汽轮发电机组转子不对中振动特性分析与诊断

汽轮发电机组转子不对中振动特性分析与诊断 国内图书分类号:,,,,, 学校代码:,,,,,国际图书分类号:,,,(, 密级:公开 硕士学位 汽轮发电机组转子不对中振动特性分析与诊 断 ? ,,,,,,,,,, ，,,,,:,,,,, ,(,(,:,,,(, ,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,;, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,—,,,,,,,,,(,,,,,,,,,: ,,,, ,,,,,,,,,,,,,: ,,,,(,,,, ,,, ,,,,(,, ,,, ,,,,,;,,,,: ,;,,,, ,, ,,,,,,，,,,,, ,,, ,,;,,,,;,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,;,: ,,,;,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—，,,,,,,,,,,: ,,,,, ,,,,, ,,,;,,,; ,,,,, ,,,,,,,,,, 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《汽轮发电机组转子不对中振动特性分析与诊断》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名:?壬磊 日期:加”年;月,争日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《汽轮发电机组转子不对中振动特性分析与诊断》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于(请在以上相应方框内打“?”): 保密口，在 年解密后适用本授权书 不保密眇 目期:,，,,,年弓月，徊 日期:勋，，年罗月嘶 华北电力大学硕十学位论文 摘 要 转子不对中是汽轮发电机组轴系在启机和运行中典型故障之一，联轴器不对中和轴承不对中是不对中的两种形式。为了确保机组的安全稳定运行，本文以汽轮发电机组轴系为对象，研究了转子不对中的振动特性和诊断方法。 本文对目前机组普遍使用的的齿式联轴器和刚性联轴器联接的轴承一转子系统在不对中状况下的振动机理进行了研究，分析了相应的振动特性。研究了不对中转子的运动规律，建立了转子不对中的数学模型，推导了不对中转子的动力学方程。从而得出了故障的典型特征。 对大量的现场汽轮发电机组转子不对中案例进行了分析，将转子不对中按照故障形式、产生原因、发生部位进行了分类分析。进一步分析了故障发生时对机组安全性、经济性和可靠性的影响。采用,,,研究方法对故障产生的原因和对应的处理措施进行了详细的论述，得出了每种不对中形式的,,,故障原因查找图。利用故障典型的监测参数、故障特征、产生原因等相结合的方法对联轴器不对中和轴承不对中进行了故障诊断的研究，制定了诊断方法和流程。最后利用该诊断方法对现场振动事故进行了诊断，得出了准确的结果，并给出了相应的处理措施和指导意见。该方法对于汽轮发电机组转子不对中的诊断和处理具有重要的指导意义。关键词:汽轮发电机组;联轴器不对中; 轴承不对中;故障征兆;故障诊断 华北电力大学硕:,学位论文 ,,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,, ,,, ,,,, ;,,,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,(,,,,, ,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,, ,, ;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,(，, ,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,，,,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,,,,，,,, ,,,,, ,,,,,,;,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,( ,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,;,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,, ,,,, ;,,,, ,,, ,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,, ;,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,,,;,, ,,,,,,,,,; ,？,,,,,, ,, ？,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,;,,,,，,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,, ？,,,,,,,;,,,,, ,, ,,,,,,,,,(,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,，,,, ,,,,, ,,,,,,;,,, ,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,，,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,;,, ,,,,,,;, ,？