重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子啟動過程熱彎曲故障實驗研究

馮永志，孟凡剛，黃延忠，何 鵬，劉占生

(1.哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司中央研究院，黑龍江 哈爾濱 150028;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

熱彎曲故障是重型燃?xì)廨啓C(jī)典型且易發(fā)生的故障，特別是在裝備頻繁啟停過程，轉(zhuǎn)子上下溫度存在差異導(dǎo)致啟動過程轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲，熱彎曲嚴(yán)重的話會導(dǎo)致燃機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)靜子發(fā)生碰磨故障，釀成嚴(yán)重事故，所以在轉(zhuǎn)子啟動過程要明確熱彎曲故障機(jī)理和特征，便于實時監(jiān)測診斷。

國內(nèi)外對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子熱彎曲故障研究較為廣泛。王仲平[1]根據(jù)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗初步分析了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障發(fā)生的原因，認(rèn)為除了加工制造導(dǎo)致熱應(yīng)力集中外，與轉(zhuǎn)子熱不平衡也相關(guān)，并給出了轉(zhuǎn)子熱彎曲故障辨識方法；張連祥[2]對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障典型特征進(jìn)行了相關(guān)研究，給出轉(zhuǎn)子熱彎曲故障具有明顯的時間特征，建議發(fā)動機(jī)在連續(xù)啟動前做一次冷運行可以有效降低熱彎曲引起的轉(zhuǎn)子振動；P.Pennacchi等人[3]對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的熱彎曲故障預(yù)估準(zhǔn)確性進(jìn)行了相關(guān)研究，以某型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為例，采用基本統(tǒng)計信息方法評估了熱彎曲故障識別結(jié)果的準(zhǔn)確性；西安交通大學(xué)的M Zhuo等人[4]提出了一種可以預(yù)測復(fù)雜轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的分析方法，認(rèn)為通過齒輪來使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過渡從而降低熱彎曲引起的轉(zhuǎn)子振動，并且給出了恰當(dāng)?shù)牟僮鲿r間；Qilong Hu等人[5]考慮了由軸承中油膜溫差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子熱彎曲問題，并認(rèn)為轉(zhuǎn)子振動是由于熱和初始不平衡引起的，減小初始不平衡量會降低軸承表面溫差，從而降低熱彎曲引起的轉(zhuǎn)子振動；He Peng等人[6]基于實驗測得的轉(zhuǎn)子振動位移以及溫度變化實現(xiàn)對熱彎曲故障的預(yù)測，提出了多個擬合模型來描述轉(zhuǎn)子彎曲撓度分布，實驗研究表明采用強(qiáng)制冷卻方式可以有效緩和轉(zhuǎn)子熱彎曲的發(fā)生；卓明等人[7]以重型燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象，分析了停機(jī)過程自然對流下轉(zhuǎn)子截面的溫度分布，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子停機(jī)靜止時間足夠長溫差趨于0，并且探究了停車后最佳靜止時間，為燃機(jī)啟停提供了一定的指導(dǎo)意義；雪偉[8]以實際發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為對象，給出了熱彎曲故障分析和處理過程，提供了現(xiàn)場實際解決故障的典型案例；文獻(xiàn)[9-11]都針對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的熱彎曲故障特征進(jìn)行了研究，明確了熱彎曲故障診斷依據(jù)，提供了可以用于實際工業(yè)領(lǐng)域的故障治理對策。

本文以某型實際重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子為對象，?；O(shè)計了拉桿轉(zhuǎn)子，搭建了?；瓧U轉(zhuǎn)子熱彎曲故障實驗臺，獲得了轉(zhuǎn)子的一二階臨界轉(zhuǎn)速，采集了存在熱彎曲故障時，轉(zhuǎn)子在3 500 r/min下不同運行時間的轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)，對實際機(jī)組運行過程熱彎曲故障診斷及監(jiān)測有一定指導(dǎo)意義及參考價值。

1 重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子模型及模化

本文以某型真實重型燃?xì)廨啓C(jī)為研究對象，見圖1所示，整段重燃轉(zhuǎn)子為拉桿結(jié)構(gòu)，兩端支承結(jié)構(gòu)等效為彈簧系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子共計兩部分，分別為前端壓氣機(jī)部分與尾端渦輪部分，其中前端壓氣機(jī)由多個葉片等效輪盤通過拉桿連接，壓氣機(jī)與渦輪兩個整體由拉桿連接固定，后端渦輪有三個等效葉片輪盤，兩兩之間通過螺桿相連。

