（流体机械及工程专业论文）水轮机状态监测与故障诊断专家系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f f 近年来，随着大中型水电厂的建设，水轮机的在线故障诊断显得越来越重要， 目莳国内已有个别水电厂安装了状态监测与故障诊断系统，但这些系统还没能实 现真正的在线故障诊断功能，为此作者从事了本文所介绍的水轮机状态监测与故 障诊断专家系统( s t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o rh y d r a u l i c t u r b i n e 以下简称s m f d e s h t ) 的开发研究工作。机组运行时系统处于全面监测 本文首先介绍故障诊断技术的发展概况，论述状态监测与故障诊断的目的和 任务，阐述水电厂开展状态监测的必要性和紧迫性，并简单介绍本文的主要内容 以及专家系统基本概念。然后分析常见的转子故障并对水轮机组水力振动进行深 入研究，找出振动根源，并为减振、消振提供了一些具体措施。 水轮机组状态监测与故障诊断系统包括状态监测子系统和故障诊断子系统两 大部分。本文着重论述了这两个子系统的建造方法及具体设计过程。状态监测是 实现在线故障诊断的基础，在这部分作者主要论述传感器的布局、状态监测参量、 振动信号分析方法及监测系统数据库设计等方面：紧接着建立了故障诊断专家系 统，叙述专家系统六大模块的设计方法，详细阐述知识库的设计思想和实现方法， 包括知识的获取和表示、知识库中规则的数据结构设计、综合数据库的结构设计， 随后作者深入地论述了推理机的设计，如推理方法、推理方向和搜索策略等等。 作者还详细介绍s m f d e s h t 系统六大功能功能及相应的人机界面，并以诊 断实例证明该软件系统的可靠性。最后，对全文进行总结并对水电厂状态监测与 故障诊断的发展作出了预测。 关键词；水轮状态两i故障诊断。专家鬃统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mh a sb e e nu s e di ns o m eh y d r o p o w e r p l a n t s i nf a c t ，t h es y s t e mh a sn o ta c h i e v e di n d e e dr e a l - t i m ea u t o m a t i c f a u l td i a g n o s i s f u n c t i o ny e t s ot h ea u t h o rd e v e l o p e dt h eh y d r o e l e c t r i cu n i t ss t a t em o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m ，w h i c hc a l lo v e r c o m et h i sl i m i t a t i o n i tc a l ld i a g n o s i s t h ef a n i to c c u r r e di nu n i tr u n n i n gp r o c e s si nt i m e s ot h a tt h ea u t o m a t i o no ff a u l t d i a g n o s i sf u n c t i o n i sr e a l i z e d t h e p a p e rf i r s t l yd i s c u s s e sc o n t e n t ，m i s s i o no f f a u l td i a g n o s i sa n d e x p o u n d sw h y s t u d yo n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sf o rh y d r a u l i cp o w e rs t a t i o n ，i n t r o d u c e s r e s e a r c hs i t u a t i o nh o m ea n da b r o a da n do u t l i n e sm a i nw o r ka b o u tt h i st h e s i s t h e nt h ep a p e ra n a l y z e sv i b r a t i o ns o u r c ea n dm e c h a n i s mo ft h ev i b r a t i o no f h y d r o e l e c t r i c u n i t s i n d e t a i l ，i n c l u d i n gh y d r o e l e c t r i c u n i t s l a t e r a l ，v e r t i c a i a n d t e n s i o n a lv i b r a t i o n so fh y d r og e n e r a t o rs h a f ts y s t e m s ，w a t e rp o w e rv i b r a t i o n o f h y d r o e l e c t r i cu n i t sa n ds oo n ，s u