近來(lái)看到一篇很好的關(guān)于汽輪發(fā)電機(jī)組不平衡故障診斷的文章，內(nèi)容很詳細(xì)，希望給大家?guī)?lái)一些啟迪和收獲。
轉(zhuǎn)子不平衡是汽輪機(jī)組非常常見(jiàn)問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)分析表明，汽輪機(jī)組的大部分振動(dòng)是與轉(zhuǎn)速同步的振動(dòng)信號(hào)。引起汽輪機(jī)組同步振動(dòng)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(diǎn)。例如下圖是在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子上模擬質(zhì)量不平衡故障得到的幅值譜和波形圖。
一、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡
原始質(zhì)量不平衡指的是轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)之前在轉(zhuǎn)子上已經(jīng)存在的不平衡。它們通常是在加工制造過(guò)程中產(chǎn)生的，或是在檢修時(shí)更換轉(zhuǎn)動(dòng)部件造成的。
1.故障機(jī)理分析
轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障產(chǎn)生的機(jī)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(shí)，各截面離心力構(gòu)成一個(gè)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1所示。這個(gè)空間離心力系和轉(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(dòng)。
2.故障特征分析
當(dāng)轉(zhuǎn)子有質(zhì)量不平衡故障時(shí)，在不平衡力的作用下轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)的主要特征有：
①轉(zhuǎn)子的振動(dòng)是一個(gè)與轉(zhuǎn)速同頻的強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速按振動(dòng)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)為一倍頻振動(dòng)幅值大，同時(shí)出現(xiàn)較小的高次諧波，其頻譜分布呈所謂的“橄樹(shù)形”，如上圖2所示；
②在一定的轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)的幅值和相位基本上不隨時(shí)間發(fā)生變化；
③軸心運(yùn)行軌跡為圓形或橢圓形；
④動(dòng)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)。
這種不平衡的特點(diǎn)除了上面介紹的振幅和相位的常規(guī)特征外，它的很顯著特征是“穩(wěn)定”，這個(gè)穩(wěn)定是指在一定的轉(zhuǎn)速下振動(dòng)特征穩(wěn)定，振幅和相位受機(jī)組參數(shù)影響不大，與升速或帶負(fù)荷的時(shí)間延續(xù)沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)，也不受啟動(dòng)方式的影響。具體所測(cè)的數(shù)據(jù)中，在同一轉(zhuǎn)速，工況相差不大時(shí)，振幅波動(dòng)約20%,相位在10°~20°范圍內(nèi)變化的工頻振動(dòng)均可以視為是穩(wěn)定的。
對(duì)于新機(jī)組，原始不平衡在第一次升速就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，在對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行任何處理之前的升降速振動(dòng)數(shù)據(jù)中，特征重復(fù)性很好。
大修后的機(jī)組，如果較大修前工頻振動(dòng)變大，則表明大修中必然動(dòng)過(guò)轉(zhuǎn)子部件，如換葉片、拔護(hù)環(huán)等。反之，如果轉(zhuǎn)子上的部件沒(méi)有任何變動(dòng)而出現(xiàn)了工頻振動(dòng)大的情況，則應(yīng)仔細(xì)分析原因。
3.故障判斷依據(jù)
對(duì)于汽輪機(jī)組而言，無(wú)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(dòng)頻譜中始終有一倍頻分量，這種情況是允許的。這里有必要引入一個(gè)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(shí)，轉(zhuǎn)子的整體振動(dòng)水平肯定會(huì)超標(biāo)。在轉(zhuǎn)子振動(dòng)水平超標(biāo)的情況下，利用如下方法來(lái)判斷轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)了不平衡故障：設(shè)診斷開(kāi)始時(shí)與轉(zhuǎn)速同步的振動(dòng)矢量為Xn,通頻矢量為Xm,當(dāng)滿(mǎn)足Xn≥a Xm（a=0.7）;且振幅和相位不隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，機(jī)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(dòng)。
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(dòng)特征，所不同的是初始彎曲轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速較低時(shí)振動(dòng)較明顯，趨于彎曲值。在汽輪機(jī)組中，通常用盤(pán)車(chē)過(guò)程中和盤(pán)車(chē)后所測(cè)量的晃度值來(lái)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(jī)理分析
在機(jī)組的啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)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(shí)熱彎曲，產(chǎn)生較大的不平衡，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生振動(dòng)。
轉(zhuǎn)子熱態(tài)彎曲引起的振動(dòng)一般與負(fù)荷有關(guān)，改變負(fù)荷，振動(dòng)相應(yīng)地發(fā)生變化，但在時(shí)間上較負(fù)荷的變化滯后。隨著盤(pán)車(chē)或機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，整機(jī)溫度趨于均勻，振動(dòng)會(huì)逐漸減小。
2.故障特征分析
①轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻譜與質(zhì)量不平衡時(shí)的振動(dòng)頻譜類(lèi)似；
②振動(dòng)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(dòng)的幅值和相位隨時(shí)間發(fā)生變化；
④軸心運(yùn)動(dòng)軌跡與質(zhì)量不平衡時(shí)的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡類(lèi)似。
3.故障判斷依據(jù)
當(dāng)轉(zhuǎn)子振動(dòng)值超標(biāo)，且滿(mǎn)足Xn≥a Xm的情況下，若振幅和相位隨時(shí)間發(fā)生變化，則說(shuō)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(jī)理分析
平衡狀況良好的轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中突然有部件脫落時(shí)，會(huì)引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，在不平衡質(zhì)量的作用下會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)脫落的部件質(zhì)量相當(dāng)大時(shí)，會(huì)使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量不平衡，從而使轉(zhuǎn)子的振幅突然增大。尤其是，若轉(zhuǎn)子的振幅非常大時(shí)，就會(huì)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(dòng)頻譜與質(zhì)量不平衡時(shí)的振動(dòng)頻譜類(lèi)似；
②轉(zhuǎn)子部件脫落前后，振動(dòng)的幅值和相位會(huì)突然發(fā)生變化；
③部件脫落一段時(shí)間后，振動(dòng)的幅值和相位趨于穩(wěn)定；
④軸心運(yùn)動(dòng)軌跡與質(zhì)量不平衡時(shí)的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡類(lèi)似。
五、轉(zhuǎn)子部件結(jié)垢
1.故障機(jī)理分析
如果蒸汽的品質(zhì)長(zhǎng)期不合格，隨著時(shí)間的推移，將在汽輪機(jī)的動(dòng)葉和靜葉表面上垢，使轉(zhuǎn)子原有的動(dòng)平衡遭到破壞，振動(dòng)增大。由于結(jié)垢需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，所以，振動(dòng)是隨著年月逐漸增大的。并且，由于流通條件變差，軸向推力增加，機(jī)組各級(jí)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(dòng)頻譜與質(zhì)量不平衡時(shí)的振動(dòng)頻譜類(lèi)似；
②振動(dòng)的幅值和相位隨時(shí)間發(fā)生非常緩慢的變化，這種變化有時(shí)需要一個(gè)月甚至數(shù)個(gè)月才能發(fā)現(xiàn)明顯的差別；
③軸心運(yùn)動(dòng)軌跡與質(zhì)量不平衡時(shí)的軸心軌跡類(lèi)似；
④機(jī)組的出力和效率逐漸下降；
⑤各監(jiān)視段的壓力隨時(shí)間的變化而緩慢增加。
