CN102207426B - 一种旋转机械的轴系状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转机械的轴系状态监测方法，该方法包括：获取旋转机械的各动静间隙的动态实时间隙，结合机组振动水平获得所述各动静间隙的最小间隙；根据所述各动静间隙的最小间隙与获得所述各动静间隙的最小间隙的位置处的安装间隙的比值，判断旋转机械的轴系状态，并进行可视化显示。通过该方法能够有效、实时地判断旋转机械的轴系状态。

Description

一种旋转机械的轴系状态监测方法

技术领域

本发明涉及设备状态监测领域，特别是一种旋转机械的轴系状态监测方法。

背景技术

上世纪八十年代开始，基于振动信号分析的旋转机械状态监测故障诊断系统逐步推广应用，为正确判断机组的状态起到了重要作用。但由于机组的状态监测和故障诊断涉及机组结构、故障机理、故障特征和机组运行以及检修等方面，需要具有转子动力学、信号处理和人工智能等多方面的理论和丰富的现场经验，现场人员一般难以理解，使系统的作用得不到充分发挥。

同时，由于设计、制造和检修等方面的原因，不同类型、不同厂家的机组振动水平差别较大，同一机组不同部位的振动水平也有较大差别，目前单纯依靠振幅进行监测，依靠振动分析判断故障比较抽象，同时由于只考虑电涡流传感器的交流分量（振幅），没有考虑直流分量（间隙电压），也是不可靠的。

综上所述，现有的旋转机械状态检测故障诊断系统，由于只考虑了振动因素，不能有效地判断旋转机械的轴系状态。

发明内容

有鉴于此，本发明主要目的是提供一种旋转机械的轴系状态监测方法。有效、实时地判断旋转机械的轴系状态。该方法包括：

获取旋转机械的各动静间隙的动态实时间隙；

所述动态实时间隙结合机组振动水平获得所述各动静间隙的最小间隙；

根据所述各动静间隙的最小间隙与获得所述各动静间隙的最小间隙的位置处的安装间隙的比值，判断旋转机械的轴系状态，并进行可视化显示；

其中，所述各动静间隙的最小间隙为C_min，获取C_min的方法为：

C_min=C₀ ⁰-(C₁ ¹+C_V)；

其中，C₀ ⁰为各动静间隙处在最小间隙方向上的安装间隙，C₁ ¹为各动静间隙处在最小间隙方向上的平均间隙，C_V为各动静间隙处在最小间隙方向上振动位移变化的大小。

其中，所述的各动静间隙包括下述之一或任意组合：轴承间隙、轴端汽封间隙、隔板汽封间隙、叶顶间隙、密封瓦间隙、轴向间隙。

所述轴承间隙的动态实时间隙为

确定该

的方法为：

$\stackrel{\→}{C_1}=\stackrel{\→}{C_0}-(\stackrel{\→}{R_1}+\stackrel{\→}{R_2});$

其中，

为轴承安装间隙，安装在轴承上互成90°的第一传感器位移量

和第二传感器位移量

的方向为传感器安装角度，它们的大小分别表示为：

R₁=V₁/S₁；R₂=V₂/S₂；

其中，V₁为第一传感器安装间隙电压与其实时的间隙电压的差值；V₂为第二传感器安装间隙电压与其实时间隙电压的差值；S₁和S₂分别为第一传感器和第二传感器的传感器灵敏度。

所述轴端汽封间隙、隔板汽封间隙、叶顶间隙或密封瓦间隙的动态实时间隙为

确定

的方法为：

$\stackrel{\→}{C_X}=\stackrel{\→}{C_{00}}-(\stackrel{\→}{C_{11}}+(\stackrel{\→}{C_{12}}-\stackrel{\→}{C_{11}})*X/D);$

