汽轮机振动故障诊断与分析

汽轮机振动故障诊断与分析一、振动基础知识构成一个确定性振动有三个基本要素：即振幅 A ，频率f （ω）和相位φ，即使在非确定性振动中，有时也包含有确定性振动。

简谐振动：单自由度系统的自由振动，能用正弦函数或余弦函数表示的振动 。

0=+kx x m02=+x x nωm k n =ω)cos()(φω-=t A t xn旋转轴的振动：假设转子中部有一不平衡重量Q ，所处半径为r ，可以将Q 、r 看作分布在一段2h 长度上的分布载荷。

如果用转轴的偏心距U （s ）来表示这种不平衡，则：⎪⎩⎪⎨⎧=O hmg Qr s U 2.)( h S S h S +≤≤-11式中：m 为转轴单位长度的质量，S 表示沿轴方向的位置，将Q 、r 引起的偏心U （s ）按振型进行展开，则可得：123123()sinsin sin sinn k ss sU s A A A LL Ln s A Lππππ∞==+++⋅⋅⋅⋅⋅⋅=∑式中：A1、A2、A3……An 为各阶振型系数，可以用求取傅里叶系数的方法求得：S 在其他各点h Ln Sin S L n hn m g Qr h S L n h S L n hn m g Qr hs hs sL n n L hL m g Qr sds L n h m g Qr L A h S h S πππππππππ11111n sin 24)](cos )([cos 22cos 22sin 2211=--+-=-+-==⎰+-我们经常用到的一个振动测量参数Vrms为速度有效值，Vrms≈０.７０７v也称速度均方根，因为它最反映振动的强烈程度，所以又称振动烈度。

Vrms≈０.７０７v。

ωt+φ-----为相位。

相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置，相位描述信号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。

当信号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360°实际工作中我们测量的相位是一个以键相脉冲为参考点的一个角度，目前大多仪器是如此定义的：振动高点相对与键相脉冲的角度差。

振动分析基本图形波形图振动趋势图振动与时间的关系，揭示振动故障的发展过程。

相关趋势图，振动与相关运行参数的关系。

益阳电厂3号机7瓦振动异常3、频谱图频谱分析的理论基础傅立叶级数周期函数在一定条件下可以展开为Fourier 级数所有的工程中使用的周期函数都可以用一系列的三角函数的线性组合来逼近.——Fourier 级数()()01cos sin 2T n n n a f t a n t b n t ωω∞==++∑是以T 为周期的函数，在上满足()T f t ,22T T ⎡⎤-⎣⎦()221T in tin in tnT T n n c ef e d e T ωωτωττ+∞+∞--=-∞=-∞⎡⎤=⎣⎦∑∑⎰＝在频谱分析中, 傅氏变换F(ω)又称为f(t)的频谱函 数, 而它的模|F(ω)|称为f (t)的振幅频谱(亦简称为频谱).对一个时间函数f (t)作傅氏变换, 就是求这个时间函数f (t)的频谱.()F ω()()f t F ω的频谱密度函数；()()arg f t F ω的振幅频谱；()f t 的相位频谱。

离散谱由一系列离散数值(而不是连续数值)的成分(波长、波数或频率等)所构成的频谱。

周期函数的傅里叶分析就得到一个离散谱。

连续谱由于是连续变化的, 我们称之为连续频谱, 连续谱是指由频率在一定范围内是连续成分组成的谱，生活中大部分噪声具有这种类型的频谱包络频谱假设下面的信号是由啮合齿轮的振动引起的。

这个信号是传送力引起的。

它从一个齿轮牙传到另一个齿轮牙。

如果牙与牙的传送力是一样，那么整个周期的振动值就是想同的。

正常振动的频谱只会有一种频率，那就是啮合频率。

啮合频率(F)=转频(T)*牙数(N)如果齿轮节径和轴的中心不在同一位置。

那么牙与牙之间的距离就会改变，相应的传送力也会改变。

波德图波德图（Bode）是振动的幅值（尤指工频分量或二阶分量）和相位随转速而变化的图。

从波德图上可以清楚的看出转子过临界转速的振动状况。

随转速变化的关系曲线。

图形的横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅的峰－峰值，另一个是相位。

从波德图上我们可以得到以下信息：a. 转子系统在各种转速下的振幅和相位；b. 转子系统的临界转速；c. 转子系统的共振放大系数(Q=Amax/ε)；一般小型机组Q在3～5甚至更小，而大型机组在5～7；超过上述数值，很可能是不安全的；d. 转子的振型；e. 系统的阻尼大小；f. 转子是否发生了热弯曲。

轴心轨迹图当转轴旋转时，它会绕转轴中心点振动，运动的轨迹就是轴心轨迹。

正常的轴心轨迹应该是一个较为稳定的、长短轴相差不大的椭圆。

不对中时，轴心轨迹为月牙状、香蕉状，严重时为8字形；发生摩擦时，会出现多处锯齿状尖角或小环；轴承间隙或刚度差异过大时，为一个很扁的椭圆；可倾瓦瓦块安装间隙相互偏差较大时，会出现明显的凹凸状。

如果轴心轨迹的形状及大小的重复性好，则表明转子的涡动是稳定的；否则，就是不稳定的。

转子发生亚异步自激振动时，其轴心轨迹往往很不稳定，不仅形状及大小时刻在发生较大的变化，而且还会出现大圈套小圈的情况。

轴心轨迹图有原始、提纯、平均、一倍频、二倍频、0.5倍频等多种轴心轨迹，主要看提纯、一倍频、二倍频的轴心轨迹图。

这是因为转子振动信号中不可避免地包含了噪声、电磁信号干扰等超高次谐波分量，使得轴心轨迹的形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。