m m a r i z e sd i a g n o s i sc h a r a c t e r i s t i c sw h i c h i sb a s i so f d i a g n o s i ss t r a t e g y s t a t e m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o rh y d r a u l i ct u r b i n e i n c l u d e st h em o n i t o r i n gs u b s y s t e ma n dt h ef a u l td i a g n o s i ss u b s y s t e m ，w h i c hc a na l s o b ei n t e g r a t e dc o n v e n i e n t l yi n t ot h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m so ft h es t a t i o n t h e o u t p u tm o n i t o r i n gd a t ao f t h em a c h i n e r ya r et a k e na st h ei n p u ti n t ot h ed i a g n o s i s e x p e r ts y s t e m i nt h i sw a y , 也ew h o l es y s t e mc o m p o s e do ft h e s et w os u b s y s t e m s a c h i e v e st h er e a l t i m ea u t o m a t i ef a u l td i a g n o s i sf u n c t i o n i nt h em o n i t o r i n gs u b s y s t e m ， t h ea u t h o rd i s c u s s e sf o u rp a r t so fm o n i t o r i n gp a r a m e t e r ，s i g n a la n a l y z i n g ，t r a n s d u c e r l a y o u ta n d t h es t r u c t u r eo f m o n i t o r i n gd a t a b a s e i ns u c c e s s i o n ，ae sp r o t o t y p ef o r f a u l t d i a g n o s i ss u b s y s t e m i s d e v e l o p e d ，a n d t h es i x p a r t s o fe x p e r ts y s t e m ，s u c ha s ， k n o w l e d g ea c q u i r e m e n t ，k n o w l e d g eb a s e ，c o n t e x t ，r e a s o n i n gm e c h a n i s m ，e x p l a i n i n g m e c h a n i s ma n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea r ed i s c u s s e d k n o w l e d g eb a s ei s 也eo n e k e r n e lo fe x p e r ts y s t e m ，t h ep a p e rd i s c u s s e si t sd e s i g np r i n c i p l ea n dr e a l i z e dm e t h o d ， i n c l u d i n gk n o w l e d g ea c q u i s i t i o na n dr e p r e s e n t a t i o n ，d a t as t r u c t u r eo fr u l e s ，s t r u c t u r e a n dm a n a g e m e n to fk n o w l e d g eb a s ea n ds oo n a st h eo t h e rk e yo fe x p e r ts y s t e m ， r e a s o n i n gm e c h a n i s ms u c h a sd e s i g nm e t h o d sr e a s o n i n gd i r e c t i o na n dw e r ed i s c u s s e d e x t e n s i v e l y t o o l a s t l y t h ea u t h o rg i v e si n t e r f a c e o fs m f d e s h t - a tt h es a n l et i m eg i v e sa n e x a m p l eo ft h ed i a g n o s i n gar e a l f a u l t t h ea u t h o ra l s o p r e d i c t e dt h ep