【doc】大型水轮发电机组轴系统临界转速模拟试验研究

【doc】大型水轮发电机组轴系统临界转速模拟试验研究 大型水轮发电机组轴系统临界转速模拟试 验研究 第21卷第l期阮跃:基于模型推理的复合故障诊断 在具有空间承接因果关系的复合故障中,高层故 障是由低层的一个或多个故障引起的.在诊断出低层 的所有故障并消除后,其上层故障也随之消失.这样为 故障诊断和处理提供了可靠的保证. 2.2时间先后的因果模型 故障在时间上具有先后的因果关系是指某故障的 发生导致某一或某些故障的发生,并可进一步导致其 他故障的发生.例如对于国产200Mw机组,高中压 转子不对中使动静问隙和负荷改变,间隙变化可能引 起转子碰摩,汽流切向力的变化和轴承负荷变化可能 使高中压转子失稳引起汽流激振.汽流激振时大的振 幅可能导致转子碰摩,低频分量的存在通过轴系向后 传递,由于6,7号轴承稳定性差,可能引起6,7号轴承 油膜振荡.油膜振荡又进一步导致转子碰摩,如图2所 刀. 图2具有时间先后田果关系的复台故障模型 2Gl皿faultmode[.ftheca峨 andfed.frorder 依据该模 型,当机组发生 这种故障模式 时,如果消除了 转子不对中故 障,也就不会发 生汽流激振,油 膜振荡和转子 碰摩故障.因 此,建立具有时间先后因果关系的复合故障模型,能够 有效的区分故障的因果关系,消除故障的真正原因. 3复合故障的诊断知识表示与推理 3.1空间承接复合故障的诊断知识表示与推理 空间承接的复合故障具有层次性.每一层有若干 个结点,同层结点之间一般是.或"关系,父结点与子结 点之间是"与","或"或者"加权"关系.每一结点都有自 己的知识元,知识元中包含与这个结点有关的所有知 识,包括结点名,父结点名,子结点名,监测信号的种类 和位置,证据模式,索引规则和可信度等.其中证据模 式是建立或否定该结点的依据.一个结点的证据模式 应保证在已知证据存在或不存在的条件下,使结点的 建立或否定具有尽可能大的确定性,同时应能有效地 区别于其他结点的证据模式.索引规则为下一层次的 分解提供引导.可信度是这个结点建立或否定的度量 值,它在求解过程中动态地求出. 空间承接的复合故障的诊断推理是一个基于"假 设一建立"机制的,由高层到低层分类的循环过程..假 设"就是提出可能建立的结点,.建立"就是对这一假设 进行验证,如果这个结点能够建立,则可进一步在这个 结点的子结点中提出新的假设,又进入下一层次的分 类,这一循环直到提不出新的假设或达到了指定的层 次为止.如果一个结点被否定,则这个结点的所有下层 子结点也同时被否定.因此,诊断推理过程是一个结点 被建立或否定的搜索过程,形成一个假设树,可采用宽 度优先或深度优先的搜索方法]. 3.2时间先后复合故障的诊断知识表示与推理 对于具有时间先后因果关系的复合故障,可设 定某个时间间隔阈值,如果故障发生的时间间隔大于 此阈值,则可以认为具有时间先后的因果关系.当然, 在时间上先后发生的故障不一定都具有因果关系,这 需要对故障机理有深入的研究.时问间隔阈值的确定 取决于故障模型,对于不同的复合故障模型,其时问间 隔阈值的设定是不相同的.倒如,由于转子平衡状态逐 渐恶化导致的碰摩可能需要数天或数月的时间,而由 于转子突然失衡(如掉叶片)I起碰摩可能只有数秒 钟.对具有时间先后因果关系的复合故障进行诊断,至 少需要对两组不同时刻的采样数据进行分析,如果根 据前一组数据诊断出设备存在不平衡故障,根据后一 组数据诊断出设备存在碰摩故障,并且两组数据的时 间问隔大于给定的阈值,则可认为是不平衡导致碰 摩.但是,由于数据处理的困难,目前一般是对同一组 数据进行分析,因而不能体现时问先后的概念.在这种 情况下,可以根据故障机理研究,设定复合故障模型中 各种故障发生的次序.这需要对诊断对象的故障特点 有清楚的了解,能够根据设备结构和运行工况把握故 障之间的因果关系,这是建立复合故障模型的困难所 在.例如在图2中,故障发生先后次序只可能是转子不 对中,汽流激振,油膜振荡和转子碰摩,这是由国产 200Mw机组的故障特点决定".只有当四种故障 都存在时(每个故障的可信度都大于某个阈值),该模 型才成立,结论的可信度为1,否则该模型不成立,结 论的可信度为0.