淺談汽輪機(jī)故障診斷分析方法

吳闖

摘 要：汽輪機(jī)發(fā)生故障停修，會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，所以汽輪機(jī)故障問題一直受到人們重視。本文結(jié)合汽輪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行工作原理，分析汽輪機(jī)的故障類型以及問題的發(fā)生原因，提出多種診斷方法，以供相關(guān)工作及研究人員參考。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；故障；診斷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.030

汽輪機(jī)，是一種能量轉(zhuǎn)換的動(dòng)力機(jī)械，它將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分組成汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括葉片、聯(lián)軸器、主軸及裝在軸上的其他零件；靜止部分包括隔板、氣缸、汽封、進(jìn)汽部分等。

1 汽輪機(jī)的典型故障

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡故障

轉(zhuǎn)子的不平衡故障是汽輪機(jī)常見的振動(dòng)故障之一。不平衡振動(dòng)是因?yàn)閼T性離心力發(fā)生的，徑向振動(dòng)較大。根據(jù)發(fā)生原因，可分為：原始不平衡、漸發(fā)性不平衡和突發(fā)性不平衡。原始不平衡是由于制造或者更換轉(zhuǎn)動(dòng)零部件引起的。其振動(dòng)特征比較穩(wěn)定，振幅和相位變化小。漸發(fā)性不平衡主要因?yàn)檗D(zhuǎn)子熱彎曲發(fā)生的，其振動(dòng)是動(dòng)態(tài)變化的。突發(fā)性不平衡是由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過程中，其轉(zhuǎn)動(dòng)零件脫落，或者聯(lián)接零件發(fā)生松動(dòng)。

1.2 轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障

不對(duì)中是指相鄰轉(zhuǎn)子的軸線和軸承中心線存在偏移。汽輪機(jī)為多轉(zhuǎn)子設(shè)備，各轉(zhuǎn)子是由聯(lián)軸器連接的，由于安裝或者使用原因，會(huì)出機(jī)殼變形、軸承座變形，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障。軸系不對(duì)中，又可細(xì)分為：角度不對(duì)中、平行不對(duì)中和綜合不對(duì)中。

1.3 動(dòng)靜碰磨故障

動(dòng)靜碰磨是指零件間隙過小是，動(dòng)靜零部件接觸，然后再彈開，這樣改變零部件的動(dòng)態(tài)剛度。碰磨使轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況變的復(fù)雜，嚴(yán)重的碰磨可導(dǎo)致軸系永久彎曲。

1.4 油膜振蕩

軸系在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)軸承和軸徑之間的油膜壓力是動(dòng)態(tài)變化的，這樣可以保證轉(zhuǎn)子的軸心圍繞某個(gè)平衡點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)油膜渦動(dòng)頻率接近轉(zhuǎn)子的臨界頻率，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生激烈振動(dòng)，這個(gè)情況叫油膜振蕩。

1.5 轉(zhuǎn)軸彎曲

轉(zhuǎn)軸彎曲，分為永久性彎曲和暫時(shí)彎曲兩種。永久性彎曲是指轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)彎曲，且不能恢復(fù)。暫時(shí)性彎曲是可以恢復(fù)的。轉(zhuǎn)軸的永久性彎曲發(fā)生原因，一般是由設(shè)計(jì)制造，運(yùn)營維護(hù)不當(dāng)引起的。預(yù)負(fù)載過大、轉(zhuǎn)軸熱變形不均勻或者暖機(jī)不充分可能造成暫時(shí)性彎曲。

1.6 轉(zhuǎn)子裂紋

在變負(fù)載工況下，由于轉(zhuǎn)軸在制造過程中形成的缺陷：如氣孔、沙眼、刀痕等，受到交變的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的聯(lián)合作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)了裂紋。裂紋如不及時(shí)的處理，會(huì)發(fā)展成為斷裂，導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

針對(duì)上述故障，如果及時(shí)掌握早期征兆，采取相應(yīng)的措施，處理故障，將會(huì)避免或減少重大事故的發(fā)生。所以故障診斷技術(shù)是非常重要的。

2 汽輪機(jī)故障信號(hào)提取方法

因?yàn)槠啓C(jī)故障是由于振動(dòng)過大造成的，所以故障診斷技術(shù)主要就是振動(dòng)分析和油液分析這兩大類。診斷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，主要包括三個(gè)方面：一是信號(hào)的采集，為故障分析診斷提供基礎(chǔ)；二是信號(hào)處理，對(duì)雜亂的信號(hào)進(jìn)行處理，得到對(duì)診斷工作有價(jià)值的信息；三是通過信息，對(duì)汽輪機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行分析、判斷和預(yù)報(bào)。

故障信息提取是故障診斷的關(guān)鍵技術(shù)之一，故障信息提取的準(zhǔn)確性、完備性，對(duì)故障診斷結(jié)論的準(zhǔn)確性影響很大。

（1）時(shí)域分析法。物理量隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系，如果以圖形的形式來表達(dá)這樣關(guān)系，就是信號(hào)的時(shí)域波形。分析物理量和時(shí)間的關(guān)系，稱為時(shí)域分析，時(shí)域波形、軸心軌跡、相關(guān)分析等式常用的時(shí)域分析。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中等常見故障，可通過時(shí)域波形做出預(yù)判斷。

（2）頻域分析。頻域分析，是把時(shí)域內(nèi)的信號(hào)，通過傅里葉變換，讓其在頻域內(nèi)顯示出來。頻域分析是為了將復(fù)雜的信號(hào)，分解成多個(gè)信號(hào)。頻域分析是信號(hào)分析的常用方法，在故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。頻域分析將振幅和頻率建立了函數(shù)關(guān)系，一些故障特征可以在頻域內(nèi)形象的展現(xiàn)。工程中使用頻率很高的頻域分析方法是幅值譜和功率譜。幅值譜是表示振動(dòng)幅值和頻率分量的函數(shù)，橫坐標(biāo)是頻率分量，縱坐標(biāo)是振動(dòng)幅值。功率譜是各頻率成分和振動(dòng)功率的函數(shù)。通過頻率和能量的關(guān)系，可以對(duì)故障進(jìn)行判斷。

（3）時(shí)頻分析。時(shí)頻分析是指對(duì)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析的統(tǒng)稱。這是一個(gè)非傳統(tǒng)的方法，在一個(gè)函數(shù)內(nèi)描述時(shí)間、頻率、幅值的關(guān)系。信號(hào)處理領(lǐng)域，常用的時(shí)頻分析是小波分析。按照處理信號(hào)的類型來分，小波分析分為三種：小波包分解、離散小波、連續(xù)小波。

3 結(jié)束語

我國汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷很長的發(fā)展期，由于技術(shù)落后，起步晚，和發(fā)達(dá)國家相比存在一定差距。那么這需要我國研究人員大力研發(fā)新的診斷技術(shù)，積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，全面提高我國汽輪機(jī)診斷方法，以減少汽輪機(jī)故障對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。