CN102519579B - 汽轮机碰磨故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械设备振动检测领域，具体涉及一种汽轮机设备碰磨故障的振动信号检测方法。本发明通过在缸体轴向两端部位安装的压电加速度传感器拾取经过传播的碰磨冲击振动信号，采用高于汽缸体主要固有频率的采样频率连续采集缸体结构振动信号。在此基础上，通过对信号特征的分析提取，给出碰磨事件发生次数、发生部位、碰磨强度的计数信息，最终得到反映碰磨故障的整体统计规律的判断结果。

Description

汽轮机碰磨故障检测方法

技术领域

本发明属于机械设备振动检测领域，具体涉及一种汽轮机设备碰磨故障的振动信号检测方法。

背景技术

为了减少汽轮机内蒸汽泄漏损失，提高运行效率，汽轮机组转动部件和静止部件之间的密封间隙调整的很小。当汽轮机运行时，在高温蒸汽作用下，转子和汽缸等动静部件将产生热变形，如果高速旋转的转子受热不均匀发生热弯曲，将产生较大的不平衡力，使得转子各截面的中心发生较大的偏离静止中心的周期运动，当这种偏心运动大于该截面处动静部件间的间隙范围时，就会发生动静部件之间的碰磨。碰磨事件较多发生在动静叶片密封、转子轴封以及滑动轴承等处，是火电机组运行中常见的故障现象。与其它典型的汽轮机轴系故障（如转子不平衡、轴系不对中、轴裂纹等）的特点不同，碰磨故障是瞬时故障，在很短时间内，部件之间发生碰撞和摩擦，对转子部件及缸体产生瞬时冲击。通常情况下，动静部件偶然发生轻微的瞬时碰磨，不会对机组的运行状况产生直接影响。但如果这种轻微碰磨现象频繁发生，对结构产生的冲击激励逐渐积累，将逐渐造成结构件（如密封梳齿）的磨损和变形，加大级间泄露损失，严重时可能导致长期受碰磨冲击载荷的叶片的突然断裂，并引发整级叶片被打断的严重二次事故，迫使机组非计划停机检修，造成重大的经济损失。

针对转子碰磨现象的研究始于上个世纪的二三十年代。近几十年随着火电机组的大型化，碰磨故障造成的危害以及机组运行安全性问题日益受到重视，因此针对转子在碰磨状态下的动力学特性的研究也非常活跃，已经形成了比较完整的理论体系和数值方法。在理论研究的基础上，基于轴系振动监测的碰磨故障诊断技术也取得了许多成果，并在工程实际中得到应用。

目前汽轮机运行监测的主要技术方法是振动监测，振动传感器安装在各个支撑轴承附近，采用电涡流位移传感器测量转轴对轴承座的相对振动，采用振动速度传感器测量轴承座的绝对振动。通过分析提取振动信号的时域和频域特征，实现汽轮机运行状态的监测和故障诊断。这项技术已经广泛应用于工业实际。基于振动监测的保护系统已经成为大型汽轮发电机组的标准配置，振动信号分析诊断系统也在许多机组上实际应用。但是由于碰磨故障具有短时冲击特性，使用现有的振动监测技术往往难以检测和捕捉到这种故障现象，因而碰磨对机组运行的影响往往不被运行人员注意和重视。同时由于缺少实际机组碰磨时的振动信号，难以对碰磨振动信号特征以及碰磨发生的规律进行分析研究。只是在机组检修时，打开汽缸体检查才可以确定是否发生碰磨及其严重程度。许多报道测重于对碰磨导致的机组损失进行分析。

发明内容

本发明基于上述情况，提供一种针对汽轮机设备碰磨故障的振动信号检测方法以及基于这种方法的碰磨故障特征提取方法。

本发明所述方法包括以下步骤：

（1）在缸体轴向两端部位安装压电加速度传感器，拾取碰磨冲击振动信号，采用高于汽缸体主要固有频率的采样频率连续采集缸体结构振动加速度信号x(n)，y(n)；

（2）对拾取的振动信号进行去除直流分量和趋势项处理，然后进行基于傅里叶变换的频域带通滤波，根据信号的频谱特征，确定固有频率附近的带通滤波的上下限频率，保留该频率限以内数据，将频率限以外数据置零，然后做傅里叶逆变换，得到带通滤波后的时域信号，表达式为：

$\hat{x}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}H\left(k\right)X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}},$ n=0,1,…,N-1,

式中，

为滤波后得到的N点长度的信号，X(k)为信号x(n)的离散傅立叶变换，j为指向虚轴的单位向量，N为时域采样点个数，k为频域采样点序列，H(k)为带通滤波器的频响函数，其表达式为：

