汽轮机转子质量不平衡故障诊断与分析

汽轮机转子质量不平衡故障诊断与分析

柳国斌

新疆中泰矿冶有限公司热电厂  新疆阜康市  831500

摘要：现如今，汽轮机的应用十分广泛，汽轮机转子轴向推力是否平衡对汽轮机运行安全有着至关重要的影响，合理的转子轴向推力平衡方法是汽轮机设计成败的关键。本文首先分析汽轮机转子故障类型，其次探讨汽轮机转子质量不平衡故障诊断措施，从而实现汽轮机转子端到端的智能故障诊断，具有准确率高、鲁棒性强的特点。

关键词：汽轮机；转子不平衡；故障诊断

引言

采用传统的机器学习方法虽然可以进行自动故障检测，但是关键的特征提取工作仍然需要依靠人力，特征提取的好坏将直接影响到诊断结果。深度学习作为机器学习的一个子领域，由于其可以自动提取信号特征，从而把人类从特征提取工作中解放出来，受到了越来越多专家学者的青睐，并有学者将其应用到了旋转机械的智能故障诊断方面。

1汽轮机转子故障类型

1.1转子不平衡故障

转子不平衡故障是所有旋转机械故障中最典型的故障之一。所谓转子不平衡是指转子在高速旋转过程中受到离心力的刺激，产生强烈振动而影响转子的平衡运转。根据形成的原因不同可以分为质量不平衡、热不平衡、转子热弯曲、部件脱落以及部件结垢等。当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下，振动的主要特征有：(1)振动信号的原始时间波形为正弦波；(2)频谱图中，基频成分占的比例很大，其他倍频成分所占比例很小；(3)在升降速过程中，当n＜ns时振幅随n上升而上升，两轴承的受力方向基本相同；当n＞ns时振幅随n上升而减小，并逐渐趋于一个较小的定值；(4)振动方向以径向为主；(5)振动相位保持一定的角度。

1.2纯凝机组由于推力变化不大

采用设置平衡活塞和叶轮上开平衡孔的方式一般都可以满足设计要求。但对于带可调抽汽的凝汽式机组，纯凝工况下一般设置一定正推力满足设计要求，在抽汽流量大的可调抽汽工况下汽轮机转子推力将急剧下降。

1.3挠性转子振动理论基础

汽轮机转子为挠性转子，质量不平衡会引起很大的基频振动：当转子转速一定时，振幅和相位（简称幅相）通常是稳定的；当转子转速超过临界转速时，由于共振，会使振幅显著增大；当转速超过临界转速后，振幅会很快回落。

2汽轮机转子质量不平衡故障诊断措施

2.1测试准备工作

实际情况中转子轴上的振动比轴承座及基座更为剧烈，然而汽轮机转子转速较高，为了便于传感器的布置及安装，因此将传感器安装于轴承座上。测试点：在振动测试中，其测试点测试方向一般分为x径向水平、y径向垂直和z轴向三种。由于转子不平衡振动方向以径向为主，本次测试只需要在x径向水平和y径向垂直方向布置测点，且测点要尽可能地靠近轴承的承载区。传感器：由于电涡流位移传感器结构简单、无须与被测物体接触且能连续测量、灵敏度较高、适用性强，因此选用该种传感器测量转子轴振动。

2.2构建高精度转子-轴承系统有限元模型

在仿真中利用有限元技术建立转子-轴承系统的动力学模型，同时为了使建立的模型能更符合实际，减小有限元模型仿真振动信号与实际模型测量振动信号之间的差异，通过修正模型关键参数，使得两者之间更加吻合。修正后的高精度转子-轴承系统有限元模型可以用来计算仿真振动信号。