其中，

和

为旋转机械中转子两端轴承的间隙，D为两轴承之间的距离，X为转子某个位置距离其中一个轴承的距离，X大于0小于D，

为安装间隙。

所述轴向间隙的动态实时间隙为C₁₀，确定C₁₀的方法为：

C₁₀=C₀₀₀-(C_B-C_R)；

其中，C₀₀₀为某隔板与动叶之间安装间隙，C_R为转子的膨胀折算在此间隙变化量，C_B为气缸的膨胀折算在此间隙变化量。

由上可见，本发明通过各动静间隙的动态实时间隙与机组振动水平相结合，有效、实时地获得各动静间隙的最小间隙与各动静间隙所处位置的安装间隙的比值，判断旋转机械的轴系状态，并进行可视化显示。例如有效、实时地判断汽轮发电机轴系状态。

附图说明

图1为本发明轴系状态监测流程图；

图2为最小间隙与相应位置安装间隙的关系图；

图3为轴承和轴系的可视化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明所述方案作进一步地详细说明。

本发明的基本思想为：获取旋转机械的各动静间隙的动态实时间隙，结合机组振动水平获得各动静间隙的最小间隙，根据各动静间隙的最小间隙与获得所述各动静间隙的最小间隙的位置处的安装间隙的比值，判断旋转机械的轴系状态，并进行可视化显示。

参见图1，图1为本发明轴系状态监测流程图。该流程包括以下具体步骤：

步骤101，获取旋转机械的各动静间隙的动态实时间隙。

各动静间隙包括下述之一或任意组合：轴承间隙、轴端汽封间隙、隔板汽封间隙、叶顶间隙、密封瓦间隙、轴向间隙。

在实际应用中，使用者具体想知道、了解其中的某项间隙的间隙值或其任意组合项的间隙值，都由使用者自己来确定。获取轴承间隙、轴端汽封间隙、隔板汽封间隙、叶顶间隙、密封瓦间隙、轴向间隙的动态实时间隙的具体方法在下文详细描述。

步骤102，结合机组振动水平获得所述各动静间隙的最小间隙。

步骤101中获取的动态实时间隙实际上是转子的某个位置的平均间隙，即转子在以此位置为中心的运动，因此在实际应用中还应考虑转子在此位置的振动水平。

步骤103，根据所述各动静间隙的最小间隙与获得所述各动静间隙的最小间隙的位置处的安装间隙的比值，判断旋转机械的轴系状态。

密封和机组的状态以各密封处最小间隙与安装间隙的比值作为依据，在实际应用中，可以将密封和机组的状态划分为不同等级。

步骤104，进行可视化显示。

将判断出的密封与机组状态进行显示，这样给使用者一个直观的画面，更容易发现当前机组是否出现故障，运行状态是否良好。

下面分别详细描述轴承、轴端汽封、隔板汽封、叶顶、密封瓦和轴向间隙的动态实时间隙的计算。

轴承间隙为转子和轴瓦之间的距离，轴承间隙的动态实时间隙的计算，可以直接计算。轴承安装时上下左右间隙可以通过塞尺和缸体径向各密封部分与转子轴颈各径向对应表面的接触试验等方法测量，轴承安装间隙记为

对于汽轮发电机组的主要轴承，通常安装两个相互成90度左右的电涡流传感器，传感器安装间隙电压一般在-12V左右，分别记为V₁₀和V₂₀。在机组运行过程中，可以测量其实时的间隙电压，即电涡流传感器的直流分量，分别记为V₁₁和V₂₁，差值分别记为V₁和V₂。传感器安装间隙电压和实时间隙电压的关系如下：

V₁=V₁₁-V₁₀

V₂=V₂₁-V₂₀

两个互成90左右的电流传感器的灵敏度分别记为S₁和S₂，通常S₁=S₂。根据传感器灵敏度，可以换算为两个传感器的位移量的大小，分别记为R₁和R₂，其换算关系如下：