r o s p e c t i v e d e v e l o p m e n t o f h y d r a u l i ct l l r b i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s k e y w o r d st h y d r a u l i ct u r b i n e ，s t a t em o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，e x p e r ts y s t e m i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1故障诊断技术的发展 1 绪论 故障诊断技术是现代化生产发展的产物。早在6 0 年代末，美国国家宇航局 ( n a s a ) 就创立美国机械故障预防小组m f p g ( m a c h i n e r yf a u l tp r e v e n t i o n g r o u p ) ，英国成立了机械保健中心( u k ，m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n gc e n t e r ) 。 由于现代化大生产的迫切需要，设备故障诊断技术迅猛地发展起来，已成为当今 科技研究的热点之一。其发展过程经历了三个不同阶段，从早期对设备故障的各 种直接检测手段，发展到依靠经验积累的诊断过程，进一步发展到当前基于知识 的智能化故障诊断技术，对应故障诊断技术发展的不同阶段出现了以下三种不同 层次的诊断系统i “。 ( 1 ) 以检测仪表为主体的监视装置 这种装置的主要构成部件是传感器和指示仪表箱，有用于测温度的，但大多 数是用于测振动的。其主要缺点： 1 ) 检测信号是随机的，幅值并不能全面地表达动态过程的特性： 2 ) 机组在强烈振动之前，故障征兆并不明显，有时振幅变化并不大，但机组 确有故障，但检测仪表并未显示出来。而一旦振幅突然变大，则为时已晚，即不 能防止突发性事故； 3 ) 读数式仪表本身并无分析功能，依赖人的经验判断。 ( 2 ) 检测仪表配备软硬件分析装置 这种系统是在第一种装置的改进与补充，具有频谱分析、谱阵图、波特图、 轴心轨迹图等功能，故有助于人们提高诊断的准确性，但也存在以下缺点： 1 ) 分析装置只是一种工具，不能自动诊断，诊断决策仍需要依赖领域专家； 2 ) 不能连续地自动分析，容易丢失故障信息，不能预防突发性故障； 3 ) 大型机械设备的结构复杂，故障与征兆之间并无一一对应地因果关系，难 免有误诊。 f 3 ) 在线监测与故障诊断系统 这种系统主要结构是由传感器、接口装置及计算机组成。其中接口装置具有 电平转换、采样、存储等功能。它可以实时监测和自动诊断，有利于防止突发性 华中科技大学硕士学位论文 故障，是工况监视与故障诊断技术的主要发展领域。但目前的水平主要是计算机 辅助监视与诊断系统，还不能真正达到自动诊断的水平。因此，诊断系统今后发 展方向主要是减少人工干预，提高自动化及自适应能力的多层次的人工智能诊断 系统。 这一系统的主要环节包括：信号的在线监测、信号的特征分析、特征量的选 取、工况状态识别和故障诊断f 2 j ( 见图1 1 ) 。 图1 1 工况状态监潮与故障诊断系统主要环 1 2状态监测与故障诊断的目的、任务 f 1 ) 状态监测与故障诊断的目的 现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，一是设备设计与制造的各 项技术指标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法，要有提高安全性的措施， 这些工作主要由设计、制造厂家来完成；二是设备安装、运行、管理和维修措施 的实施。开展设备状态监铡与故障诊断的意义正是为这些措施的实施提供必要的 技术手段。具体而言，设备状态监测于故障诊断应能够实现如下目的【3 1 1 4 1 1 5 1 ： 1 ) 应能及时正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障， 对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期 把故障损失降低到最低水平。 2 ) 故障设各发挥最大的设计能力，制定合理的检修维护制度，以便在合理的 条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 通过检测监视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合 理制造、正确安装及生产过程提供数据和信息。 总起来说，状态监测于故障诊断既要保证设备的安全可靠运行，又要获得最 大的经济效益和社会效益”6 】【5 ”。 ( 2 ) 状态监测与故障诊断的任务 1 ) 状态监测的任务 状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、 监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状 态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常 状态作出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、 合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。 