,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,, ;,,;,,,,, ,,,,,,,;,, ;,,,,;,,, ,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,( ,,,,, ,, , ,,,,, ,,,,,, ,, ;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,, ;,,,,，,,, ,,,,, ;,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,;;,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,，,,,,, ;,,,,, ,,, ,,;,,,,,(,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,;,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,;, ,, ,,;,,,,, ,,, ,;,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,, ,,,,, ,;;,,,,,(,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,;;,,,,, ,,, ,,, ;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,(,;;,,,,,, ,, ,,, ,,,,;,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,，,,,,, ,,,,,,,，,,,,, ,,,,,,, ,,, ,, ,, ,, ,,, ,,,,，,,, ,,,,, ,,,,,;,,,,,, ,,,, , ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, , ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,; ,,,;,,,,,, ,,,,,,;,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,(,,,,,,,，,,,,, ,, ,;,,,, ;,,,，,,, ,,,,,, ,,;;,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,,,,, ,,,, ,,,,,,(,,, ,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,;,, ,,,,,,;, ?幔睿?,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,, ;,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,(,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,;;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,, ,,,,,,,,, ? 华北电力大学硕士学位论文 目 录摘 要…((…(…………………(…(……((…(……(…(……… ……………(…………(…………，,,,,,,;一(…………( ,((……………(………(……(…((…(………(……(………(………(((…(………………(………(……((，，第,章绪论…………………………一………………。………………………………, ,(,课题研究的目的及意义……………………………………………………………, ,(,国内外研究现状及 ,(,(,转子不对中发展动态分析…………………………………………………, 与机组中心不正…………………………………………………, ,(,(,国外研究现状…………………………………………………………………, ,(,(,国内研究现状…………………………………………………………………, ,(,存在问题和发展动态分析…………………………………………………………, ,(,本论文完成的主要工作……………………………………………………………,第,章转子不对中振动特性分析………………………………………………………, ,(,联轴器不对中振动特性分析………………………………………………………, ,(,(,齿式联轴器振动特性分 析……………………………………………………(, ,(,(,刚性联轴器振动特性分析……………………………………………………,, ,(,轴承不对中振动特性分析………………………………………………………(,, ,(,(,轴承不对中振动机理………………………………………………………((,, ,(,(,轴承不对中振动特性分析…………………………………………………(,,, ,(,本章小结…………………………………………………………………………(,,第,章转子不对中原因和影响分析…………………………………………………(,, ,(,联轴器不对中原因和影响分析…………………………………………………(,, ,(,(,平行不对中原 因……………………………………………………………((,, ,(,(,平行不对中影响……………………………………………………………((,, ,(,(,平行不对中处理……………………………………………………………一,, ,(,(,偏角不对中原因………………………………………………………………,, ,(,(,偏角不对中影 响……………………………………………………………((,, ,(,(,偏角不对中处理………………………………………………………………,, ,(,(,综合不对中原因……………………………………………………………一,, ,(,(,综合不对中影响……………………………………………………………((,, ,(,(,综合不对中处理措 施………………………………………………………((, , ,(,轴承不对中原因和影响分析…………………………………………………? 