馮永志，孟凡剛，黃延忠，何 鵬，劉占生

(1.哈爾濱電氣集團有限公司中央研究院，黑龍江 哈爾濱 150028;2.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

熱彎曲故障是重型燃氣輪機典型且易發(fā)生的故障，特別是在裝備頻繁啟停過程，轉子上下溫度存在差異導致啟動過程轉子發(fā)生彎曲，熱彎曲嚴重的話會導致燃機內(nèi)部轉靜子發(fā)生碰磨故障，釀成嚴重事故，所以在轉子啟動過程要明確熱彎曲故障機理和特征，便于實時監(jiān)測診斷。

國內(nèi)外對于旋轉機械轉子熱彎曲故障研究較為廣泛。王仲平[1]根據(jù)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗初步分析了汽輪機轉子熱彎曲故障發(fā)生的原因，認為除了加工制造導致熱應力集中外，與轉子熱不平衡也相關，并給出了轉子熱彎曲故障辨識方法；張連祥[2]對航空發(fā)動機轉子熱彎曲故障典型特征進行了相關研究，給出轉子熱彎曲故障具有明顯的時間特征，建議發(fā)動機在連續(xù)啟動前做一次冷運行可以有效降低熱彎曲引起的轉子振動；P.Pennacchi等人[3]對旋轉機械的熱彎曲故障預估準確性進行了相關研究，以某型發(fā)電機轉子為例，采用基本統(tǒng)計信息方法評估了熱彎曲故障識別結果的準確性；西安交通大學的M Zhuo等人[4]提出了一種可以預測復雜轉子熱彎曲故障的分析方法，認為通過齒輪來使轉速平穩(wěn)過渡從而降低熱彎曲引起的轉子振動，并且給出了恰當?shù)牟僮鲿r間；Qilong Hu等人[5]考慮了由軸承中油膜溫差導致的轉子熱彎曲問題，并認為轉子振動是由于熱和初始不平衡引起的，減小初始不平衡量會降低軸承表面溫差，從而降低熱彎曲引起的轉子振動；He Peng等人[6]基于實驗測得的轉子振動位移以及溫度變化實現(xiàn)對熱彎曲故障的預測，提出了多個擬合模型來描述轉子彎曲撓度分布，實驗研究表明采用強制冷卻方式可以有效緩和轉子熱彎曲的發(fā)生；卓明等人[7]以重型燃氣輪機為研究對象，分析了停機過程自然對流下轉子截面的溫度分布，發(fā)現(xiàn)轉子停機靜止時間足夠長溫差趨于0，并且探究了停車后最佳靜止時間，為燃機啟停提供了一定的指導意義；雪偉[8]以實際發(fā)電機轉子為對象，給出了熱彎曲故障分析和處理過程，提供了現(xiàn)場實際解決故障的典型案例；文獻[9-11]都針對旋轉機械的熱彎曲故障特征進行了研究，明確了熱彎曲故障診斷依據(jù)，提供了可以用于實際工業(yè)領域的故障治理對策。

本文以某型實際重型燃氣輪機轉子為對象，?；O計了拉桿轉子，搭建了?；瓧U轉子熱彎曲故障實驗臺，獲得了轉子的一二階臨界轉速，采集了存在熱彎曲故障時，轉子在3 500 r/min下不同運行時間的轉子振動數(shù)據(jù)，對實際機組運行過程熱彎曲故障診斷及監(jiān)測有一定指導意義及參考價值。

1 重型燃氣輪機轉子模型及模化

本文以某型真實重型燃氣輪機為研究對象，見圖1所示，整段重燃轉子為拉桿結構，兩端支承結構等效為彈簧系統(tǒng)，轉子共計兩部分，分別為前端壓氣機部分與尾端渦輪部分，其中前端壓氣機由多個葉片等效輪盤通過拉桿連接，壓氣機與渦輪兩個整體由拉桿連接固定，后端渦輪有三個等效葉片輪盤，兩兩之間通過螺桿相連。

圖1 某型重型燃氣輪機轉子簡化前模型

針對實際模型，進行實驗臺?；D子的設計，開展重型燃氣輪機熱彎曲故障實驗研究，見圖2所示，整個轉子為非連續(xù)拉桿轉子。

圖2 實驗?；闹匦腿細廨啓C轉子

2 重型燃氣輪機轉子熱彎曲故障實驗臺及實驗開展過程

2.1 熱彎曲實驗臺介紹

對于?；闹厝嫁D子來說，兩端支承采用滑動軸承結構，利用聯(lián)軸器與驅(qū)動端增速齒輪箱連接，增速齒輪箱由驅(qū)動電機驅(qū)動，拉桿轉子與增速齒輪箱采用柔性連接，形成完整的轉子實驗臺。

圖3 重型燃氣輪機轉子熱彎曲故障實驗臺

為模擬實際重型燃氣輪機轉子熱彎曲故障，人為制造轉子熱彎曲狀態(tài)。所使用的加熱裝置為加熱瓦，將加熱瓦均勻的貼到加熱桶內(nèi)壁上，如圖4所示。

圖4 轉子熱彎曲加熱桶(上)及加熱桶內(nèi)部加熱瓦局部放大圖(下)

實驗過程中可由加熱控制箱(圖5)控制加熱溫度。加熱控制箱有溫度反饋系統(tǒng)，當加熱溫度達到預制溫度后停止。實驗中將重型燃氣輪子放置加熱桶中，為實現(xiàn)模擬轉子熱彎曲狀態(tài)，只開啟加熱桶上半部分的加熱瓦片，預制溫度為120 ℃。當溫度達到預制溫度后，直接啟動電機。

