件的配合松動故障。其中

36、前者較為常見。非轉(zhuǎn)動部件配合松動的典型情況是軸承外殼以過大的間隙與軸承座配合。其他情況還有軸承座的松動、支座松動、地腳螺栓松動和基礎(chǔ)灌漿不實等。轉(zhuǎn)動部件松動的典型情況是套裝葉輪和套裝套簡與轉(zhuǎn)軸的配合松動。因部件松動而引起的振動應(yīng)借助于非線性理論來進(jìn)行分析。松動可以使任何已有的不平衡、不對中所引起的振動間題更加嚴(yán)重，從而可能導(dǎo)致汽輪機劇烈振動。本節(jié)簡單討論非轉(zhuǎn)動部件松動故障的特征。一、轉(zhuǎn)動部件配合松動故障的常規(guī)特征分析1.振動信號的時城波形特征從振動信號的時域波形特征來看，當(dāng)發(fā)生松動故障時，時域波形會出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象，有時可能出現(xiàn)明顯的跳變信號，松動故障越嚴(yán)重，跳變信號越突出。這種跳變信號有時甚至用

37、手觸摸也能感覺得到。2.振動信號的頻譜特征由于非線性可能引起轉(zhuǎn)子的分?jǐn)?shù)次諧波共振(亞諧波共振)，其頻率是精確的1/2、1/3、倍轉(zhuǎn)速。所以，當(dāng)機組出現(xiàn)松動故障時，除了產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)頻率相同的振動外，還會產(chǎn)生和等分?jǐn)?shù)級諧波振動，以及旋轉(zhuǎn)頻率的高倍頻振動(如、及以上的頻率成分)。3.振動的方向性特征松動故障的另一特征是振動的方向性，特別是松動方向上的振動。由于約束力的下降，將引起振動的加大。松動使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在水平方向和垂直方向具有不同的臨界轉(zhuǎn)速，因此，分諧波共振現(xiàn)象既有可能發(fā)生在水平方向，又可能發(fā)生在垂直方向。二、松動故障的奇異特征提取當(dāng)松動故障不是太嚴(yán)重時，用振動信號的常規(guī)特征很難對其進(jìn)行識別。也就是

38、說，在松動故障發(fā)生的早期，其故障的特征并不是太明顯。由于松動故障的危害性大，所以必須對其進(jìn)行早期診斷和預(yù)報。常規(guī)的信號分析方法難以提取松動故障的早期故障特征，而第四章介紹的小波變換方法，能有效地提取松動故障的奇異特征，能有效地彌補常規(guī)方法的不足。第八節(jié) 轉(zhuǎn)子中心孔異物吸附故障的診斷汽輪機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主軸均為空心結(jié)構(gòu)。中心孔內(nèi)有異物存在將對軸系振動有很大的影響。轉(zhuǎn)子中心孔異物一是固體金屬，二是液態(tài)潤滑油或凝結(jié)的水(或油水混合物)。下面對這兩種異物吸附對轉(zhuǎn)子振動的影響進(jìn)行分析。一、固體金屬件吸附對轉(zhuǎn)子振動的影響1.金屬件的運動狀態(tài)分析為了分析的方便，特作如下假設(shè)：假設(shè)之一：固體金屬件質(zhì)量集中于較小體

39、積內(nèi)，并分布于主軸中心孔內(nèi)壁的較小面積上(即質(zhì)量不均布于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主軸中心孔內(nèi)壁)。假設(shè)之二：固體金屬件與主軸內(nèi)壁之間只有摩擦力，無其他力場作用。根據(jù)上述假設(shè)條件，當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定值后，金屬件在重力、離心力、主軸中心孔徑向約束力以及金屬件與主軸內(nèi)壁的康裸力的共同作用下，達(dá)到力系平衡。此時金屬件隨轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)(如圖5-24所示)。對金屬件建立力系平衡方程得： （5-19）式中 金屬件與主軸內(nèi)壁間的摩擦力，；主軸內(nèi)壁對金屬件的支反力；金屬件與主軸內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)；金屬件受到的離心力，；金屬件質(zhì)量；轉(zhuǎn)子中心孔半徑；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；重力與摩擦力的夾角；重力加速度。圖5-24 轉(zhuǎn)子內(nèi)吸附金屬件受

40、力分析將，代入方程（5-19）得，則有 （5-20）其中，。從式（5-20）可得出以下結(jié)論：(1)對不同的k值，對應(yīng)于不同的毋值。因0k1，則4590。(2)因，即0180，則。圖5-24中的A、B、C 、D四點分別代表0、90、180、（-90）(3)當(dāng)sin=1，即=90時，。達(dá)到最大值。此時 (5-21)由此可見，角為金屬件在圓周的各角度位置上的最大轉(zhuǎn)速。此式說明，在圓周的0360的范圍內(nèi)，只要角度達(dá)到=90-，即轉(zhuǎn)速時，金屬件在整個圓周的各個角度上均可實現(xiàn)隨轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)。所以，是金屬件隨轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)的最小轉(zhuǎn)速。2.金屬件對轉(zhuǎn)子振動的影響金屬件對轉(zhuǎn)子振動的影響可分為如下兩種情況來說明：(1)當(dāng)轉(zhuǎn)速時，金屬件隨轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)，此時金屬件對轉(zhuǎn)子振動的影響為:振動幅值取決于質(zhì)量離心力的大小，由于M、R為常數(shù)，故只取決于的大小。亦即振動幅值隨的增加而增大。由于金屬件隨轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)，故振動相位是穩(wěn)定的。(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速時，金屬件不能隨轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)，一般在DAB(見圖5-24)即-90角度范圍內(nèi)滑動(或滾動)，并隨轉(zhuǎn)速