圖1 某型重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子簡化前模型

針對實際模型，進(jìn)行實驗臺?；D(zhuǎn)子的設(shè)計，開展重型燃?xì)廨啓C(jī)熱彎曲故障實驗研究，見圖2所示，整個轉(zhuǎn)子為非連續(xù)拉桿轉(zhuǎn)子。

圖2 實驗?zāi)；闹匦腿細(xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子

2 重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障實驗臺及實驗開展過程

2.1 熱彎曲實驗臺介紹

對于模化的重燃轉(zhuǎn)子來說，兩端支承采用滑動軸承結(jié)構(gòu)，利用聯(lián)軸器與驅(qū)動端增速齒輪箱連接，增速齒輪箱由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，拉桿轉(zhuǎn)子與增速齒輪箱采用柔性連接，形成完整的轉(zhuǎn)子實驗臺。

圖3 重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障實驗臺

為模擬實際重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障，人為制造轉(zhuǎn)子熱彎曲狀態(tài)。所使用的加熱裝置為加熱瓦，將加熱瓦均勻的貼到加熱桶內(nèi)壁上，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子熱彎曲加熱桶(上)及加熱桶內(nèi)部加熱瓦局部放大圖(下)

實驗過程中可由加熱控制箱(圖5)控制加熱溫度。加熱控制箱有溫度反饋系統(tǒng)，當(dāng)加熱溫度達(dá)到預(yù)制溫度后停止。實驗中將重型燃?xì)廨喿臃胖眉訜嵬爸?，為實現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)子熱彎曲狀態(tài)，只開啟加熱桶上半部分的加熱瓦片，預(yù)制溫度為120 ℃。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)制溫度后，直接啟動電機(jī)。

圖5 轉(zhuǎn)子熱彎曲故障加熱控制箱

2.2 熱彎曲故障實驗

首先將轉(zhuǎn)子放置加熱桶中，形成轉(zhuǎn)子熱彎曲故障實驗臺。將加熱桶中上半周的加熱瓦片通電，設(shè)定溫度為120 ℃。加熱桶中有熱電偶溫度反饋傳感器，待加熱溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，停止加熱。

其中轉(zhuǎn)子前后軸承座附近利用電渦流位移傳感器采集轉(zhuǎn)子振動時的響應(yīng)，工控機(jī)11、12通道接入的是靠近齒輪箱軸承座附近的傳感器，通道13、14對應(yīng)的是尾端軸承座的傳感器。

給軸承通油后立即啟動電機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從0 r/min升至3 500 r/min，得到瞬時達(dá)到3 500 r/min時通道11的振動數(shù)據(jù)，而后維持轉(zhuǎn)子3 500 r/min的轉(zhuǎn)速不變，始終采集轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)，記錄轉(zhuǎn)子振動幅值。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)子升速實驗三維譜圖

實驗過程中利用工控機(jī)采集了通道11～14的升速結(jié)果，如圖6中的(a)、(b)、(c)和(d)所示，記錄了不同通道模化的拉桿轉(zhuǎn)子從0 r/min升到3 500 r/min，然后在3 800 r/min附近維持一定時間，最后逐步降速直至轉(zhuǎn)子停止整個過程的三維譜圖，其中只關(guān)注前5階的振動響應(yīng)。從圖中可以清晰看出，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)1 070 r/min與3 180 r/min附近分別出現(xiàn)了基頻峰值，對應(yīng)該?；D(zhuǎn)子的一、二階臨界轉(zhuǎn)速，且一階臨界附近的基頻振動峰值要高于二階臨界轉(zhuǎn)速附近的基頻峰值，之后的二、三、四和五階均出現(xiàn)較小的振動峰值，表明轉(zhuǎn)子安裝對中狀態(tài)較好。

圖6 實驗過程四個監(jiān)測通道三維譜圖

3.2 熱彎曲實驗不同時間采集的振動數(shù)據(jù)

