淺談汽輪機故障診斷分析方法

吳闖

摘 要：汽輪機發生故障停修，會產生非常嚴重的經濟損失，所以汽輪機故障問題一直受到人們重視。本文結合汽輪機的機械結構以及運行工作原理，分析汽輪機的故障類型以及問題的發生原因，提出多種診斷方法，以供相關工作及研究人員參考。

關鍵詞：汽輪機；故障；診斷

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

汽輪機，是一種能量轉換的動力機械，它將蒸汽的能量轉換為旋轉的機械能。轉動部分和靜止部分組成汽輪機結構，轉動部分包括葉片、聯軸器、主軸及裝在軸上的其他零件；靜止部分包括隔板、氣缸、汽封、進汽部分等。

1 汽輪機的典型故障

1.1 轉子不平衡故障

轉子的不平衡故障是汽輪機常見的振動故障之一。不平衡振動是因為慣性離心力發生的，徑向振動較大。根據發生原因，可分為：原始不平衡、漸發性不平衡和突發性不平衡。原始不平衡是由于制造或者更換轉動零部件引起的。其振動特征比較穩定，振幅和相位變化小。漸發性不平衡主要因為轉子熱彎曲發生的，其振動是動態變化的。突發性不平衡是由于轉子運動過程中，其轉動零件脫落，或者聯接零件發生松動。

1.2 轉子不對中故障

不對中是指相鄰轉子的軸線和軸承中心線存在偏移。汽輪機為多轉子設備，各轉子是由聯軸器連接的，由于安裝或者使用原因，會出機殼變形、軸承座變形，進而產生轉子不對中故障。軸系不對中，又可細分為：角度不對中、平行不對中和綜合不對中。

1.3 動靜碰磨故障

動靜碰磨是指零件間隙過小是，動靜零部件接觸，然后再彈開，這樣改變零部件的動態剛度。碰磨使轉子的振動情況變的復雜，嚴重的碰磨可導致軸系永久彎曲。

1.4 油膜振蕩

軸系在高速轉動時，滑動軸承和軸徑之間的油膜壓力是動態變化的，這樣可以保證轉子的軸心圍繞某個平衡點旋轉。當油膜渦動頻率接近轉子的臨界頻率，轉子會產生激烈振動，這個情況叫油膜振蕩。

1.5 轉軸彎曲

轉軸彎曲，分為永久性彎曲和暫時彎曲兩種。永久性彎曲是指轉軸出現彎曲，且不能恢復。暫時性彎曲是可以恢復的。轉軸的永久性彎曲發生原因，一般是由設計制造，運營維護不當引起的。預負載過大、轉軸熱變形不均勻或者暖機不充分可能造成暫時性彎曲。

1.6 轉子裂紋

在變負載工況下，由于轉軸在制造過程中形成的缺陷：如氣孔、沙眼、刀痕等，受到交變的機械應力和熱應力的聯合作用，產生應力集中，出現了裂紋。裂紋如不及時的處理，會發展成為斷裂，導致嚴重事故。

針對上述故障，如果及時掌握早期征兆，采取相應的措施，處理故障，將會避免或減少重大事故的發生。所以故障診斷技術是非常重要的。

2 汽輪機故障信號提取方法

因為汽輪機故障是由于振動過大造成的，所以故障診斷技術主要就是振動分析和油液分析這兩大類。診斷技術的實現，主要包括三個方面：一是信號的采集，為故障分析診斷提供基礎；二是信號處理，對雜亂的信號進行處理，得到對診斷工作有價值的信息；三是通過信息，對汽輪機的狀態進行分析、判斷和預報。

故障信息提取是故障診斷的關鍵技術之一，故障信息提取的準確性、完備性，對故障診斷結論的準確性影響很大。

（1）時域分析法。物理量隨時間變化的函數關系，如果以圖形的形式來表達這樣關系，就是信號的時域波形。分析物理量和時間的關系，稱為時域分析，時域波形、軸心軌跡、相關分析等式常用的時域分析。汽輪機轉子不平衡、轉子不對中等常見故障，可通過時域波形做出預判斷。

（2）頻域分析。頻域分析，是把時域內的信號，通過傅里葉變換，讓其在頻域內顯示出來。頻域分析是為了將復雜的信號，分解成多個信號。頻域分析是信號分析的常用方法，在故障診斷領域應用非常廣泛。頻域分析將振幅和頻率建立了函數關系，一些故障特征可以在頻域內形象的展現。工程中使用頻率很高的頻域分析方法是幅值譜和功率譜。幅值譜是表示振動幅值和頻率分量的函數，橫坐標是頻率分量，縱坐標是振動幅值。功率譜是各頻率成分和振動功率的函數。通過頻率和能量的關系，可以對故障進行判斷。

（3）時頻分析。時頻分析是指對信號同時進行時域分析和頻域分析的統稱。這是一個非傳統的方法，在一個函數內描述時間、頻率、幅值的關系。信號處理領域，常用的時頻分析是小波分析。按照處理信號的類型來分，小波分析分為三種：小波包分解、離散小波、連續小波。

3 結束語

我國汽輪機故障診斷技術發展經歷很長的發展期，由于技術落后，起步晚，和發達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新的診斷技術，積極學習國外先進技術，全面提高我國汽輪機診斷方法，以減少汽輪機故障對經濟發展的影響。