R₁=V₁/S₁

R₂=V₂/S₂

由于两个传感器有安装角度，因此可以将位移大小和安装角度表示成位移量

和

位移量

和

的方向为传感器安装角度，数值为正，表示转子靠近传感器，为负，表示转子远离传感器。

轴承间隙的动态实时间隙记为

其计算

的方法为：

$\stackrel{\→}{C_1}=\stackrel{\→}{C_0}-(\stackrel{\→}{R_1}+\stackrel{\→}{R_2})$

上述公式为轴承圆周方向间隙的矢量合成计算，

和

均为矢量，由上计算可知在圆周方向的任一角度的轴承间隙的动态实时间隙，将其中在某位置上轴承间隙的动态实时间隙最小的最小间隙记为C₁，该最小间隙处与转子的角度记为α，用于确定获得轴承间隙的动态实时间隙的最小间隙所处的位置。

下面详细描述轴端汽封间隙的动态实时间隙的计算方法。

轴端汽封间隙为汽封与转子之间的距离，与可以直接计算轴承间隙不同，由于无法安装传感器测量该间隙，因此，不能直接计算，但由于转子的刚性，可以根据转子两端轴承的间隙进行线性推算。

设转子两端轴承的间隙分别为

和

两轴承之间的距离为D，安装间隙记为

则转子的某个位置距离其中一个轴承的距离为X时，且X大于0小于D，轴端汽封间隙的动态实时间隙记为

则计算

的公式如下：

$\stackrel{\→}{C_X}=\stackrel{\→}{C_{00}}-(\stackrel{\→}{C_{11}}+(\stackrel{\→}{C_{12}}-\stackrel{\→}{C_{11}})*X/D)$

由上公式计算出的为转子某个位置距离其中一个轴承的距离为X时的轴端汽封间隙的动态实时间隙，通过该方法可以计算X在0到D之间变化时，任意位置轴端汽封实时间隙。在这些轴端汽封间隙的动态实时间隙中，在某个位置处存在一个最小的实时间隙。

隔板汽封间隙为叶片和隔板之间的距离；叶顶间隙为叶片顶部与气缸之间的间隙；密封瓦间隙为密封瓦与转子之间的间隙。隔板汽封、叶顶或密封瓦间隙的动态实时间隙的计算方法同轴端汽封间隙的动态实时间隙的计算方法一致，比如计算隔板汽封间隙的动态实时间隙，也可以将该间隙记为

各参数对应于计算轴端汽封间隙的动态实时间隙的各参数设置，用公式

来计算隔板汽封间隙的动态实时间隙，同样叶顶或密封瓦间隙的动态实时间隙也可以这样计算，这里不再赘述。

下面详细描述轴向间隙的动态实时间隙的计算方法。

轴向间隙为定子和转子沿轴线方向之间的间隙。汽轮发电机组的轴向间隙，与转子和汽缸的膨胀有关。通常是以推力轴承所在位置为死点，轴系转子以死点向前、后膨胀，汽缸以某定位销键为轴向位置死点，以死点为中心在基础台板上自由膨胀。通过轴向位移传感器和热膨胀传感器，可以测量转子和汽缸的轴向位移。一般可以假设转子和汽缸的膨胀是线性的，在本发明中也是这样做的，可以计算不同位置处的轴向间隙。

设某隔板与动叶之间安装间隙记为C₀₀₀，转子和汽缸的膨胀折算在此间隙变化量分别记为C_R和C_B，轴向间隙的动态实时间隙记为C₁₀，则计算C₁₀的方法为：

C₁₀=C₀₀₀-(C_b-C_R)

上述计算得到的动态实时间隙实际上是转子在某位置的平均间隙，即转子以此位置为中心运动，为了判断间隙的变化，还需要考虑转子在此处的振动水平。

对于此位置附近安装了电涡流传感器，如轴承，可以根据振动数据进行计算。如果没有安装传感器，则可以根据转子振型进行计算。转子振型可以通过理论计算、模型试验、参考相同类型机组以及实际测量等方式获得。通过转子振型，可以了解一定转速下，轴系不同部位振动的比例关系，如转子出现单纯的一阶振型时，中间部位振动最大，出现单纯的二阶振型时，中间部位振动最小。

