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【摘要】随着我国经济的飞速发展，科学技术也相应得到了很大的提升。现代工业生产的机械设备也正朝着大型化、复杂化、高速化、自动化及大功率方向发展。而汽轮发电机组是电力生产的重要设备，是工业生产的发动机，并且由于其设备结构的复杂性和运行环境的特殊性，汽轮发电机组的故障率不低，而且故障危害性也很大。因此，汽轮发电机组的故障诊断一直是故障诊断技术应用的一个重要方面。本文指出了在汽轮机故障诊断研究的相关问题。
【关键词】汽轮机 故障诊断
【 Abstract 】 Along with the rapid development of China's economy, science and technology and the corresponding get a great advance. Modern industrial production machinery equipment is also toward large-scale, complicated and fast pace, automation and power development direction. And steam turbine unit is the important power production equipment, industrial production is the engine, and the complexity of the structure due to its equipment and operation special environment, turbine failure rate is not low, and the harm fault is very big also. Therefore, turbine failure diagnosis has been fault diagnosis technology of application is an important aspect. This paper points out that the fault diagnosis of the research in the steam turbine related problem.
【 Key Words 】 steam turbine, fault diagnosis
中图分类号：U226.8+1文献标识码：A 文章编号：
前言
近年来，随着工业生产和科学技术的发展，机械设备的可靠性、可用性、可维修性与安全性的问题日益突出，从而促进了人们对机械设备故障机理及诊断技术的研究。本文根据汽轮机故障诊断技术的发展分析，指出了目前在汽轮机故障诊断研究中存在的问题，着重分析了叶片转子的问题。
一、汽轮机简介
汽轮机是一种以蒸汽为介质，并将蒸汽的热能转换为机械能的旋转机械，
是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。它具有单机功率大、效率高、运转
平稳和使用寿命长等优点。无论是在常规的火电厂还是在核电站中，都安装有汽轮机为原动机的汽轮发电机组。由于汽轮机也能变速运行，所以还是它直接驱动
各种泵、风机、高炉鼓风机、压气机和船舶的螺旋桨等。汽轮机的排汽和中间
抽汽可用以满足生产和生活上供热的需要。所以，到目前为止，汽轮机无论在
生产电能还是供应热能方面，都发挥着极其重要的作用。
汽轮机诊断技术
1、故障机理
故障机理是故障的内在本质和产生原因。故障机理的研究是故障诊断中的一个非常基础而又必不可少的工作。目前对汽轮机故障机理的研究主要从故障规律。故障征兆和故障模型等方面进行。由于大部分轴系故障都在振动信号上反映出来，因此，对轴系故障的研究总是以振动信号的分析为主。
2、传感器技术
由于汽轮机工作环境恶劣，所以在汽轮机故障诊断系统中，对传感器性能要求就更高。目前对传感器的研究，主要是提高传感器性能和可靠性、开发新型传感器，另外也有相当一部分力量在研究如何诊断传感器故障以减少误诊和漏诊率，并且利用信息融合進行判断。
3、复杂故障的机理
对故障机理的了解是在准确诊断故障的前提。目前，对汽轮机的复杂故障，有些很难从理论上给出解释，对其机理的了解并不清楚。比如在非稳定热太下轴系的弯扭复合振动问题等，这将是阻碍汽轮机故障诊断技术发展的主要障碍之一。
汽轮机叶片转子问题
实例
设备概况