常?,(,(,轴承不对中原因………………………………………………………………,, ,,, 华北电力大学硕士学位论文 ,(,(,轴承不对中影 响……………………………………………………………((,, ,(,(,轴承不对中处理………………………………………………………………,, ,(,本章小结…………………………………………………………………………(,,第,章转子不对中,,,研究…………………………………………………………(,, ,(,转子不对中案例分析……………………………………………………………,, ,(,(,联轴器不对中发生时间分 析………………………………………………((,, ,(,(,转子不对中发生部位分析……………………………………………………,, ,(,(,转子不对中故障原因统计…………………………………………………。,, ,(,联轴器不对中 ,(,(,平行,,,研究…………………………………………………………,, 不对中,,,分析………………………………………………………(,, ,(,(,偏角不对中,,,分析………………………………………………………(,, ,(,(,综合不对中,,,分 析………………………………………………………(,, ,(,轴承不对中,,,研究……………………………………………………………,, ,(,(,轴承不对中故障原因…………………………………………………………,, ,(,(,轴承不对中,,,分析………………………………………………………(,, ,(,本章小结…………………………………………………………………………(,,第,章转子不对中监测与诊断………………………………………………………一,, ,(,联轴器不对中监测与诊断………………………………………………………(,, ,(,(,诊断所需监测参 数…………………………………………………………((,, ,(,(,平行不对中的诊断……………………………………………………………,, ,(,(,偏角不对中的诊断…………………………………………………………(,, ,(,(,综合不对中的诊断…………………………………………………………(,, ,(,轴承不对中的监测与诊断………………………………………………………(,, ,(,(,诊断所需监测参数……………………………………………………………,, ,(,(,轴承不对中的诊 断…………………………………………………………。,, ,(,(,轴承不对中案例分析………………………………………………………(,, ,(,本章小结…………………………………………………………………………,,第,章结论和展望………………………………………………………………………,, ,(,结 论…………………………………………………………………………………………………………,, ,(,后续工作展 望………………………………………………………………………,,参考文献…………………………………………………………………………………,,攻读硕士学位期间发表的论文和参加科?星榭觥 罚钢?谢………………………………………………………………………………………………………………(,, ，, 华北电力大学硕士学位论文 第,章绪论,(,课题研究的目的及意义 日前，从中国电力企业联合会获悉，我国电力工业持续向好态势发展，全国发电装机容量接近,亿千瓦。预计,,, ,年底，电力装机容量将达,(,亿千瓦。中国电力迅猛发展，大量,,,,,和,,,,,机组相继投产，百万千瓦级的发电机组越来越多。 随着工业的快速发展和激烈的市场竞争形势，机组轴系结构越来越复杂，蒸汽压力和温度越来越高，因此设备会出现各种故障和事故的发生，影响机组的安全运行【,】。汽轮发电机组作为电力行业关键性设备其安全、可靠、连续运行至关重要。因此，发电机组故障的早期诊断与排除显得非常重要【,】。 汽轮发电机组的振动故障中，转子不对中是最常见的故障之一。据相关资料介绍，所监测的振动故障中,,,左右是由转子不对中引起或与之相关【,】。所以，研究不对中转子引起的轴系振动具有重要的现实意义。其中联轴器不对中和轴承不对中是导致转子不对中的重要原因【,,。 由于机组的安装误差、沉降不均匀、缸体变形、热膨胀不均等都会造成转子不对中故障【,】。尽管产生不对中的原因很多，最根本的原因是轴系中心的不一致造成的，使机组在启机或工作状态时各转子轴线之间产生中心对中偏移。相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜和偏移，这种对中变化的误差，称为转子不对中。转子系统出现不对中后，在其运动过程中将产生不利于设备正常运行的动态效应，引起设备的振动、联轴器偏转、轴承的磨损和油膜失稳、轴挠曲变形等，危害极大。转子系统的不对中故障进行处理和防治，对于汽轮发电机组的安全运行具有重要意义扣】。 转子不对中是研究汽轮发电机组振动故障问题的热点，研究集中在不对中转子模型的建立，转子振动特性分析，诊断方法及处理上。由于其复杂性目前还没有一套分析不对中故障的知识体系，没有系统的诊断方法。需要进一步的研究，迅速排除机组故障和提高企业的经济效益。 联轴器加工安装误差、转子变形、轴承不同心以及机座标高偏差等因素会使联轴器存在,种不对中类型，即平行不对中、偏角不对中和综合不对中【,,,。轴承不对中使轴承的油膜压力偏离,,常值，联轴器两端轴承振动较大，轴心位置不稳定，振动频谱中表现为倍频分量较大。汽轮发电机组的转予系统日趋大 华北电力大学硕士学位论文型、复杂、重载，而转子与静子之间的间隙相对缩小，不对中所引起的振动也就更加严重【,】。要求对转子不对中振动机理和征兆进行深入的研究，找到分析转子不对中的有效途径和解决。对提高转子系统运行稳定性、提高旋转机械故障诊断的准确性，以及系统的动力学设计，振动的主动控制等【,,。 