当然,如果其中一个或两个故障不存 在(故障的可信度小于某个阈值),该模型不成立,但可 能满足转子不对中和汽流激振,转子不对中和转子碰 摩,油膜振荡和转子碰摩,转子不对中,汽流激振和转 子碰摩等具有时间先后的复合故障模型.因此,复合故 障模型的建立应根据诊断对象的故障机理,考虑到设 备可能存在的各种故障模式.图2复合故障的诊断知 识可表示成如下形式, 模型名称:转子不对中,汽流激振,油膜振荡和转子碰 摩复合故障 监测信号1:振动位移 监测位置1:每个轴承的轴颈处 监测信号?:回油温度 监测位置?:各轴承处 机械强度 证据模式:转子不对中诊断规则,可信度阈值月 汽流激振诊断规则,可信度阈值A2 油膜振荡诊断规则,可信度阈值A3 转子碰摩诊断规则,可信度阈值A4 可信度:根据诊断结果为0或l 这种时间先后复合故障的诊断知识的表示方法决 定了其诊断推理过程.它是对每个复合故障先采用基 于规则的诊断方法,根据诊断规则计算每个故障的可 信度,然后与给定的可信度阈值比较,如果都大于阈 值,则此故障模型成立,可信度为1,否则模型不成立. 因此,它是建立在基于规则推理的基础上,能够利用基 于规则的诊断推理方法比较成熟完善的优势,并可以 根据故障机理的研究,对诊断结果进行综合分析,克服 了将诊断出来的多个故障进行简单排列的弊端. 4诊断示例 对于具有空间承接因果关系的复合故障模型,由 于诊断的层次涉及到子系统和子结构的行为,而子系 和诊断系统相连,因此实现自动的诊断推理比较困难, 目前主要采用对话诊断方式或不予考虑.例如,某台 200Mw机组真空急剧下降,原因是在切换供水管时 大量空气侵入射水泵内,造成泵不打水.开启泵体放空 气门,充分排气后再启动,恢复正常口下面用现场发 生的异常振动说明基于时间先后复合故障模型的诊断 过程.: 某电厂7号机(200MW)在某年11月至12月运 行中,当负荷为200Mw时,各瓦振动以基频和2倍 频为主,其他频率成分很小或没有.当负荷在190Mw 时,出现阵发性振动,除4,5瓦低频分量较小外,机头 和前5瓦出现了22Hz和28Hz左右的低频以及72 Hz,78Hz,l22Hz和128Hz左右的高频成分,机头至 2瓦中的低频大于基频,2瓦高频较多,6,7瓦存在22 Hz左右的低频,当负荷降到l8oMw时,阵发性振动 消失,各瓦振动趋于稳定.揭缸检查发现高压转子磨 损,1,2,3瓦有不同程度的下沉和磨损,2瓦较为严重, 各瓦紧力普遍减小,1,2瓦出现间隙.利用基于规则推 统和子结构安装的传感器较少,并且一般没有与监测理的诊断系统得到的诊断结 果如表1所示 衰1基于规尉推理的诤断结果 TableIRulebasedrq?IIn2dlagn~llcresults 设可信度阈值A.(一1,2,3,4)一0.45,则每个故 障的可信度都大于阈值,图2所示的复合故障模型成 立,结论可信度为1.在采取调整转子的对中状况等措 施后,异常的振动现象消失 5结论 1)根据故障发生在空间和时间上的差别,将复合 故障模型分为空间承接和时间先后的因果模型,克服 了基于规则的诊断推理和基于层次分解模型的诊断推 理的缺陷,较好地解决了复合故障的诊断问. 2)基于因果关系的复合故障模型的诊断推理能够 区分故障之间的因果关系,针对故障的根本原因提出 相应的处理意见,为故障处理提供了有效途径,能够达 到事半功倍的效果. 参考文献 1史铁林,王雪,何涛,柄担子.层欢分类诊断模型.华中理工大学 ,1993,21(1):6,1仉 2DaxdsR.DiagnosticreasoningbasedoNstraetureandbehavior.Ar ti/ieialLntelEgencet1984,24(1):347,410 3MozettcIHierarchicalmodelbaseddiagnosis.1nt.JofManMa chineStuds.1991,35(3):329,362. 4阮肤.国产200Mw机组常见故障的诊断和预防.汽轮机技术, 1997,39(4){200~203. 5朝阳发电厂,西安热工研究所.2O万千瓦汽轮机的运行.北京;水利 电力出版社,1990. 6张辰光,胡昌林,马惠民,张红根.200Mw汽轮发电机组阵发性振 动诊断.