湖南某电厂#1机系东方集团公司生产，汽轮机型号N300-16.7/537/537-4(高中压合缸)，为亚临界中间再热两缸两排汽凝汽式，1998年投入运行。发电机型号QFSN-300-2，“水氢氢”冷却方式。轴系由高中压转子、低压转子、发电机转子和励磁机转子组成，各转子之间用刚性靠背轮连接（图1）。#1、#2五瓦块可倾瓦轴承为落地式，#3、#4椭圆瓦轴承座落在排汽缸上，#5、#6椭圆瓦轴承为端盖式，#7、#8轴承与励磁机一起座落在整体台板上。
图1 东方3000MW机组轴系结构
问题
2004年8月27日11：15分到11：16分短短10秒钟内，#3瓦振从18μm骤涨到70μm，1倍频相位增加了135度，#3X轴振从55μm上涨到237μm，#3Y轴振从25μm上涨到120μm；#4瓦振从19μm上涨到49μm，1倍频相位也增加了104度， #4X轴振从36μm上涨到238μm，#4Y轴振从33μm上涨到121μm；#1X轴振从84μm上涨到186μm，#1轴振Y、瓦振都有所增加，而#2轴振、瓦振反而有所降低；#5、6瓦振略有上涨，#7、8瓦振变化不大。
通过仔细地检查和查找，发现低压转子#3瓦侧第4级叶片断裂一片、部分围带飞脱。
由以上实例可知汽轮机叶片为问题的关键。
叶片转子材料
对于汽轮机低压叶片来说，叶片材料的最首要条件是材料在高速流动的离心应力和弯曲应力的拉伸屈服强度。
疲劳强度和腐蚀疲劳强度 因为大多数的叶片破坏是由于疲劳造成的，所以足够的疲劳强度对于叶片材料是极为重要的。但是，叶片具体部位的疲劳强度极限并不是在整个交变载荷下的最高疲劳极限，而是被叠加于一个给定的由离心力和蒸汽弯曲载荷所引起的稳定应力上的允许振动应力值。振动应力极限同稳定应力间的关系如图2所示。
图2
延展性和冲击强度 至少有3种原因要求汽轮机叶片材料具有延展性。第一，设计中需考虑叶片根部、拉筋及围带等叶片局部几何形状复杂的部位。第二，用铆接的围带将叶片连接成组：铆钉上端是铆钉头，而铆钉头是构成叶片的一个部分，所以必须有足够的延展性(可锻性)以利于铆钉头成型。第三，如果叶片能够产生塑性变形以抑制外来的破坏，事故就会限定在一个适当的范围内。而如果叶片是脆性的，并且破裂成碎块，汽轮机运行中将会使部件遭受灾难性的破坏。
冲击强度在上述情况下也起着很重要的作用，因为叶片同异物的最初接触通常都是突然的。要依靠叶片材料的冲击强度来吸收冲击能，同时抵抗抽汽管内聚集的水分的冲击。
延展性和冲击强度被列为选择叶片材料第二重要的性能。除非材料具有一定程度的延展性和冲击强度，否则是不能用做叶片材料的。
冲蚀抗力
汽轮机至少要经受两种不同形式的冲蚀，常规火电机组汽轮机的高压第一级和中压第一级可能受到固体颗粒的冲蚀。这些颗粒是来自过热器和再热管道中的积垢。而汽轮机低压部分的某些级则要受到水滴的冲蚀。汽轮机低压部分的这些水滴不是在凝结过程中产生的原始雾滴，而是雾滴在固体表面上沉积而产生的很大的水滴，这些水滴聚集成薄膜，薄膜受到蒸汽冲击而破裂。蒸汽中的湿汽仅有一小部分在这一过程形成水滴。在具有延展性金属合金中，金属抵抗固体颗粒冲蚀的能 力没有多大差别。并且对给定的材料来说用热处理的方法也不能使其有明显的改善。但是同样一组合金抗水滴冲蚀 的能力却有巨大的差别，目前公认的衡量浸蚀抗力的参数为N e，ASTM将其定义为试验材料的体积损耗率。
几乎所有的汽轮机制造厂都采用相同的措施，以保护末级及次末级动叶片的进汽边顶部防止水蚀。这类保护方法包括焊接司太立合金片、高硬度的工具钢片、喷丸硬化表面层及将叶片局部进行电火花硬化等。
采取水蚀防护措施并不意味着叶片材料的抗浸蚀能力变得不重要了。防护层仅仅能保护叶片上受浸蚀最严重的有限部位，而叶片的其它部分仍然要遭受到浸蚀。所以，基材抗冲击能力愈好，在叶片上需加保护层的范围就愈小。
4）材料的减振性能 汽轮机叶片的振动应力与阻尼成反比，以对数衰减率 δ 表示。它表示每个振动循环所消耗的能量，是振动结构件最大动能的一部分。对于汽轮机叶片材料来说，如果排除了其它减振形式，减振性能同疲劳强度一样重要。因为防止疲劳破坏的安全系数取决于S δ 的乘积，其中S e 是有效疲劳极e限，δ是由材料减振性能所决定的对数衰减率。因此，在选择叶片材料时，必须仔细考虑它的减振性能。12 %Cr 钢之所以被应用得如此广泛的原因之一就是这种钢具有优异的减 振性能。显然，对于叶片材料来说，低的缺口敏感性是十分理想的，不幸的是，人们发现钢的缺口敏感性有随拉伸强度增加而增加的趋势。
四、汽轮机故障诊断的发展前景与趋势
1、全方位的检测技术
针对汽轮机及其系统各种故障的各种新检测技术将是一个主要的研究方向，会出现许多重要成果。
2、知识表达，获取和系统自学习