由于通道11～14振動規(guī)律變化相同，所以此處以實驗臺前軸承座(靠近齒輪箱)的通道11數(shù)據(jù)為例，給出轉(zhuǎn)子在3 500 r/min附近不同運行時間下的振動響應(yīng)，這里為了后續(xù)更好地描述解釋轉(zhuǎn)子熱彎曲故障現(xiàn)象，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min瞬時時刻記為轉(zhuǎn)子在3 500 r/min運行0 s的工況。

圖7～圖10表示轉(zhuǎn)子在3 500 r/min分別運行0 s、120 s、150 s和360 s的結(jié)果，其中每個圖中的(a)、(b)分別表示轉(zhuǎn)子對應(yīng)運行時間下的時域和頻域的振動響應(yīng)，由圖可知，3 500 r/min運行0 s時轉(zhuǎn)子振動幅值最大，隨著運行時間延長，基頻幅值逐漸降低，且轉(zhuǎn)子振動時域結(jié)果均為正弦波形，且其他倍頻成分很小或幾乎沒有，表明轉(zhuǎn)子運行過程中僅存在熱彎曲與不平衡故障共同存在。

圖7 3 500 r/min運行0 s時轉(zhuǎn)子振動結(jié)果

圖8 3 500 r/min運行120 s時轉(zhuǎn)子振動結(jié)果

圖9 3 500 r/min運行150 s時轉(zhuǎn)子振動結(jié)果

圖10 3 500 r/min運行360 s轉(zhuǎn)子振動結(jié)果

由于在3 500 r/min附近運行時間較短，轉(zhuǎn)子振動幅值降低不明顯，提取了11通道通頻振動幅值與基頻幅相等參數(shù)，見表1所示。

表1 3 500 r/min運行不同時間下轉(zhuǎn)子振動幅相數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)子振動的通頻與基頻幅值隨運行時間變化規(guī)律見圖11，轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲故障后，主要故障識別參數(shù)是轉(zhuǎn)子振動通頻和基頻幅值變化，由圖可知，隨著轉(zhuǎn)子在3 500 r/min運行時間增加，轉(zhuǎn)子振動的基頻與通頻幅值均下降，且基頻幅值降低先快后慢，而通頻幅值降低先慢后快。

圖11 轉(zhuǎn)子振動的通頻與基頻幅值

4 結(jié)論

本文針對實際某型重型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子模型，模化加工了用于熱彎曲故障實驗的拉桿轉(zhuǎn)子，采用滑動軸承支承形式，轉(zhuǎn)子從0 r/min升至3 500 r/min，然后在3 500 r/min附近運行一定時間，用電渦流位移傳感器采集轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)，獲取熱彎曲故障典型特征，獲得主要結(jié)論如下：

(1)從三維譜圖中可以看出，模化的拉桿轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速為1 070 r/min左右，二階臨界轉(zhuǎn)速約為為3 180 r/min；

(2)轉(zhuǎn)子頻繁啟停過程易發(fā)生熱彎曲故障，轉(zhuǎn)子升至最高轉(zhuǎn)速3 500 r/min瞬時時刻轉(zhuǎn)子振動最大，隨著在3 500 r/min附近運行時間增加，轉(zhuǎn)子溫度分布梯度效應(yīng)逐漸減弱，基頻與倍頻振動逐漸下降，實際機(jī)組運行時出現(xiàn)上述現(xiàn)象表明轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了熱彎曲故障；

(3)機(jī)組實際運行過程中，盡量避免頻繁快速啟停，或者啟動過程適當(dāng)增加暖機(jī)時間，可以有效降低熱彎曲故障帶來的危害，另外對轉(zhuǎn)子啟停過程進(jìn)行振動監(jiān)測，如果隨著運行時間振動逐漸降低，振動在允許范圍內(nèi)也是可以的；

由于本文開展的是針對某型重型燃?xì)廨啓C(jī)熱彎曲故障的?；D(zhuǎn)子實驗，所以實驗溫度及轉(zhuǎn)速及最高轉(zhuǎn)速運行條件與實際機(jī)組存在差異，但是該?；D(zhuǎn)子實驗結(jié)果規(guī)律也可以對實際重型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組運行過程中熱彎曲故障診斷及監(jiān)測有一定參考價值。