汽轮机振动分析与故障诊断

汽轮机振动分析与故障诊断
摘要：汽轮发电机组是电力系统中的一个重要组成部分，它的结构和工作环
境比较复杂，所以它的安全性要求比较高。

长期以来，汽轮机的故障率高，严重
地影响了机组的正常运转。

随着科学技术的不断发展，智能化的计算机系统的广
泛运用，为汽轮发电机组的振动故障自动分析提供了技术支撑。

关键词：汽轮机；发电机组；振动故障；故障检测
1.汽轮机振动故障检测与诊断分析的目的
目前，由于社会用电量的稳定需要和电力市场改革后对于机组稳定性要求更高，发电企业因设备故障导致的机组非计划停运而带来的经济损失是巨大的。

所以，他们必须制定一套能够保证设备正常运转的快速诊断程序。

相对于其他故障，运用先进的技术方法可以快速地对汽轮机的振动故障进行快速的判断和定位，为
管理者和使用者提供了方便。

因此，在维护技术不断发展的今天，加速对汽轮机
振动进行快速诊断和分析是非常必要的。

在机组运行中，最常见的故障就是汽轮
机组的异常振动。

由于大机的叶片、叶轮等转动构件的受力超出了容许的设计范围，从而引起机组的损伤。

所以，设备的振动水平应控制在一定的容许值之内。

2.振动故障检测原理与分析技术的步骤
2.1振动信号采集
针对汽轮机故障，首先要在机组正常工作时，对其进行振动信号的检测。

振
动信号是660 MW汽轮发电机组振动故障的主要载体，也是故障诊断的主要手段。

通过对振动信号的采集，可以从历史信息库中依据设备的工作特性，对故障发生
的部位及原因进行客观、真实的分析。

2.2信息处理
660 MW汽轮发电机组是一种大功率的机械设备，其工作时难免会产生大量的
噪声，从而影响到检测系统对其检测结果的准确性。

为此，要对系统采集的噪声
信号进行科学地降噪，排除异常的干扰，提取有效的信号进行分析。

2.3故障分析与诊断
这是对机组振动故障进行分析的关键步骤，在此阶段，要对所搜集到的资料
进行归纳、整理，并利用特征值判断出该装置的工作状态是否在合理的范围之内。

如果有什么不正常的地方，我们就得对资料库做进一步的分析。

其次，对设备的
具体故障部位进行分析，并给出维修意见。

2.4故障分析设计流程图
根据上述的分析，我们能够设计出一个具体的故障分析与处理过程图：
汽轮机组提取信号（传感器）→→信号处理（平均、滤波）→→信号处理
（傅里叶变换、小波分析）→→状态识别→→标准故障机理典型状态特征→→停
机检修（有典型状态特征）或继续检测（无典型状态特征）
3.故障诊断技术的原理
机器设备故障诊断技术一是指通过对机器在工作或相对静止的情况下，通过
对所测数据的分析与处理，并根据所述故障的历史状况，对机器设备的实时技术
状况进行量化识别，并对有关的异常故障进行预报，并对今后的技术状况进行预报，以求出相应的应对措施。