知识的表达，获取和学习一直是诊断系统研究的热点，但未取得重大突破，它仍将是继续研究的热点。
3、故障机理的深入研究
任何时候，故障机理的深入研究都将推动故障诊断技术的发展。故障机理的研究将集中在对渐发故障定量表征的研究上，研究判断整个系统故障状态的指标体系及其判断值将是另一个重要方向。
4、综合诊断
汽轮机故障诊断，将从以振动诊断为主向考虑热影响诊断，性能诊断，逻辑顺序诊断，油液诊断，温度诊断等综合诊断发展，更符合汽轮机的特点和实际。
结语
汽轮机的故障诊断与状态监测技术对电厂的作用和意义不言而喻，而我国又在故障诊断技术方面的研究起步较晚，本文就气轮机零部件常见事故进行讨论分析，希望本文的探讨可为今后的应用提供参考。
参考文献
【1】王喜渡．现代管理技术在汽轮机维护中的应用[J]．电力科技，2008，11
【2】李广胜．国外汽轮机技术发展现状[J]．電力信息科技，2007，12
【3】彭昭、蒋东翔、钱立军．汽轮发电机组故障特征分析与仿真田．汽轮机技术，2003—02—28
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】汽轮机 故障诊断
【 Abstract 】 Along with the rapid development of China's economy, science and technology and the corresponding get a great advance. Modern industrial production machinery equipment is also toward large-scale, complicated and fast pace, automation and power development direction. And steam turbine unit is the important power production equipment, industrial production is the engine, and the complexity of the structure due to its equipment and operation special environment, turbine failure rate is not low, and the harm fault is very big also. Therefore, turbine failure diagnosis has been fault diagnosis technology of application is an important aspect. This paper points out that the fault diagnosis of the research in the steam turbine related problem.
【 Key Words 】 steam turbine, fault diagnosis
中图分类号：U226.8+1文献标识码：A 文章编号：
前言
近年来，随着工业生产和科学技术的发展，机械设备的可靠性、可用性、可维修性与安全性的问题日益突出，从而促进了人们对机械设备故障机理及诊断技术的研究。本文根据汽轮机故障诊断技术的发展分析，指出了目前在汽轮机故障诊断研究中存在的问题，着重分析了叶片转子的问题。
一、汽轮机简介
汽轮机是一种以蒸汽为介质，并将蒸汽的热能转换为机械能的旋转机械，
是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。它具有单机功率大、效率高、运转
平稳和使用寿命长等优点。无论是在常规的火电厂还是在核电站中，都安装有汽轮机为原动机的汽轮发电机组。由于汽轮机也能变速运行，所以还是它直接驱动
各种泵、风机、高炉鼓风机、压气机和船舶的螺旋桨等。汽轮机的排汽和中间
抽汽可用以满足生产和生活上供热的需要。所以，到目前为止，汽轮机无论在
生产电能还是供应热能方面，都发挥着极其重要的作用。
汽轮机诊断技术
1、故障机理
故障机理是故障的内在本质和产生原因。故障机理的研究是故障诊断中的一个非常基础而又必不可少的工作。目前对汽轮机故障机理的研究主要从故障规律。故障征兆和故障模型等方面进行。由于大部分轴系故障都在振动信号上反映出来，因此，对轴系故障的研究总是以振动信号的分析为主。
2、传感器技术