河北电力技术,1993.12(3):1,7 《机械强度))1997年被英国科学文摘《sA》收录 据中国科技信息研究所1998年12月完成的,国家科学技术部发展司委托项目一九九七年中国科技论 文统计与分析(年度研究)中第lO0页"附录21997年英国科学文摘《sA》收录的我国科技期刊"的介绍, 英国《sA》共收录我国科技期刊92种,《机械强度》期刊列入其中,被该系统主动选为收录用期刊. (本刊讯) 第21卷第1期 1999年3月 机械强度 JOURNALOFMECHANICALSTRENGTH V01.2lNo.1 March1999 大型水轮发电机组轴系临界转速模拟试验研究—f THEM0IELTESTINGRESEARCH0NTHECRITICALSPEED0FTHE SHAFTSYSTEMINALARGESCALEHYDROGENERATORUNIT 贾武同" (郑州机械研究所先进幸l造技术研究中心,郑州450052) JiaWutong AdvancedManufactureTechn!q"eResearchCenter Zhengzho~R~searchInstituteo}Mecham'calEnneeringZh~ngzhou450052,China ,tl 摘要针对大型水轮发电机组轴系临界转速难以实际测定的现实问题.从理论分析 的角度出发.抓住水力机组轴系 结构的基本特点+提出采用较为简单的模拟结构,试验研究水力机组轴系固有频 率及其振型特征.初步研究结果已在理论 分析和实际机组中得到验证. 关薯词查焦蚩皇虬组婪墨茎堡喧!曼签塑自iL 中宙分类号TB533Till13.1TK730.1 抽, AbstractThispaperisdirectedagainsttherealityproblemthatitisverydifficulttomessurethe criticalspeedofthe shahsysteminalr窟 escalehydrogeneratorunitinoperating.Fromthetheoryanalysispointofview,andpayingspe cial attentiontothemaincharacteristicsoftheshaftsysteminahydr0generatorunit.Amodeltestin gmethodwasusedfor studyingthenaturalfrequencyandthemodeshapeoftheshafts~temonasimplemodellingstr ucture.Boththetheory analysisandthefieldraeasurementshavefullyprovedthattheresultisCOrrect. Key~ordshydrogeaeratortmit,critical8p#ed,naturalfreq~eacy,modeltest l引言 水轮发电机组轴系临界转速是机组设计中必须考 虑的最重要的技术参数之一.基本的设计要求必须保 证临界转速高于飞逸转速25以上.因此,一般情况 下很难从运行信号中取得有关临界转速的可靠信息. 实际上,水电机组的临界转速是不可能在电厂服役的 机组上测到的.然而,为了掌握实际机组运行时偏离共 振点的程度,以证实设计计算结果的准确性,提出了现 场实测机组在运行状态下的轴系固有频率的问题.尽 管"固有频率"与"临界转速"在基本概念上有一定差 别,但由于水轮发电机组特别是大型机组自身的结构 特点,决定了机组轴系的综合支撑刚度髓转速变化不 大,与转速有关的陀螺力矩的影响也很有限,反映在数 值上,固有频率与临界转速相差甚小.例如某240Mw 机组,临界转速计算值为230.9r/rain,而在额定工况 条件下固有频率计算值为226.8r/rain,二者相差不足 1.8.不仅如此,采用固有频率考核机组振动稳定性, 较之临界转速更偏于安全. 从工程应用的角度讲,用固有频率考核水力机组 的振动安全性是完全可以接受的.然而,要在一个实际 运行的大型水轮发电机组上测得其轴系固有频率,依 然是一件很不容易的事情.