圖5 轉子熱彎曲故障加熱控制箱

2.2 熱彎曲故障實驗

首先將轉子放置加熱桶中，形成轉子熱彎曲故障實驗臺。將加熱桶中上半周的加熱瓦片通電，設定溫度為120 ℃。加熱桶中有熱電偶溫度反饋傳感器，待加熱溫度達到設定溫度后，停止加熱。

其中轉子前后軸承座附近利用電渦流位移傳感器采集轉子振動時的響應，工控機11、12通道接入的是靠近齒輪箱軸承座附近的傳感器，通道13、14對應的是尾端軸承座的傳感器。

給軸承通油后立即啟動電機，轉子轉速從0 r/min升至3 500 r/min，得到瞬時達到3 500 r/min時通道11的振動數(shù)據(jù)，而后維持轉子3 500 r/min的轉速不變，始終采集轉子振動響應，記錄轉子振動幅值。

3 實驗結果分析

3.1 轉子升速實驗三維譜圖

實驗過程中利用工控機采集了通道11～14的升速結果，如圖6中的(a)、(b)、(c)和(d)所示，記錄了不同通道?；睦瓧U轉子從0 r/min升到3 500 r/min，然后在3 800 r/min附近維持一定時間，最后逐步降速直至轉子停止整個過程的三維譜圖，其中只關注前5階的振動響應。從圖中可以清晰看出，轉子在轉1 070 r/min與3 180 r/min附近分別出現(xiàn)了基頻峰值，對應該?；D子的一、二階臨界轉速，且一階臨界附近的基頻振動峰值要高于二階臨界轉速附近的基頻峰值，之后的二、三、四和五階均出現(xiàn)較小的振動峰值，表明轉子安裝對中狀態(tài)較好。

圖6 實驗過程四個監(jiān)測通道三維譜圖

3.2 熱彎曲實驗不同時間采集的振動數(shù)據(jù)

由于通道11～14振動規(guī)律變化相同，所以此處以實驗臺前軸承座(靠近齒輪箱)的通道11數(shù)據(jù)為例，給出轉子在3 500 r/min附近不同運行時間下的振動響應，這里為了后續(xù)更好地描述解釋轉子熱彎曲故障現(xiàn)象，將轉子轉速達到3 500 r/min瞬時時刻記為轉子在3 500 r/min運行0 s的工況。

圖7～圖10表示轉子在3 500 r/min分別運行0 s、120 s、150 s和360 s的結果，其中每個圖中的(a)、(b)分別表示轉子對應運行時間下的時域和頻域的振動響應，由圖可知，3 500 r/min運行0 s時轉子振動幅值最大，隨著運行時間延長，基頻幅值逐漸降低，且轉子振動時域結果均為正弦波形，且其他倍頻成分很小或幾乎沒有，表明轉子運行過程中僅存在熱彎曲與不平衡故障共同存在。

圖7 3 500 r/min運行0 s時轉子振動結果

圖8 3 500 r/min運行120 s時轉子振動結果

圖9 3 500 r/min運行150 s時轉子振動結果

圖10 3 500 r/min運行360 s轉子振動結果

由于在3 500 r/min附近運行時間較短，轉子振動幅值降低不明顯，提取了11通道通頻振動幅值與基頻幅相等參數(shù)，見表1所示。

表1 3 500 r/min運行不同時間下轉子振動幅相數(shù)據(jù)

轉子振動的通頻與基頻幅值隨運行時間變化規(guī)律見圖11，轉子發(fā)生熱彎曲故障后，主要故障識別參數(shù)是轉子振動通頻和基頻幅值變化，由圖可知，隨著轉子在3 500 r/min運行時間增加，轉子振動的基頻與通頻幅值均下降，且基頻幅值降低先快后慢，而通頻幅值降低先慢后快。

圖11 轉子振動的通頻與基頻幅值

4 結論

本文針對實際某型重型燃氣輪機轉子模型，?；庸ち擞糜跓釓澢收蠈嶒灥睦瓧U轉子，采用滑動軸承支承形式，轉子從0 r/min升至3 500 r/min，然后在3 500 r/min附近運行一定時間，用電渦流位移傳感器采集轉子振動響應，獲取熱彎曲故障典型特征，獲得主要結論如下：

(1)從三維譜圖中可以看出，模化的拉桿轉子的一階臨界轉速為1 070 r/min左右，二階臨界轉速約為為3 180 r/min；

(2)轉子頻繁啟停過程易發(fā)生熱彎曲故障，轉子升至最高轉速3 500 r/min瞬時時刻轉子振動最大，隨著在3 500 r/min附近運行時間增加，轉子溫度分布梯度效應逐漸減弱，基頻與倍頻振動逐漸下降，實際機組運行時出現(xiàn)上述現(xiàn)象表明轉子出現(xiàn)了熱彎曲故障；

(3)機組實際運行過程中，盡量避免頻繁快速啟停，或者啟動過程適當增加暖機時間，可以有效降低熱彎曲故障帶來的危害，另外對轉子啟停過程進行振動監(jiān)測，如果隨著運行時間振動逐漸降低，振動在允許范圍內(nèi)也是可以的；

由于本文開展的是針對某型重型燃氣輪機熱彎曲故障的?；D子實驗，所以實驗溫度及轉速及最高轉速運行條件與實際機組存在差異，但是該模化轉子實驗結果規(guī)律也可以對實際重型燃氣輪機機組運行過程中熱彎曲故障診斷及監(jiān)測有一定參考價值。