2.3新的推力平衡方法及优势

从转子轴向推力的组成部分着手，汽封和动叶推力受限于汽轮机各级压力分布已无进一步下降空间；叶轮推力通过设置叶轮平衡孔来降低叶轮推力；非通流级凸肩推力是通过设置前汽封平衡活塞段来调整转子轴向推力，其前汽封平衡活塞后的蒸汽一般引到汽轮机压力较低的压力级后，因为引到汽轮机压力较高的压力级后会导致前汽封凸肩推力增加使转子轴向推力增加，此时需要较大的平衡活塞直径产生负推力来抵消，但平衡活塞直径是受限的（受叶轮平衡孔位置及叶轮直径、压力径向汽封较高等限制）。汽轮机各压力级的压力随负荷（流经本级）变化而变化，当汽轮机在可调抽汽工况下，抽汽后压力级压力下降，使前汽封平衡活塞段压力下降，轴向推力减小时，可通过寻找一种新的方法改变前汽封平衡活塞段压力的变化趋势，保证前汽封平衡活塞段压力，使轴向推力不出现大幅下降。本方法通过在汽轮机前汽封平衡活塞后设置电动调节阀，以反映汽轮机内部流量变化的压力级后的压力作为反馈信号，按一定规律设定电动调节阀前压力（当平衡活塞接入汽轮机内部的压力点压力下降时，提高电动调节阀前压力；当汽轮机调节级后压力升高时，提高电动调节阀前压力。以上措施可使汽轮机负推力大幅减少。反之亦然。）。汽轮机运行中根据控制逻辑自动改变此电动调节阀的开度，使汽轮机平衡活塞段压力根据需要进行设置，而不是被动取决于汽轮机工况变化。

2.4实验修正模型关键参数

基于数值模拟的汽轮机转子故障智能检测方法的核心是要建立高精度转子-轴承系统有限元模型。由于现实中转子因加工误差以及长期处于运行状况会产生一定磨损，不可能实现完全平衡，转子存在一定的偏心，偏心载荷将对转子的振动产生较大的影响，为了得到高精度的转子有限元模型，需要对转子偏心载荷进行修正。设定综合偏心距，通过比较仿真振动曲线与实测转子振动曲线，不断修正偏心距，直至两者能够基本吻合。

2.5方法对比

将所提优化生成对抗模型与其他 3 类流行的异常检测算法进行对比，以显示所提方法的优越性:1)支持向量数据描述模型(support vector data descrip-tion，SVDD):经典的异常检测模型，将 16 类时域与频域特征指标作为模型的输入。2)LSTM-VAE:利用 LSTM 网络层替换传统 VAE 模型中的对应网络层。3)DCGAN:该模型同样由生成器及判别器组成。需要注意的是，生成器中的编码-解码架构由卷积层及转置卷积层构成。同理，这3类方法在训练过程中只对正常数据的特征表示进行学习，并分别进行了30 次独立重复实验，将结果的平均值作为最终对比依据。可以发现，所提优化生成对抗模型在几乎所有指标上均达到了更理想的状态。虽然对于不平衡数据集一而言，其 Precision 指标不是最佳，但其接近最优值，并且整体异常检测效果是最好的。因此所提模型具备更强的泛化能力，能够更理想地实现在高温等复杂环境下的异常状态检测。充分利用了生成网络的重构特性，能够较为理想地提取数据特征，提升模型对异常信息的敏感性。因此，所提优化生成对抗模型效果更佳，具备更出色的异常检测能力。

结语

综上所述，本文针对汽轮机转子质量不平衡,提出了基于数值模拟生成故障数据并进行智能故障诊断的方法，构建良好的有限元模型可以模拟大量故障样本，特别是那些不容易获取的信号。有限元模拟可以灵活制作故障样本，从而补充复杂机械系统的测量样本，扩充故障类型。从前汽封平衡活塞段压力着手，根据汽轮机内部流量与压力的关系，探索出一套根据需要调整前汽封平衡活塞段压力的方法，以达到缩小汽轮机轴向推力变化范围的目的。

参考文献

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