设各动静间隙处在最小间隙方向上，安装间隙记为C₀ ⁰，平均间隙记为C₁ ¹，在此处的振动位移大小变化记为C_V，最小间隙记为C_min。

参见图2，图2为最小间隙与相应位置安装间隙的关系图。如图2中所示，各动静间隙的最小间隙C_min、相应位置各动静间隙的平均间隙C₁ ¹和相应位置各动静间隙的振动位移大小变化为C_V的和相应位置各动静间隙的安装间隙C₀ ⁰。因此C_min的确定方法如下：

C_min=C₀ ⁰-(C₁ ¹+C_V)

各动静间隙的最小间隙C_min与相应位置各动静间隙的安装间隙C₀ ⁰的比值为C_r，则

C_γ=C_min/C₀ ⁰=1-(C₁ ¹+C_V)/C₀ ⁰

各轴系状态以各动静间隙处的比值C_r作为依据，将各轴系状态划分为几个等级，通过划分的等级给现场工作人员以提示，根据当前各轴系所处的状态，工作人员可以判断当前机组工作状态是否良好，是否需要处理。这些轴系状态只要有一个显示故障状态，就表示整个轴系故障，需要处理。

下面举具体实例，来详细说明该C_r的具体应用，将各轴系状态划分为6个等级，整个汽轮发电机的轴系状态取各轴系状态的最低等级，如表1所示，表1为汽轮发电机轴系的状态，具体的等级和数值可以根据需要进行调整。

表1

在实际应用中，如果给现场人员一堆数值，工作人员还得进行相关分析，而且达不到实时要求，如果以实时“动漫”显示转子的转动图像和间隙变化，以及轴系和轴承的各相关参数，这样现场工作人员能够更直观、更实时地观测到轴系的状态。

在本发明中，可视化分两部分来描述，轴系和轴承的可视化。

在轴系可视化图形中，以轴系结构示意图方式，实时“动漫”显示转子的转动图像和间隙变化，转动的频率与机组转速有关，从几秒钟1次到1秒钟几次，密封处用轴系状态对应的颜色显示，如在表1中所示，同时显示当前转速、振动轴向位移和胀差等，通常每个轴承有2个电涡流传感器X、Y方向和1个速度传感器W方向，为了比较准确显示，需要知道机组的结构参数，包括监测的轴承数量，轴系长度和各转子长度，旋转方向，可以从汽轮机向发电机方向看的方向，作为旋转方向，靠背轮数量和位置，传感器的安装角度，各种密封间隙及与相邻轴承的距离，叶片级数、直径大小和排列方向。

在轴承可视化图形中，以轴承结构示意图方式，显示轴承、密封和转子的相对位置，密封用表1中状态对应的颜色显示，同时显示转子在坐标x、y方向的偏移以及合成后的大小和角度，以x轴起点为零度，逆时针旋转。为了比较准确显示，除了上述参数外，还需要知道轴承类型，如圆柱、椭圆、二油楔、三油楔、四油楔和五油楔轴承等。

下面结合附图，详细说明本发明轴承和轴系的可视化实现。

参见图3，图3为轴承和轴系的可视化示意图。如图3中所示，实时“动漫”显示转子的转动图像和间隙变化。在图3中各动静间隙处用对应的颜色显示，由于打印版本显示的是黑白色，因此在图3中用不同图案表示各动静间隙的状态。对于图3中轴端汽封间隙301，B1、B2轴向间隙306计算的C_r为大于等于30%，因此在图3中用右斜线表示其对应显示的颜色为蓝色；对于图3中B1、B2、B5-B8的轴承间隙306、叶顶间隙302、隔板汽封间隙303、轴向间隙304和密封瓦间隙305计算的C_r为大于等于50%，因此在图3中用左斜线表示其对应显示的颜色为绿色。