二是对设备的故障进行及时的分析与诊断。

这种技
术最初是出于军事需要，在二战初期，计算机技术、信号处理技术等技术的不断
发展，使得计算机能够对机器设备的故障进行有效的监测与诊断。

汽轮机是一台
转速很快的机械，振动是由转动质量不平衡，对准不良，运动部件与固定部件的
摩擦力引起的。

振动引起的负荷不断变化，不但会影响其工作寿命，而且还会导
致重大的设备故障，对生产造成重大的经济损失。

4.振动故障检测与分析措施
4.1转子运行问题
针对汽轮机不正常的振动现象，通过多年的工作实践和资料的积累，认为主
要是由于转子的不正常运转引起的。

(1)要重视有关转子平衡的资料。

转子不平衡主要有局部失衡和局部缺失两类。

若在采集到的资料中，发现涡轮轴的振动很大，并且转子的临界速度幅度有
反常的变化，当振动频率与转速相等并呈正弦波时，就能确定出其真正的原因是
转子的平衡不合理。

(2)在诊断转子中心对称性故障时，要关注转子与汽缸、定子同心度、轴承
坐标高度等有关数据。

这两个异常会引起设备的气流异常、摩擦等异常现象，进
而引起转子的不稳定和振动。

第三个异常会引起联轴系的脱位，引起转子轴承的
预紧。

(3)转子的外形也是诊断振动故障的一个重要基础。

转子的外形问题有两种，一种是电机转子的热弯折，另一种是汽轮机转子热弯折。

长期使用电动机，其振
动会比正常振动大。

在这种情况下，转子在冷、热两种情况下，很容易发生弯曲，这就是转子热弯。

若汽轮机组在运转过程中出现了冷起动并经过了一次临界速度，那么其振动不会出现明显的异常现象，而涡轮的总体振动却显著增大，负载逐渐
增大，长期温机后，振幅、相位的变化也会迅速增大。

(4)若汽轮机转子发生了不正常的振动，但以上三项均无特殊问题，可对其
进行初步的诊断。

4.2 转轴摩擦问题
在汽轮机起动及正常运转过程中，转子轴的径向摩擦力也是造成机组振动失
效的重要因素。

(1)汽轮机启动和停运过程中的轴摩擦力。

在汽轮机启动和停机时，通过振
动幅度的变化，可以判断出轴碰摩的强度和周期。

若设备的振动是周期性的，而
在停止振动时，摩擦也会停止，那么轴心的径向温度就不会出现不均匀的温度。

当振动增大后，轴又开始摩擦力，我们就可以断定，这个问题是由于汽轮机的轴
金属零件的热弯或严重的磨损，从而造成了机械的变形。

在起动、停机时，应注
意到轴的摩擦力问题，并尽可能地及早地进行故障诊断和分析。

由于金属件的冲
击磨损比起动时的转子热弯的变化速率要小，所以对机械的冲击磨损进行适时的
维修也能得到有效的控制。

当金属的变形增大时，当转子的速度超过临界速度时，其振动幅度会变大，从而使其失控。

(2)在工作转速下，转轴的摩擦力。

在工作速度条件下，有很多轴摩擦力可
以判断和分析。

从总体上看，其特征主要表现在：①基频成分的起伏和突然变化；
②振幅不稳定；③一次临界速度时，透平机组的振动特征不明显；④在运行过程中，初始振幅增大，而在最大幅度附近则逐渐增大。

通过以上分析，可以判断出
工作转速下的轴摩擦力是否为振动故障。

4.3机组稳定性差
机组的振动不稳定，时大时小，常出现25 Hz的频率分频振动，对机组的安
全运行构成了极大的威胁。

25 Hz的低频振动是由于油膜的刚性非线性改变而产
生的自激振。

在运转过程中，由于转子的质量不均衡，导致了轴系转子的轴颈在
工作过程中的扰动加剧，从而导致了直线边的油膜刚性和在关键部位的支承稳定性。

油膜在某些操作条件改变或受到外界干扰的情况下，会对其造成损伤，使其
发生非线性的变化，进而引起自激振动。

这种震动是一种潜在的危险，若不加以
处理，将会引起大范围的意外。

同时，由于轴承的径向刚度在一定程度上降低，
从而使油膜的刚性发生了非线性的改变。

4.4其他导致振动故障的原因
汽轮机振动故障是由基础台盘接触不良、润滑油不足或质量低劣、轴承工作
特性不良等多种因素引起的。

在使用之前，若对其进行诊断与分析无法做出准确
的判断，则需采用专业的振动分析仪器及软件，以确定该装置是否仅有上述原因，并不能使其发生故障。

5.结语
汽轮机是一个重要的装置，如果机组因轴系高振动导致机组停运，将会给公
司带来很大的经济损伤和不良的社会影响。

但是，传统的高振动分析方法，仅能
从汽轮自身的力学角度得到可能的结论，而且必须通过揭开汽轮机大缸才能证实，机组停运检修时间长，检修成本高。

通过对汽轮机故障的分析，可以对汽轮机设
备的故障进行正确的诊断，对其进行维修、管理，了解其历史频谱和恶化状况，
从而有效地预防其损伤，延长汽轮机的使用寿命，从而提高汽轮机的工作可靠性，在有限的使用寿命中创造出最大的效益。

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