2 、故障诊断的任务 故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数 以及环境条件，结合该设备的运行历史( 包括运行记录和曾发生过的故障及维修 记录等) ，对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报和分析、判断，确定故 障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提 出控制故障继续发展和消除故障的对策，必要时，可以调整运行参数，最终使设 备复原到正常状态【3 j 。 1 3水电厂开展状态监测的必要性和紧迫性 在水电行业有计划地开展状态监测与诊断工作的必要性和紧迫性主要体现在 以下几个方面： 近年来，水轮机组的设计越来越向高水头、高转速、高效率和大容量的 方向发展，设计实践终趋向使用高强度的材料，构件更加灵活，刚度的减小和机 组尺寸的增加，必然会带来更多的问题。 大型水利枢纽工程的兴建，使得水力发电机组在整个电网中的比重越来 越大，单机容量增加，年平均发电时间延长，检修时间缩短，一旦因事故停机， 造成的经济损失极为严重。 无人值班，少人职守；减人增效，降低维修成本，创一流电站：厂网分 家，竞价上网等一系列符合市场经济规律的现代管理和维修模式的形成和建立， 迫切需要强有力的技术支持手段。状态监测与诊断系统的报警保护，故障判断， 大修评定，优化运行等功能正是针对当前的行业需要给出的技术解决方法。 华中科技大学硕士学位论文 水轮机组在运行中经常由于机械、水力和电力等方面的原因使其结构和 某些部件产生振动。强烈的振动将影响水轮机组的正常运行，并降低机组和一些 零部件的使用寿命。水轮机组的振动机理比较复杂，直观判断和简单的测试，常 常难以找到本质原因：有些故障与运行参数有关，出现的偶然性较大，故障峙征 不易捕捉，难以铲除故障隐患。在线状态监测与诊断系统的使用，可及时记 ! 障信息，分析产生振动的本质原因。 为此，在现有机组运行的基础上，研究实旌设备的实时监测及故障诊断系统， 建立预测维护理论系统与维护实施系统，实现水电厂机组运行设备监测 高效管理，是十分迫切的任务，有着非常重要的意义。 1 4国内外水轮发电机组状态监测与故障诊断系统研究概况 随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展，大型水轮机组在线监测与 故障诊断系统在近1 0 年来获得了日益广泛的开发与应用，世界各国竞相开展研究 工作，不断推出新产品。如德国申克公司的v i b r o c o n t r o l 4 0 0 0 系统。该系统已在 我国水口、沙溪口、天生桥、万家寨和漫湾水电厂应用，但该系统局限于水轮机 组振动信号的测量和分析，不具备诊断功能。加拿大v i b r o s y s t e m 公司的 z o o m 2 0 0 0 ，i s 、a d w e l 公司的p d a 、o e n o u a r d 发电机局放监测传统等。 国内的水电厂在线监测技术发展得比较晚，近几年，随着大中型水电厂的建 设，水电系统的状态检修工作已经越来越受到重视。国家电力公司在1 9 9 9 年科技 发展规划中，已经明确提到有关水轮机组的故障诊断和状态监测技术的发展计划。 有关试点和攻关课题也在筹备安排当中。1 9 9 8 年1 0 月，在甘肃省刘家峡水电厂， 由中国电力企业协会组织召开了“水电机组检修改革工作会议”，通过了我国应该 废除计划检修，尽快实行状态检修的倡议，并提出，加强机组的在线状态监测和 诊断系统的研制。国内水轮机在线监测方面，1 9 9 2 年云峰电厂与华中理工大学合 作研制并安装了振动摆度监测；华中理工大学以叶鲁卿教授为主任的 c m m s i a m s 网络中心研究的i c m m s ( i m e l l i g e n tc o n t r o l - m a i n t e n a n c e m a n a g e m e n t s y s t e m ，智能控制维护管理系统) 系中国欧盟合作项目；清华大学开发的水轮 发电机组运行稳定性跟踪分析系统( p s t a i ) 是对机组振动故障机理研究的基础 上对机组运行状态进行在线监测、报警、分析和诊断。 总之，与国外相比，我国在水电机组的监测及诊断方面的差距是较大的，需 要国家电力部门及各电站加大投资，引进、吸收、消化国外先进技术和设备，并 开发功能完善的国产监测与诊断软件。 华中科技大学硕士学位论文 i 5 全文结构安排 论文以丹江口水电厂2 # 水轮机组为对象，全面论述水轮机组状态监测与故障 诊断系统的设计方法和开发过程。具体内容如下： 第章概述故障诊断技术的发展、状态监测与故障诊断的目的、任务。详细 论述了水电厂开展状态监测的必要性和紧迫性，分析国内外水轮机组在线监测与 故障诊断系统研究概况 第二章讲述专家系统一些基本概念 的六个组成部分以及专家系统工作原理 作好铺挚 介绍专家系统定义、专家系统基本结构 为状态监测与故障诊断专家系统的建立 第三章研究由水流和机组结构原因引起的水力机组振动现象，分析其振动机 理，找到振动根源，并提出了一些减振、消振的具体措施，为建立水轮机组在线 监测与故障诊断系统知识库中的规则提供依据。 