机组转速在图3中显示3001。为了更形象、准确的显示，同时显示了机组的结构参数，如监测的轴承B1到B8，以及靠背轮C1到C3，从汽轮机向发电机方向看的旋转方向，在图3的左侧以旋转箭头表示。以轴承B1为例，在电涡流传感器X、Y方向的振动和速度传感器W方向的振动振幅分别为78μm、75μm和32μm。图3中各距离均按比例所画，因此由图3中所示的图形可以知道轴系长度、各转子长度，靠背轮的位置，相邻轴承的距离，以及叶片级数、直径大小和排列方向。在图3的下半部分显示出了B1到B8的轴承可视化示意图，以B1为例，说明各参数，-0.03和0.09为转子在坐标x、y方向的偏移，0.10和107为转子在坐标x、y方向的偏移合成后的大小和角度。同样在图3中B 1到B8的轴承的形状的不同是因为轴承类型不同，B1、B2、B7和B8为椭圆轴承，B3、B4、B5、B6为三油楔轴承，其中B1到B8中心的白色点或线表示各轴承的转动的动态过程。

综上所述，本发明克服目前单纯的振动信号监测分析的不足，通过对汽轮发电机组轴系各种动静间隙的实时计算，在显示屏幕上，实时“动漫”显示汽缸内高速转动的各转子的模拟转动图像；高精度显示各转子的动态间隙变化，包括轴承间隙、轴端汽封间隙、隔板汽封间隙、叶顶间隙、密封瓦间隙和轴向间隙。根据间隙变化和机组的振动水平确定密封和机组的状态，特别是可以有效地判断机组常见的不对中、油膜涡动、汽流激振、部件脱落和碰摩故障。本发明也适用于水轮机和风机等旋转机械的轴系状态监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种旋转机械的轴系状态监测方法，其特征在于，

获取旋转机械的各动静间隙的动态实时间隙；

所述动态实时间隙结合机组振动水平获得所述各动静间隙的最小间隙；

根据所述各动静间隙的最小间隙与获得所述各动静间隙的最小间隙的位置处的安装间隙的比值，判断旋转机械的轴系状态，并进行可视化显示；

其中，所述各动静间隙的最小间隙为C_min，获取C_min的方法为：

C_min=C₀ ⁰-(C₁ ¹+C_V)；其中，C₀ ⁰为各动静间隙处在最小间隙方向上的安装间隙，C₁ ¹为各动静间隙处在最小间隙方向上的平均间隙，C_V为各动静间隙处在最小间隙方向上振动位移变化的大小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的各动静间隙包括下述之一或任意组合：轴承间隙、轴端汽封间隙、隔板汽封间隙、叶顶间隙、密封瓦间隙、轴向间隙。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴承间隙的动态实时间隙为

确定该

的方法为：

$\stackrel{\→}{C_1}=\stackrel{\→}{C_0}-(\stackrel{\→}{R_1}+\stackrel{\→}{R_2});$

其中，为轴承安装间隙，安装在轴承上互成90°的第一传感器位移量

和第二传感器位移量

的方向为传感器安装角度，它们的大小分别表示为：

R₁=V₁/S₁；R₂=V₂/S₂；

其中，V1为第一传感器安装间隙电压与其实时的间隙电压的差值；V₂为第二传感器安装间隙电压与其实时间隙电压的差值；S₁和S₂分别为第一传感器和第二传感器的传感器灵敏度。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴端汽封间隙、隔板汽封间隙、叶顶间隙或密封瓦间隙的动态实时间隙为

确定

的方法为：

其中，

和

为旋转机械中转子两端轴承的间隙，D为两轴承之间的距离，X为转子某个位置距离其中一个轴承的距离，X大于0小于D，

为安装间隙。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轴向间隙的动态实时间隙为C1₀，确定C1₀的方法为：

C1₀=C₀₀₀-(C_B-C_R)；

其中，C₀₀₀为某隔板与动叶之间安装间隙，C_R为转子的膨胀折算在此间隙变化量，C_B为气缸的膨胀折算在此间隙变化量。

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