随着电站机组故障诊断和状态监测向智能化发展，国内的大机组都配有,,，和,,,系统，保证了机组的安全运行并对故障设备进行报警提示。能够提供各轴瓦处的轴振量和瓦振量以及故障情况下的频谱图、轴心轨迹图，还有启停机状态下的波特图和级联图，对机组的启停机和运行状况下实时监测。这些信号并不能作为故障诊断的全部信息，还需现场经验和将这些故障征兆进行人工的识别处理，只有人工和智能 诊断相结合，才能比较准确地确定故障模式，找出故障原因，提出解决措施。 为了对汽轮发电机组转子不对中故障进行更加有效、更加准确地诊断，本文对转子不对中的振动机理、振动特性和征兆、故障原因、处理措施等进行了研究，并在实践中得以运用。,(,国内外研究现状及发展动态分析,(,(,转子不对中与机组中心不正 „ 机组中心不正或转子中心不正，一直作为引起机组轴系振动重要的故障之一。,,世纪,,年代中期引入外来语“不对中”，由英文,,,,,,,,,,,,直译而来，它的含义普遍理解为与机组中心不正等同，实际上和它的本意有一定的出入【, ,,。,(,(,(,机组中心不正 准确的机组中心，应包括以下三项内容:?转子与静子的同心度;?转子轴系联接同心度和平直度;?轴承座标高和左右水平位置。其中?、?两项是在联轴器断开的情况下中心的找正。轴系连接同心度和平直度是联轴器拧紧所检测的结果，这才是转子连接中心状态，发电机组在一般检修找正时是不能改变轴系连接同心度和平直度的【,,,。轴系连接同心度是由联轴器止口或联轴器螺栓节圆是否同心或联轴器节圆是否与轴颈同心所决定的，同时轴系连接平直度由联轴器的端面与轴系轴线是否垂直决定【, ,。。,(,(,(,转子不对中 转子不对中的实际含义应该撸轴系连接同心度和平直度偏差故障，并不全是指机组检修中转子找正时呈现的圆周差和联轴器上下、左右开口的偏差。这 , 华北电力大学硕十学位论文种偏差影响轴瓦载荷和轴颈在轴瓦内的位置，间接引起普通强迫振动的激振力。所以，一般机组检修中的转子找正，并不是单纯的找轴系的中心，而是使各轴瓦的载荷平均分配的中心【,”。,(,(,国外研究现状 国际在振动阈值规定方面国内的比国内的普遍偏小。一方面说明国外先进的制造业远远高于中国，另一方面说明国外在振动方面的研究领先于国内水平，在转子不对中方面的研究也比较多。 ,,,,,,,,〔,,】等人对,,,,联轴器研究发现当联接两轴存在不对中偏差时，进行运动学分析可知联轴器不对中存在明显的二倍频振动特性;,,,,,,〔,,〕通过试验的方法得出结论:随着角度不对中偏差量的增加，会引起二倍频谐波分量振动响应;,,,,,〔,,】假设联轴器不对中所受力和偏移量，计算了轴系转子在该联轴器偏差量下的频率响应。 上述三人研究了转子不对中的频率特征，其中得出最重要的一条，联轴器不对中存在二倍频振动分量，计算出了联轴器不对中的频率响应，得到了转子不对中故障的主要故障特征。 ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,〔,,】对一个存在不对中的柔性盘联轴器进行研究，得出联轴器角度不对中会引起二倍和四倍频的增大，丰富了不对中故障的振动特征，推动了研究的进展。随着研究的深入，转子不对中故障的频谱分析中还有可能存在更高频率振动分量【, ,,。,，—,,,,,,,〔,,】采用了拉格朗日方法分析了一个刚性联轴器连接的两个,,,,,;,,,转子系统在不对中状况下的动力学特性，并且对运动学公式无量纲化。 ,,,,,, ,,, ,,,,,,〔,,】研究了在轴系上不同的位置处的联轴器振动响应。,,,,,,,,,运用有限元方法分析了一个转子一不对中联轴器一轴承系?车乃蔡 煊Γ 峭 狈治隽俗 恿盐坪土 崞鞯不对中故障相耦合的情况，转子不对中的效应由作用于联轴器上的作用力直接来描述，不用考虑两个转子之间的位移关系。 研究者注重不对中故障本身的研究，研究振动特征，尤其是频谱分析，而对引起故障原因却没有过多的涉及。为了使得不对中故障的研究形成体系，在继承前人的基础上，有所推进，有所创新，在研究故障特征的基础上，把故 障查找、处理措施完善，只有这样，才能对现场运行起到实际的效果。,(,(,国内研究现状 。?? ? 国内汽轮发电机组振动的研究较晚， 着重对质量不平衡、动静碰摩、转子 华北电力大学硕:,学位论文热弯曲等常见的几大类故障的研究。这些故障发生频率较高，相对比较成熟，而对转子不对中故障的研究就比较晚，仅仅有,,多年的时间，且好多研究者无法区分机组中心不正和转子不对中。 国内汽轮发电机组振动监测与故障诊断理论和技术是在近,,年中得到了快速发展。国内在大机组振动及状态监测、分析、故障诊断与处理等方面取得一定的成果，为电力的安全生产和保障设备安全运行提供了重要的技术支持。但是，现今的状况仍不能满足实际需要，振动仍是当前影响大型机组运行的关键技术之一。 、 转子不对中故障是国内发电机组经常发生的振动故障之一。不对中严格意义上指轴系连接同心度和平直度偏差，这种偏差不仅影响轴瓦载荷分配和轴颈在轴瓦内的位置，而且还引起轴系振动的激振力。所在，在轴系找中心时，既要使得轴系中心位于一条光滑的线上，还要使得轴系载荷正确的分配到各个轴瓦上。 王延博【,,】根据汽轮发电机组转子故障诊断的实验研究证实了转子不对中故障振动响应的主要成分为,,分量;当不对中偏差量较为严重时，可能出现,,分量及更高频率成分。对于刚性联轴器连接的轴系发生不对中故障，个别状况下是可以通过动平衡减小轴系振动。对于柔性联轴器连接的轴系不对中故障，采用动平衡方法缓解振动的方法有可能使振动状态恶化。 张锁怀等人【,,】研究者在具有转子不对中和质量不平衡相耦合的齿轮一转子一轴承系统试验台上，通过改变转子系统的转速、速比和齿轮在轴系的位置，进行了动力学试验研究。试验验证了当系统存在转子不对中故障时，由于齿轮的耦合效应，在单转子轴承系统的响应中和整个系统振动响应中，都将含有倍频或者以上的振动分量。 韩捷等人【,,】对齿式联轴器连接的转子系统不对中状况下进行了运动学分析得出:由轴系不对中现象引起的转子激励力大小随转速的升高而逐渐升高。高速旋转机械.