第四章讲述系统设计总体原则，开发平台及工具；从整体上设计水轮机状态 监测与故障诊断专家系统，提出了个总体设计方案，并简单介绍了组成系统的 状态监测子系统、故障诊断专家子系统的功能。 第五章详细论述了状态监测子系统、故障诊断专家子系统的建造方法及具体 设计过程。对于状态监测子系统，主要论述传感器的布局、状态监测参量、振动 信号分析方法及监测系统数据库设计等方面：而故障诊断专家系统，则详细阐述 知识库的设计思想和实现方法，包括知识的获取和表示、知识库中的规则的数据 结构设计、综合数据库的结构设计，随后还深入地论述了推理机的设计，如推理 方法、推理方向和搜索策略等等。 第六章从实时监测，信号分析处理，数据查询、故障诊断功能、系统设置和 系统维护六个方面详细的介绍了水轮机状态监测与故障诊断专家系统的各种功能 及相应的人机界面，最后以一个诊断实例来说明该诊断系统的可行性和可靠性。 第七章全文总结和展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 专家系统概述 2 1专家系统基本定义 专家系统( e x p e r ts y s t e m 简称e s ) 是种智能计算机程序，这种计算机程 序使用知识和推理过程，求解那些需要杰出人物的专家知识才能求解的高难度问 题。专家系统本质上是一个计算机程序，它借助人类的知识采取一定的搜索策略 并通过推理的手段去解决某一特定领域的困难问题【6 l 【7 1 f 8 1 。 人类专家之所以成为某一领域中的专家，其关键之处就在于他掌握了该领域 的大量专门知识( e x p e r t i s e ) 。如果计算机能够存储关于某一领域的大量专门知识， 并能有效地利用这些知识去解决问题，那么计算机也能很好地解决领域复杂问题。 专家系统的基本思想概出于此! 因此e s 的整个理论基础可以用英国伟大的哲学 家e b a c o n 的一句名言：“知识就是力量”来概括i s j i 。 2 2 专家系统基本特征 ( 1 ) 专门知识的启发性 人类专家所掌握的大量专门知识中，真正使他比一般专业人员技高一筹的大 都是他在长期实践中积累起来的宝贵经验。这些知识没有严谨的理论依据，但特 定条件下，却能够有效简化问题或快速求解问题。具有这种特点的知识称为启发 性知识( h e u r i s t i ck n o w l e d g e ) ，使用启发性知识处理问题是人类推理的特征之一。 因此，专家系统要达到人类专家处理问题的水平就必须能够存储和利用这些启发 性知识。 ( 2 ) 专门知识的专有性 由于专门知识大多是人类专家在实践中积累起来的启发性知识，所以通常只 有专家本人了解它们。正因为如此，一方面这些启发性专门知识鲜为人知，另一 方面它们又没有正确性保障，所以如果e s 象其它应用程序那样只提供一个结论 而不对其作出任何解释的话，势必影响用户对结论的信任度。为此专家系统提供 了解释功能，告诉用户它是怎样解决问题的，使得e s 对用户来说是“透明的”。 ( 3 ) 专门知识的不确定性 华中科技大学硕士学位论文 专门知识多为启发性知识，没有正确保障，也不稳定。一旦遇到新情况、新 f o l 题，就有可能要修改这些启发性知识，这些要求e s 具有较大的灵活性，也就 是系统知识要容易修改和扩充，以便不断适应新情况的需要。 f 4 ) 专门知识难于抽取 专门知识是人类专家长期积累起来的，这些专门知识在专家头脑中往往没有 很好的组织结构。因此，领域专家在为e s 提供知识时很难总结出他们的全部经 验知识。这就决定e s 开发是一个扩充性过程。 综上所述，一个e s 应具有以下三个特征【7 j 【“： 启发性( h e u r i s t i c ) 不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识； 透明性( n a n s p a r e n c y ) 能向用户解释它的推理过程，还能回答用户的 一些关于它自身的问题： 灵活性( f 1 e x i b i l i t y ) 系统中的知识应便于修改和补充。 2 3专家系统基本结构 图2 1 专家系统的基本结构 一个结构完整的专家系统通常由六个部分组成( 见图2 1 【8 】) ，即知识库、上下 文( c o n t e x t ，也叫综合数据库) 、推理机、人机接口、解释程序和知识获取程序| 8 】。 其中与求解问题直接相关的知识库、综合数据库、推理机是专家系统的核心部分， 我们把这三个部分统称性能系统( p e r f o r m a n c es y s t e m ) 【8 】【9 j 【l o 】。 ( 1 ) 知识库 华中科技大学硕士学位论文 用以存放领域专家提供的专门知识，包括书本知识、常识性知识和领域专家 凭经验得到的启发式知识。知识库的建造是专家系统建造的中心工作，k e ( 知识 工程师) 要选择合适的数据结构把获取的专家知识进行形式化存入知识库中，知 识的表示方法应该简单易懂并能清晰、明确地表达d e ( 领域专家) 的知识，知 识的组织结构应能增强知识的模块性，使得对于某一知识的增删或修改不至于波 及知识库中其它知识，便于知识库的维护】【1 2 】。 ( 2 1 综合数据库 用于存放系统运行需要的初始数据、运行过程中产生的所有信息以及系统运 行的最终结果，它的内容在系统运行过程中动态地变化。 ( 3 ) 推理机 在一定的控制策略下针对综合数据库中的初始数据识别和选取知识库中对当 前问题的可用知识进行推理，以修改综合数据库直至最终得出问题的求解结果。 ( 4 1 解释程序 负责回答用户对系统提出的问题，对系统得出结论的求解过程或系统当前求 解状态提供说明，使得非专家用户能够理解系统的问题求解、加强对求解结果的 信心，使得问题领域的专业人员或初学者能得到问题求解过程的直观学习，解释 程序是实现系统透明性的主要部件。 ( 5 ) 知识获取 负责管理知识厍中的知识，包括根据需要修改、删除或添加知识及由此引起 的一切必要的改动，维持知识库的一致性、完整性等方面。知识获取程序是实现 专家系统的自学习的主要部件，它使领域专家可以修改知识库而不必了解知识库 中知识表示方法、知识库的组织结构等实现上的细节问题，这大大提高了系统的 可扩充性( 1 1 1 【”1 。 ( 6 ) 人机接口 人机接1 ：3 又称用户界面是专家系统跟人们进行信息交互的通道，它把专家和 用户输入的信息转化为成系统可接受的内部表示形式，同时把系统向专家或用户 输出的内部信息换成人类易于理解的外部表示形式。 2 4 专家系统工作原理 推理机根据初始事实和待求目标以一定的求解策略搜索与问题求解有关的规 则和事实，然后由规则解释器根据工作存储区的事实对规则、事实进行解释执行、 动态修改工作存储区。一条规则被解释执行后，规则选择器再根据已变化的工作 华中科技大学硕士学位论文 存储器选择新的规则和事实，再解释执行，如此反复不断解释执行直到最终得出 问题的解。其工作过程如图2 2 【“。 图2 2 专家系统工作原理 9 华中科技大学硕士学位论文 3 水轮机振动机理分析 水力机组的振动可分为三个方面的原因：机械、水力、电器以及其它如调速 器失调、土建结构方面的缺陷等引起的振动1 1 3 】。下面详细研究一些常见的机械振 动和水力振动，分析振动机理，找到振动根源，并为减振、消振提供了些具体 措施，为建立水力机组状态监测与故障诊断系统的规则库提供基础。 3 1 水轮机轴系振动 水轮机组机械振动大多是由于机组的转子系统出现某种故障所引起，因此， 我们要分析机组转子系统故障、了解机组轴系振动及其振因。常见的轴系故障有 转子不平衡、转子不对中、转子碰撞等，在此重点分析不平衡和不对中两种情况 【1 6 l a 0 】【3 1 1 。 3 1 1 转子不平衡 ( 1 ) 转子质量偏心不平衡 1 ) 机理分析 转子质量偏心是由于转子的结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀 等原因造成的，称此为初始不平衡。对于大中型水轮机组，其主要转动部件是水 轮机转轮和发电机转子，它们的尺寸都比较大，由于其材质不均、毛坯有缺陷、 加工和安装有误差等原因，使这些部件质量分布不均，形成一定的偏心，这样当 水轮机运行时就会产生不平衡的离心力，从而使转子及整个机组振动。由此可见 所有不平衡都可归结为转子的质量偏心。很显然，不平衡的离心惯性力越大，机 组振动越剧烈。不平衡的惯性力为： 尺o = 朋，f 国2 其中： r 。一不平衡离心惯性力 m 一转动部件质量； 华中科技大学硕士学位论文 ，。一转动体质心到旋转轴的距离： 一转动体的旋转角速度。 2 ) 诊断方法 转子质量偏心可从振动特征( 见表3 1 ) 、敏感参数( 见表3 2 ) 两个方面进 行诊断。 表3 1 转子质量偏心的振动特性f 3 l 】 12345678 特征频常伴频 振动稳定振动方相位特轴心轨进动方矢量区 奎 宏 性向征迹向域 l x稳定径向稳定 椭圆正进动不变 表3 2 转子质量偏心的敏感参数【3 123 4 56 振动随速度变振动随负荷变振动随油温变振动随流量变振动随压力变其他识别方 化化化化化法 低速时振幅 明显不明显不变不变不变 趋于零 3 ) 故障原因及治理措施 表3 3 转子质量偏心的故障原因【3 i 】 l234 f 故障来源 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 l 主要原因f 结构不合理，制造误差大，转子上零件安转子回旋体结垢转子上零件配合 j 材质不均，动平衡精度低装错位松动 治理措施： 转予除垢，进行修复 按技术要求对转子进行动平衡 ( 2 ) 转子部件缺损 1 ) 机理分析 转子部件缺损是指转子在运行中由于腐蚀、磨损、结垢、以及转子受疲劳力 的作用，使转子零部件局部损伤、脱落、等造成的不平衡。运行中的转子部件振 幅突然发生变化，严重影响机组的正常运行。为了防止脱落部件在惯性力作用下 飞出使机体发生二次事故，必要时应及时停机检修。 转子部件缺损与转子质量偏心是两中不同的故障，但其故障机理却有共同之 处。因此，转子部件缺损的主要特征与质量偏心大致相同，不同的是振动会突然 发生变化而后趋于稳定，振动的幅值一般会有较明显的增大。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 诊断方法 转子部件缺损可从振动特征( 见表3 4 ) 、敏感参数( 见表3 5 ) 两个方面进 行诊断。 表3 4 转子部件缺损的振动特性【3 l 】 1 23456 78 特征频常伴频 振动稳定振动方相位特轴心轨进动方矢量区 窒室 性向征迹向域 突发性增突变后稳 1 x径向椭圆正进动突变后稳定 大后稳定定 表3 5 转子部件缺损的敏感参数【3 l 】 123 456 振动随速度变振动随负荷变振动随油温变振动随流量变振动随压力变其他识别方 化化化化化法 振幅突然增 明显不明显不变不变不变 大 3 ) 故障原因及治理措施 表3 , 6 转子部件缺损的故障原因【3 l 】 l 。