而提纯的轴心轨迹排除了噪声和电磁干扰等超高次谐波信号的影响，突出了工频、0.5倍频、二倍频等主要因素，便于清晰地看到问题的本质；一倍频轴心轨迹则可以更合理地看出轴承的间隙及刚度是否存在问题，因为不平衡量引起的工频振动是一个弓状回转涡动，工频的轴心轨迹就应该是一个圆或长短轴相差不大的椭圆，而如果轴承间隙或刚度存在方向上的较大差异，那么工频的轴心轨迹就会变成一个很扁、很扁的椭圆，从而把同为工频的不平衡故障和轴承间隙或刚度差异过大很简便地区别开来；二倍频轴心轨迹则可以看出严重不对中时的影响方向等。

轴中心平均位置图轴心在轴承中的平均位置，反映的是一个静态的量。

二、主要的振动故障比较常见的振动故障大致如下：●不平衡（质量、转子弯曲，旋转部件脱落）●动静摩擦●不对中●轴瓦故障（油膜失稳、瓦体接触、轴承损坏等）●结构缺陷（结构共振、临界转速、滑销系统、转子或轴承座刚度不对称、基础变形、管道力、阀门等）●结构松动（联轴器、轴承座、套装部件）●汽流激振（汽流）●中心孔进油）●电磁激振●转子裂纹●其它（运行问题、拍振、倍频共振、传感器故障等1、不平衡导致机组不平衡一般是由于原始不平衡质量大厂家动平衡未达到要求，残余不平衡质量大。

检修中更换部件，或有旋转部件松动或脱落产生新的不平衡质量 转子弯曲转子热变形（摩擦、材质不均匀、中心孔进油，进冷水、冷汽等） 不对中对于刚性转子而言，机组振动与转速的平方成线性关系（图1），通过某一转速下动平衡将振动降低，其他转速下振动也相应降低。

而挠性转子则不同，当转速接近其临界转速时，振动响应最大，当转速偏离临界转速时，不平衡振动响应较小（图2）。

当转速接近其第一阶临界转速时，转子成“弓”形变形，反映在振动上为同相，当转速接近其第二阶临界转速时，转子成“S”形变形，反映在振动上为反相（图3）。

图1 刚性转子不平衡响应图2 挠性转子图3 振型曲线从图2可以看出，当机组一阶对称不平衡量较大时，则机组过临界时振动较大，且表现为同相振动；因为工作转速相对接近二阶临界转速，当机组二阶反对称不平衡量较大时，则机组在工作转速下振动较大，相位接近为反相。

机组任意转速下的振动是这两个不平衡响应的矢量和（实际上还有三阶、四阶，因其偏离工作转速较远，可不与考虑），鉴于临界转速下机组振动对二阶反对称不平衡不敏感，工作转速下机组振动对一阶对称不平衡不敏感，因此现场动平衡只有分别消除一阶对称不平衡、二阶反对称不平衡，才能使机组振动在整个转速范围内处于较低的水平。

不平衡故障特征：频率：不平衡导致的振动波形是一个标准的正弦波，所以不平衡的频谱是一个标准的离散谱，只含有一个频率成分-----工频保庆2号机波形：波德图：宝庆电厂2号机组于2012年3月27日10:30进行首次整套启动，27日14:40转速至3000r/min，定速后的振动数据见表1。

表1 机组3000r/min时振动数据（单位：μm）测点#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 轴振X 27 25 37 57 58 50 41 17 29 轴振Y 38 25 43 71 39 46 47 20 40 瓦振⊥ 5.2 2.5 11.8 28.2 12.2 24 8 5.5 2.2 机组投产后1、2号轴振逐渐增大，特别是过临界增大很多，1号轴振最大超过300μm.2015年1月18日停机所测数据如下：轴心轨迹图动平衡动平衡工作中的首次加重（称为试加重量）以前是随意加的（如采用影响系数法），随着测试技术的发展及动平衡技术的提高，目前试加重量可根据测得的相位角进行推算，其加重方位θ为（以转子上键相槽或光标为0位）：︒±±--=18021βααϕθ式中：ϕ为测得的相位角，1α为机械滞后角即位移滞后不平衡力的角度（简称滞后角），2α为仪器（包括传感器）滞后角，目前一般可以做到很小。

为振动传感器和键相传感器的夹角（或与光电探头的夹角）。

某厂一台仿西屋型300MW机组，运行中高中压转子轴振偏大，表2-12为带负荷运行、3000r/min和降速通过临界转速时的振动。

表2-12 带负荷、空载和降速过临界的振动μm/°1X 1Y 2X 2Y 工况通频工频通频工频通频工频通频工频300MW 75 58∠251 33 13∠353 143 123∠38 100 80∠130 3000r/min 58 39∠243 33 17∠7 141 118∠31 101 81∠131 过临界62 45∠31 75 65∠96 89 71∠25 92 71∠113 从表中可以看出，通过一阶临界转速时工频振动最大为71um，说明一阶不平衡分量不是很大，主要是工作转速和带负荷后轴振2X、2Y 偏大。

从轴振2X和轴振1X的相位看，相位差接近1800，说明二阶分量偏大。

考虑到二阶分量较大，开、停机过程中重点注意了接近工作转速时的振动，表2-13为在一次停机过程中测得的振动变化。

表2-13 停机过程中振动变化μm/°转速r/min 3000 2950 2900 2850 2800 2750 27001x 39∠243 31∠240 27∠235 23∠233 18∠229 15∠226 14∠228 2x 118∠31 118∠27 120∠10 70∠35 84∠33 84∠1 85∠32 从表中可以看出，从3000r/min降至2700r/min过程中，轴振1x和2x 幅值变化较大。