式中，f₁为下限截止频率，f₂为上限截止频率；

根据滤波信号有效值和峭度指标的变化判断是否发生碰磨故障，并记录碰磨故障的次数和强弱；

（3）计算滤波信号

的有效值和峭度指标，当信号中存在碰磨引起的冲击振动成分时，信号有效值相应增大，有效值的大小以作为判断碰磨强度的依据；有效值计算公式为：

$D={\left[\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)\right]}^{1/2};$

峭度指标对信号中包含的冲击成分非常敏感，可以检测出比较轻微的碰磨故障，峭度指标的计算公式为：

$k=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(x\left(n\right)-\mathrm{\μ})}^4/{\left\{\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[x\left(n\right)-\mathrm{\μ}]}^2\right\}}^2;$

式中，μ为时间序列的平均值。

（4）计算汽轮机缸体两端振动信号

和

的互相关函数，根据互相关函数中极大值对应的时差值，确定从碰磨部位到检测点的信号传递时间差，经换算确定碰磨发生的基本部位，互相关函数的计算公式为：

$r_{\mathrm{xy}}\left(m\right)=\frac{1}{2N+1}\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\hat{x}\left(n\right)\hat{y}(n+m);$

（5）通过对缸体振动信号连续采集分析，记录一段时间内发生碰磨故障的次数、强度和部位的信息，得到反映汽轮机碰磨故障的全面统计规律。

所述压电加速度传感器的工作温度极限高于汽轮机缸体表面温度。

本发明的有益效果为：

（1）碰磨对汽轮机动静部件（转子和缸体）同时产生冲击作用，但是两者各自构成的系统差异很大，所以产生的振动响应不一样。碰磨振动信号在汽缸体内传播衰减较小，容易检测。而转子受滑动轴承油膜弹性和阻尼作用，对于碰磨激励的振动响应变化往往不明显。图2为碰磨过程中在汽缸体轴封处的绝对振动加速度信号与转子相对振动位移信号进行比较，可以看出，碰磨引起的缸体振动响应比转子的相对轴振信号明显。本方法由于检测结构冲击振动，因此对碰磨引起的结构振动非常敏感，可以成功检测出汽轮机不同部位的碰磨事件。

（2）机组碰磨振动是机组结构对动静部件碰磨所产生的冲击力的响应，具有典型的冲击响应信号特征。即振动信号幅值在碰磨发生时突然增高，然后很快衰减恢复到碰磨前的振动水平，持续时间一般很短。碰磨过程中振动信号频谱在结构共振频率附近振动峰值突出，但是在转频及其前几次谐波处无明显变化（图3）。因此通过频率共振带附近的带通滤波，可以抑制测量噪声的影响，也可以抑制其它故障产生的振动影响，提高碰磨故障检测的准确率。

（3）当汽轮机内部发生碰磨故障时，冲击振动信号在缸体结构内部，从碰磨发生部位向外传播，由于发生碰磨时动静部件之间碰撞程度、碰撞部位的不同，以及碰磨引发振动信号在机组结构内部传递过程中的反射、吸收和衰减，汽轮机缸体两侧传感器接收到的碰磨冲击信号的强弱和时间存在差异，可以根据汽轮机缸体两侧传感器接收到的碰磨信号的幅值和相位信息，经过适当的分析处理，获取碰磨故障强度、持续时间和发生部位等方面的信息，实现碰磨故障的定位。

（4）由于碰磨故障具有瞬时故障特征，对汽轮机结构产生累积损伤效果。因此关于碰磨故障发生部位、强弱、与运行工况的关联性等方面的统计信息对于指导设计、运行和维护更具有实际意义。本方法可以比较精确地检测到机组在运行过程中发生的碰磨现象，确定碰磨发生的规律，建立碰磨发生的频繁程度与机组运行工况条件之间的相关性，为运行、检修乃至机组设计人员提供有用的意见和建议，从而达到控制和减少碰磨发生次数的目的。

附图说明

图1为汽轮机碰磨故障检测系统示意图；

图2碰磨引起的汽轮机缸体振动和相对轴振信号对比；

图3碰磨引起的汽轮机缸体振动功率谱特征。

具体实施方式

本发明提供了一种汽轮机碰磨故障检测方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的原理是，汽轮机某个部位发生的碰磨对缸体结构产生瞬时冲击，引起碰磨部位的结构振动，该振动以固体声形式在缸体内部传播，通过在缸体轴向两端部位安装的压电加速度传感器可以拾取经过传播的碰磨冲击振动信号，采用高于汽缸体主要固有频率的采样频率连续采集缸体结构振动信号。在此基础上，通过对信号特征的分析提取，给出碰磨事件发生次数、发生部位、碰磨强度的计数信息，最终得到反映碰磨故障的整体统计规律的判断结果。