j l234 i 取”4 ”i设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 f 授舳p 不糟鹾丸 转子有较大预超速、超负荷运行转子受腐蚀疲劳， 负荷零件局部损坏脱落l应力集中 治理措施：修复转子，重新动平衡，正确操作。 ( 3 ) 转子弓形弯曲 1 ) 机理分析 所谓质量不平衡是指各横截面的质心连线与其几何中心连线存在偏差，而转 b 必 哩 - a 岁 ；0 1 l 1 y b 纵 嚣 图3 1 转子轴系弓状回旋图 华中科技大学硕士学位论文 子弯曲是指各横截面的几何中，心连线与旋转轴线不重合( 见图3 1 ) ，二者都会使 转子产生偏心质量，从而使转予产生不平衡振动。弯曲转子具有与质量不平衡转 子相似的振动特征，所不同的是弯曲转子在转速较低时振动较明显，趋干初弯值。 2 1 诊断方法 表3 7 转子弓形弯曲的振动特征1 3 1 】 123 45678 特篓频 常伴频振动稳定振动方相位特轴心轨进动方矢量区 蛊 性向征迹向域 径向、 矢量起始点大， i ，x2 x 稳定稳定椭圆正进动 轴向随运动继续增大 表3 8 转子弓形弯曲的的敏感参数【3 1 】 123456 振动随速振动随负振动随油振动随流振动随压其他识 度变化荷变化温变化量变化力变化别方法 明显不明显不变不变不变 升速过程中振幅大 往往不能正常启动 3 ) 故障原因及治理措施 表3 9 转子弓形弯曲的故障原因【3 1 1 l234 故障来源 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 结构不合理，转子长期存放不当，发生高速、高温机器，转子热稳定性 主要原因制造误差大，永久性变形；轴承安装错停机后未及时盘差，长期运行后 材质不均位，转子有较大预负荷 至 自然弯曲 治理措施： 科学管理、正确存放： 校直转子； 按技术要求对转子进行动平衡 3 1 2 转子不对中 ( 1 ) 不对中类型 转子不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。 转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中，联轴器不对中又可分为平行不对 华中科技大学硕士学位论文 兰皇! 苎li ! ! 詈皇皇! 竺= 寰= = 詈= = = 皇暑詈= 竺竺竺皇 中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。 l 、联轴器不对中 a 平行不对中 当转子轴线之间存在径向位移时，联轴器的中间齿套与半联轴器组成移动副， 不能相对转动，但中间齿套却与半联轴器产生滑动而作平面圆周运动，即中间齿 套的中心是沿着以径向位移为直径作圆周运动，这样使中间齿套的轴心的转动为 转子转动角速度的两倍，因此当转子高速运转时，就会产生很大的离心力，激励 转子产生径向振动，其振动频率为转子工频的两倍。 b 偏角不对中 当转子轴线之间存在偏角位移时，如图3 2 所示，从动转子与主动转子的角速度是不同的。 从动转子每转动一周其转速变化两次，偏 角不对中使联轴器附加一个弯矩，弯矩的作用 是力图减小两轴中心线的偏角。轴旋转一周， 弯矩作用方向交变一次，因此。偏角不对中增 加了转子的轴向力，使转子在轴向产生工频振动。 c 平行偏角不对中 圈3 1 窟角不对中 实际上，各转子轴线之间往往既有径向位移又有偏角位移因此当转子运转时， 就有一个两倍频的附加径向力作用于靠近联轴器的轴承上，有一个同频的附加轴 向力作用于止推轴承上，从而激励转子发生径向和轴向振动。 2 1 轴承不对中 轴承不对中实际上反映的是轴承座标高和左右位置的偏差。由于结构上的原 因，轴承在水平方向和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼，不对中的存在加大了 这种差别。虽然油膜既有弹性又有阻尼，能够在一定程度上弥补不对中的影响， 但当不对中过大时，会使轴承的工作条件改交，使转予产生附加的力和力矩，甚 至使转子失稳和产生碰摩。轴承不对中使轴颈中心的平衡位置发生变化，使轴系 的载荷重新分配。负荷大的轴承油膜呈现非线性，在一定条件下出现高次谐波振 动，负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导致油膜振荡。支承负荷的变化还使轴 系的临界转速和振型发生改变。 ( 2 ) 不对中故障的特征1 3 0 1 1 3 1 】 转子径向振动出现二倍频，以一倍频和二倍频分量为主，不对中越严重，二 倍频所占比例越大： 相邻两轴承的油膜压力反方向变化，一个油膜压力变大，另个则变小； 华中科技大学硕士学位论文 典型的轴心轨迹为香蕉形，正迸动： 联轴器不对中时轴向振动较大，振动频率为一倍频，振动幅值和相位稳定； 轴承不对中时径向振动较大，有可能出现高次谐波，振动不稳定： 振动对负荷变化敏感。当负荷改变时，由联轴器传递的扭矩立即发生改变， 如果联轴器不对中，则转子的振动状态也立即发生变化。由于温度分布的变化， 轴承座的热膨胀不均匀而引起轴承不对中，使转子的振动也要发生变化。但由于 热传导的惯性，振动的变化在时间上要比负荷的改变滞后一段时间。 