因为一般水电机组的工作 转速都远低于其轴系固有频率,并且在运行时来自与 转速一致的或相关的机械和水力的不平衡力所导致的 稳态振动信号往往很大,而受随机干扰力作用所产生 的反映固有频率信息的自由振动信号,完全被淹投在 运行工况信号之中.通常情况下,自由振动的微弱信息 是无法从工况信号中分离和识别的.为了有效增强自 由振动信号的幅度,最直接的办法就是对转轴施加激 励,然而对于大型水力机组来说,其转轴系统总质量达 干吨以上,受现场条件和机组安全性的限制,依然不易 得到相对工况信号较为显着的自由振动响应.至于振 型,由于实际机组轴系现场能够安装传感器的空间十 分有限,更是无法准确确定了. 提出模拟试验研究,旨在利用模拟结构便于试验 '19980304收到初稿,19980526收到修改稿.国家自然科学基金委员会,机械部拄术 发展基金委员台联合资助项目(59493700) ?贾武同,男t1957年4月生.议族,高级工程师.研究方向为转子系统动力分析与参 数识别. 机械强度 操作实施的优点,首先在实验室里基本摸清机组轴系 的动态性能特征,辅助考核计算结果,指导真机现场测 试,从而达到准确识别机组轴系固有频率及其振型的 目的. 2基本原理 2.1力学模型 大型水轮发电机组尽管其结构宠大,转轴质量达 千吨以上,但其转轴系统的结构形式并不复杂,属于一 种比较典型的弹性支承双质体弹性轴系统.发电机转 子和水轮机转轮均可作为集中质量处理,大轴的质量 用试验方法确定出其相应的等效质量.这样以来,问题 得以简化,可以用两质体运动方程来描述系统的基本 运动规律. 本试验采用的模拟系统结构的力学模型如图1所 示. 转轮模拟质量mz——转子模拟质量 术导模拟刚度——上导模拟副度 图1模拟系统力学模型 Fig1Themeehan[ca]modelofthemode]Lir~~tructure 2.2特征方程 根据线性振动理论,模拟系统的运动方程可以写 成如下的简单形式 {)一[胡{F)(1) 式中{Y)——m和m.的位移向量 {F)——作用于m和m.的力向量 [胡——m和m处柔度系数构成的二阶柔度 方阵 当系统自由振动时只有惯性力而无任何外力.所 以{F)一卜一m)一{".)(2) 代入式(1)整理得到 ([E]一[胡Emp.]}.{Y)一0(3) 自由振动时{Y)?0,故有 lEEl—E~IEmp.]『一0(4) 由此可得到关于固有频率P的一元二次方程 Ap+Bp+C一0(5) 其中A—m】m2『[胡lB一一(mll+m2?) C一1 2.3等效质量 无论是模拟梁还是实际转轴,它们都属于连续质 量体.尽管其质量相对于集中质量较小,但用上述两质 体系统描述时仍会有一定的误差.因此,有必要用两个 假想的质量m和%:加在原有的集中质量上,以等效 代替连续质量的影响. 通过实测模拟梁的第一阶和第二阶固有频率,通 过式(5)可以建立一个关于系数^,B的二元一次方程 组 I^+Bp{+1=0 【Ap:+Bp;+1=0 解之得[:]一去[二篓]c,BJ?L一J… 式中?一户}一户{ 考虑到式(5)中系数^,B与质量的关系,在柔度 已知的情况下,即可求得模拟梁的等效质量. m一A/ml]{(8) m2满足方程dz+bm2+c:0(9) 其中d一1b=B/~c一^/dl]『 2.4模拟换算 对于等截面梁,根据柔度计算,从理论上可以 证明,各柔度系数之间的相对关系只与长度尺寸有关. 因此,只要模拟梁长度尺寸与实际轴按一定比例对应, 则其柔度矩阵仅相差一个比例系数,当然这一系数与 材料弹性模量及截面尺寸有关.如果支撑刚度也按这 一 比例系数模拟,则总柔度矩阵可满足以下关系 [占]宴一[](1O) 式中——柔度模拟比例系数 同样建立质量模拟关系Em]一[m(11) 式中c——质量模拟比例系数 Ca和C可视具体情况各自取不同的值. 建立了这一模拟关系,结合方程(5)及其系数表达 式,可得到模拟梁和实际轴固有频率之间的换算关系 户寰一户/?c(12) 3试验结果分析 3.1等效质量试验 根据上述模拟原则建立衙支模拟梁系统,模拟对 象为某240Mw机组转轴,长度尺寸比例为 CL一/Lm一13.85 模拟粱尺寸为1480mm×142mm×6mm,质量9.9 kg.对应大轴长度的模拟粱有效长度为1130mm,质 量7.56kg.对应转轮轴向尺寸的模拟梁端部长度为 350mm,质量2.34kg. 