具体实施步骤为：

（1）在每个汽轮机轴向前后端缸体上分别安装压电加速度传感器，加速度传感器的工作温度极限应高于汽轮机缸体表面温度。传感器输出信号经过放大器和抗混叠滤波器连接到模数转换板的输入接口，实现信号的模数转换，采集到前后端缸体上的振动加速度信号x(n)，y(n)。采集得到的数字信号经过预处理后，存入计算机进行分析处理。

（2）对经过预处理的振动加速度信号x(n)进行基于傅里叶变换的频域带通滤波，即把信号经傅里叶变换得到频谱，保留滤波频带内的值，将滤波频带外的值置零，然后再进行傅里叶逆变换，得到滤波后的信号。表达式为：

$\hat{x}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}H\left(k\right)X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}},$ n=0,1,…,N-1

式中，为滤波后得到的N点长度的信号，X(k)为信号x(n)的离散傅立叶变换，j为指向虚轴的单位向量，

N为时域采样点个数，k为频域采样点序列，H(k)为带通滤波器的频响函数，其表达式为：

式中，f₁为下限截止频率，f₂为上限截止频率。

（3）计算滤波信号

的有效值和峭度指标。当信号中存在碰磨引起的冲击振动成分时，信号有效值相应增大，有效值的大小以作为判断碰磨强度的依据。有效值计算公式为：

$D={\left[\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)\right]}^{1/2};$

峭度指标对信号中包含的冲击成分非常敏感，可以检测出比较轻微的碰磨故障。峭度指标的计算公式为：

$k=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(x\left(n\right)-\mathrm{\μ})}^4/{\left\{\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[x\left(n\right)-\mathrm{\μ}]}^2\right\}}^2;$

式中，μ为时间序列的平均值。

（4）计算汽轮机缸体两端振动信号

和

的互相关函数，根据互相关函数中极大值对应的时差值，确定从碰磨部位到检测点的信号传递时间差，经换算确定碰磨发生的基本部位。互相关函数的计算公式为：

$r_{\mathrm{xy}}\left(m\right)=\frac{1}{2N+1}\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\hat{x}\left(n\right)\hat{y}(n+m);$

（5）对连续采集的缸体振动信号，取每N个点按照步骤（1）至（4）进行分析，记录一段时间内发生碰磨故障的次数、强度和部位的信息，得到反映汽轮机碰磨故障的全面的统计规律。

Claims (2)

1.汽轮机碰磨故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在缸体轴向两端部位安装压电加速度传感器，拾取碰磨冲击振动信号，采用高于汽缸体主要固有频率的采样频率连续采集缸体结构振动加速度信号x(n)，y(n)；

（2）对拾取的振动信号进行去除直流分量和趋势项处理，然后进行基于傅里叶变换的频域带通滤波，根据信号的频谱特征，确定固有频率附近的带通滤波的上下限频率，保留该频率限以内数据，将频率限以外数据置零，然后做傅里叶逆变换，得到带通滤波后的时域信号，表达式为：

$\hat{x}\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}H\left(k\right)X\left(k\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}},$ n=0,1,…,N-1,

式中，

为滤波后得到的N点长度的信号，X(k)为信号x(n)的离散傅立叶变换，j为指向虚轴的单位向量，

N为时域采样点个数，k为频域采样点序列，H(k)为带通滤波器的频响函数，其表达式为：

式中，f₁为下限截止频率，f₂为上限截止频率；

根据滤波信号有效值和峭度指标的变化判断是否发生碰磨故障，并记录碰磨故障的次数和强弱；

（3）计算滤波信号的有效值和峭度指标，当信号中存在碰磨引起的冲击振动成分时，信号有效值相应增大，有效值的大小以作为判断碰磨强度的依据；有效值计算公式为：

$D={\left[\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)\right]}^{1/2};$

峭度指标对信号中包含的冲击成分非常敏感，可以检测出比较轻微的碰磨故障，峭度指标的计算公式为：

$k=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(x\left(n\right)-\mathrm{\μ})}^4/{\left\{\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[x\left(n\right)-\mathrm{\μ}]}^2\right\}}^2;$

式中，μ为时间序列的平均值；

（4）计算汽轮机缸体两端振动信号

和

的互相关函数，根据互相关函数中极大值对应的时差值，确定从碰磨部位到检测点的信号传递时间差，经换算确定碰磨发生的基本部位，互相关函数的计算公式为：

$r_{\mathrm{xy}}\left(m\right)=\frac{1}{2N+1}\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\hat{x}\left(n\right)\hat{y}(n+m);$

（5）通过对缸体振动信号连续采集分析，记录一段时间内发生碰磨故障的次数、强度和部位的信息，得到反映汽轮机碰磨故障的全面统计规律。

2.根据权利要求1所述的汽轮机碰磨故障检测方法，其特征在于，所述压电加速度传感器的工作温度极限高于汽轮机缸体表面温度。

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