表3 1 0 转子不对中的振动特征【3 l j 12 345678 i 特征频常伴频振动稳定振动方相位特轴心轨进动方矢量区 f塞塞 性向征迹 向域 l2 x1 x 、2 x稳定径向、轴向较稳定双环椭圆 正进动不变 表3 1 1 转子不对中的敏感参数【3 l 】 i 123456 f 振动随速振动随负振动随油振动随流振动随压 l度变化荷变化温变化量变化力变化 其他识别方法 f 转子轴向振动较大联轴器相邻轴 i明显明显有影响有影响有影响承处振动较大；随机器负荷增加， 振动增大；对环境温度变化敏感 ( 3 ) 故障原因及治理措旋 表3 1 2 转子不对中的故障原因【3 1234 故障来源 设计、制造安装、维修运行、操作机器劣化 对机器热膨胀量安装精度不够：超负荷运行；机 机器基础或机座沉降不 主要原因 对热态时转子不组保温不良，轴均匀，使不对中超差：考虑不够，给定 的安装对中技术对中变化量考虑系各转子熟变环境温度变化大，机器 要求不准不够形不同 热变形不同 治理措旌： 转子冷态对中时，应考虑到热态不对中变化量 按技术调整轴系转子对中量，重新对中。 3 2 水轮机水力振动 理论分析指出，水力机组或个别零部件的振因分为两个方面：一、由于过流 部件中流场的速度不均匀所引起的压力脉动是零部件的激振源；二、水流流过某 华中科技大学硕士学位论文 些绕流体( 导叶、转轮叶_ 片等) 后，脱流旋涡所诱发的压力脉动成为激振源。实 际水轮机t 作中水流所引起的压力脉动大多能在尾水管中体现出来，根据频谱分 三类：1 高频脉动( 1 0 0 h z 左右) 主要由导叶、叶片转轮旋转频率叠加而成的压 力脉动，频率= 肥7 磊女，互为导叶片数，乞为转轮叶片数，。为机组转速，k 为、：的最大公约数，以及在径向导叶出口过渡到转轮室近底环转弯处，因为 绕流曲率大产生脱流，或因过流部件局部不平所引起的脱流性的旋涡。另外，导 叶及叶片尾部脱流的旋涡所引起的脉动也可能是高频振动。2 中频脉动( 1 0 2 0 h z f 一圯，f ：旦l 或者几赫兹) 由转轮旋转引起。6 0 ：3 低频脉动( 1 2 1 4 h z ) 。 6 0 2 4 这 类脉动主要由尾水管涡带引起，与工况有关【1 3 】。 3 2 1 进水流道水流不均匀所引起的振动 水流流经水轮机蜗壳、转轮及尾水管等过流部件时，由于这些过流部件设计 制造误差或因水流工况的变化，形成水流脱流及不对称的水流作用力矩。当然， 气蚀、转轮水力不平衡，压力水管中的压力脉动等原因，也会引起水流脱流，产 生涡旋，使机组振动。下面进一步分析水流流经上述过流部件时的不均匀性及对 机组的影响。 ( 1 ) 蜗壳中的不均匀流场 由于水工建筑物如导流墩等的影响，在某些工况下进水不均匀，造成旋涡进 入蜗壳，这些分散的小旋涡可能汇集成较大的涡带进入转轮而引起振动。不管按 等速度矩( c r = c o n s t ) 或等速度( c = c o n s t ) 规律设计的蜗壳，蜗壳中的实际水流 是不均匀的，即使是完全包角蜗壳，蜗壳中径向流速的不均匀度亦达2 0 。这种 f n z 。 不均匀流动引起振动的情况在低水头电站中较多，振频为。7 6 0 ，：为转轮叶 片数，n 为机组转速，一般属于中频振动，有时和发电机上机架的自振频率相同 时，使机组产生共振【1 3 】【1 5 1 。 ( 2 1 导叶后的不均匀流场 导叶所造成的水流不均匀，会引起导叶出水边处边界层脱流，形成涡带，进 入转轮引起振动。但由导叶叶栅造成的导叶出口水流不均匀，对不同比转速水轮 机的影响则不同。对低比转速水轮机，因水轮机转轮十分靠近导叶出水边，故影 响较大。对高比转速水轮机，因导叶出水边距转轮进水边距离较大。水流在这一 华中科技大学硕士学位论文 i 流程中已渐趋均匀，故影响较小。导叶后的水流不均匀性，作用在转轮上水流扰 ，2 ： 动频率为振频为，2 o ，互为导水叶片数，n 为机组转速3 1 “1 。 3 2 2 卡门涡列所诱发的振动 当水流绕流导叶或者转轮叶片时，在其尾部产生脱流涡旋，该脱流涡旋的流 态与水流速度和绕流体的截面形状及尺寸有关。随水流速增大脱流边界层向紊流 发展，最后在叶片尾部形成紊流交叉涡列即卡门涡1 1 8 】。当脱流流体在绕导叶或者 转轮叶片产生卡门涡列时，由于压力场的变化，其合力大小及方向均随着时间发 生周期性变化，较明显的为垂直于流向的交叉侧向力，即不均衡的侧向力。该力 作用于金属弹性体叶片上，产生微幅或大幅振荡，如果这个振动频率与叶片体系 自振频率相近，则可能发生卡门涡频与叶片频率的共振，激起较大幅度的振动。 对钝柱体产生卡门涡列时的绕流旋涡脱流的频率可写为： ，= s 2 _ - d 式中 v 接近绕流体前的速度，对转轮叶片应为相对速度； s 斯特罗哈数，实验证得约为0 1 8 o 2 2 ； d 垂直于液流方向，流体形成脱流尾迹处的最大宽度( 如图3 3 所示) 。 图3 3 绕尾部液流脱离点 根据上述公式，在已知流速和叶片 尾部厚度情况下，涡列的频率可计算出。 因此当机组发生卡门涡列振动时，可以 通过改变d 值大小( 叶片尾部厚度) ，从 而改变卡门涡列振频达到消振、减振的 目的0 3 1 u 4 】【1 5 】。 3 2 3 水轮机迷宫密封环间隙不均引起的机组振动 1 1 机理分析 水流在迷宫中流动是一种复杂的三维流动。当转子因挠曲、偏磨、安装偏心 或旋转产生涡动运动时，密封腔内周向的间隙不均匀，即使密封腔内入口处的压 力周向分布是均匀的，在该腔的出口处却形成了不均匀的