在简支条件下,实渊模拟梁的柔度矩阵及两阶固 有频率,实测值为 第2l卷第1期贾武同:大型水轮发电机组轴系临界转速模拟试验研究 柔度矩阵 []e=[一7.0.1370.--.I..4.45.34]×.一5m/N 固有频率Pl一10.2HzP2=22.7Hz 代入式(7),(8),(9),求得模拟梁等效质量 mI一3.190kgm2=5.245kg 减去端部质量,等效质量相对于有效轴段总质量 的比例为 [(m一2.34)/mB]×1O0= [(3.19—2.34)/7.563×100一11.24 (m2/mB)X1O0一 (5.245/7.56)×100一69.38 3.2固有频率试验 在进行固有频率试验时,根据实际轴柔度与模拟 梁柔度之间的比例关系,确定出模拟系统弹性支撑的 柔度为 水导I一4.583X10m/N 上导一7.653X10m/N 此柔度值与实际导轴承柔度相比大1.30668×10倍. 模拟质量取m一11.224-2.34(梁端头)一13.56kg 2—40.7kg 实测的弹性支承模拟系统的总柔度矩阵为 []:=[——16..3.5.84--.1..825.1]×.一5m/N 由以上数据,并计入等效质量,按式(5)计算出模拟系 统固有频率为 P】一2.99HzP2—3.66Hz 实测模拟系统的固有频为 P】一2.9HzPz一3.6Hz 二者相比仅差3.1和1.7,基本吻合. 按前文所述的等效质量比例计入实际轴等效质 量,并根据相关理论计算转轴系统的柔度系数.由于实 际转轴难以完全满足均质等截面的假定条件,因此仅 按进行长度模拟会导致各个质量和柔度系数的相 应比例系数之间有少量偏差.所以在进行模拟换算时, 对各比例系数进行算术平均处理,得到实际轴系与模 拟系统二者质量与柔度的平均比例系数. C一2.1000×10'Ca一1.4949×10一 由此换算出实际轴系的固有频率 户一p,/?C?c一1.7848户 Pl一1.7848X2.9— 5.1759Hz一310.6r/rain P2一1.7848X3.6— 6.4253Hz一385.5r/rain 与专用程序计算值P*=309.5r/min,Pz一 371.2r/min相比,相差仅为0.4和3.9. 由于支撑条件没有模拟磁拉力的负刚度影响,因 此上述固有频率对应于机组空转运行状态.曾试图现 场实涣I机组轴系在运行条件下的动态固有频率,但由 于运行工况信号幅度很大,完全淹没了冲击激振所产 生的冲击响应信息;因此无法用真机动态实涣I数据加 以验证,这主要是因真机激振试验十分困难.所幸的 是,真机静态激振试验取得成功.在机组安装完成之 前,涡壳未充水,导轴承未充油,转轴重量由推力轴承 支承,两导轴承仅安装部分瓦块且处于抱紧状态,在此 状态下,成功实测到转轴自由振动的固有频率为 10.2Hz. 在实验室利用模拟结构模拟这一状态,具体作法 是把转子的模拟质量垫起,同时两导轴承简支实涣I其 固有频率为5.6Hz,换算到实际转轴上应为9.995 Hz,与实测值10.2Hz相比,相差仅为一2,十分吻 合. 另外,用专用程序计算这一状态轴系的固有频率, 导轴承刚度按实涣I固有频率值进行估算取值,若将推 力盘端面固支,计算结果为602.2r/rain(10.04Hz); 若设定推力盘端面无转角,下机架径向刚度按偏于安 全的原则取值与顶盖相同,则计算结果为597.1r/min (9.95Hz).二者与实测值10.2Hz相比,分别相差一 1.6和一2.5;与模拟试验值9.995Hz相比,分别 相差?0.5.由此可见,对于大轴静态固有频率而言, 其模拟试验值,程序计算值和现场实测值三者吻合良 好 4结论 1)利用简单易行的模拟结构试验研究大型水轮发 电机组轴系动态特性是可行的和成功的. 2)通过进一步发展完善模拟系统,全面模拟真机 状态条件,必将取得更加圆满可靠的结果. 3)研究掌握转轴支撑结构动态特性,是水电机组 动力学研究得以有效发展的最关键的先决条件之一. 参考 1郑兆昌主编.机械振动() 204 文献 北京:机械工业出版社,1980.196, 2捌保国,赵玉春.贾武同.水轮发电机组轴系动力特性计算分析与程 序升绍.见t全国转于动力学专业委员会编,全国第三届转于动力 学学术讨论会论文集,山东青岛,1992.138,146.