由于汽轮机工作环境恶劣，所以在汽轮机故障诊断系统中，对传感器性能要求就更高。目前对传感器的研究，主要是提高传感器性能和可靠性、开发新型传感器，另外也有相当一部分力量在研究如何诊断传感器故障以减少误诊和漏诊率，并且利用信息融合進行判断。
3、复杂故障的机理
对故障机理的了解是在准确诊断故障的前提。目前，对汽轮机的复杂故障，有些很难从理论上给出解释，对其机理的了解并不清楚。比如在非稳定热太下轴系的弯扭复合振动问题等，这将是阻碍汽轮机故障诊断技术发展的主要障碍之一。
汽轮机叶片转子问题
实例
设备概况
湖南某电厂#1机系东方集团公司生产，汽轮机型号N300-16.7/537/537-4(高中压合缸)，为亚临界中间再热两缸两排汽凝汽式，1998年投入运行。发电机型号QFSN-300-2，“水氢氢”冷却方式。轴系由高中压转子、低压转子、发电机转子和励磁机转子组成，各转子之间用刚性靠背轮连接（图1）。#1、#2五瓦块可倾瓦轴承为落地式，#3、#4椭圆瓦轴承座落在排汽缸上，#5、#6椭圆瓦轴承为端盖式，#7、#8轴承与励磁机一起座落在整体台板上。
图1 东方3000MW机组轴系结构
问题
2004年8月27日11：15分到11：16分短短10秒钟内，#3瓦振从18μm骤涨到70μm，1倍频相位增加了135度，#3X轴振从55μm上涨到237μm，#3Y轴振从25μm上涨到120μm；#4瓦振从19μm上涨到49μm，1倍频相位也增加了104度， #4X轴振从36μm上涨到238μm，#4Y轴振从33μm上涨到121μm；#1X轴振从84μm上涨到186μm，#1轴振Y、瓦振都有所增加，而#2轴振、瓦振反而有所降低；#5、6瓦振略有上涨，#7、8瓦振变化不大。
通过仔细地检查和查找，发现低压转子#3瓦侧第4级叶片断裂一片、部分围带飞脱。
由以上实例可知汽轮机叶片为问题的关键。
叶片转子材料
对于汽轮机低压叶片来说，叶片材料的最首要条件是材料在高速流动的离心应力和弯曲应力的拉伸屈服强度。
疲劳强度和腐蚀疲劳强度 因为大多数的叶片破坏是由于疲劳造成的，所以足够的疲劳强度对于叶片材料是极为重要的。但是，叶片具体部位的疲劳强度极限并不是在整个交变载荷下的最高疲劳极限，而是被叠加于一个给定的由离心力和蒸汽弯曲载荷所引起的稳定应力上的允许振动应力值。振动应力极限同稳定应力间的关系如图2所示。
图2
延展性和冲击强度 至少有3种原因要求汽轮机叶片材料具有延展性。第一，设计中需考虑叶片根部、拉筋及围带等叶片局部几何形状复杂的部位。第二，用铆接的围带将叶片连接成组：铆钉上端是铆钉头，而铆钉头是构成叶片的一个部分，所以必须有足够的延展性(可锻性)以利于铆钉头成型。第三，如果叶片能够产生塑性变形以抑制外来的破坏，事故就会限定在一个适当的范围内。而如果叶片是脆性的，并且破裂成碎块，汽轮机运行中将会使部件遭受灾难性的破坏。
冲击强度在上述情况下也起着很重要的作用，因为叶片同异物的最初接触通常都是突然的。要依靠叶片材料的冲击强度来吸收冲击能，同时抵抗抽汽管内聚集的水分的冲击。
延展性和冲击强度被列为选择叶片材料第二重要的性能。除非材料具有一定程度的延展性和冲击强度，否则是不能用做叶片材料的。
冲蚀抗力
汽轮机至少要经受两种不同形式的冲蚀，常规火电机组汽轮机的高压第一级和中压第一级可能受到固体颗粒的冲蚀。这些颗粒是来自过热器和再热管道中的积垢。而汽轮机低压部分的某些级则要受到水滴的冲蚀。汽轮机低压部分的这些水滴不是在凝结过程中产生的原始雾滴，而是雾滴在固体表面上沉积而产生的很大的水滴，这些水滴聚集成薄膜，薄膜受到蒸汽冲击而破裂。蒸汽中的湿汽仅有一小部分在这一过程形成水滴。在具有延展性金属合金中，金属抵抗固体颗粒冲蚀的能 力没有多大差别。并且对给定的材料来说用热处理的方法也不能使其有明显的改善。但是同样一组合金抗水滴冲蚀 的能力却有巨大的差别，目前公认的衡量浸蚀抗力的参数为N e，ASTM将其定义为试验材料的体积损耗率。
几乎所有的汽轮机制造厂都采用相同的措施，以保护末级及次末级动叶片的进汽边顶部防止水蚀。这类保护方法包括焊接司太立合金片、高硬度的工具钢片、喷丸硬化表面层及将叶片局部进行电火花硬化等。
采取水蚀防护措施并不意味着叶片材料的抗浸蚀能力变得不重要了。防护层仅仅能保护叶片上受浸蚀最严重的有限部位，而叶片的其它部分仍然要遭受到浸蚀。所以，基材抗冲击能力愈好，在叶片上需加保护层的范围就愈小。
4）材料的减振性能 汽轮机叶片的振动应力与阻尼成反比，以对数衰减率 δ 表示。它表示每个振动循环所消耗的能量，是振动结构件最大动能的一部分。对于汽轮机叶片材料来说，如果排除了其它减振形式，减振性能同疲劳强度一样重要。因为防止疲劳破坏的安全系数取决于S δ 的乘积，其中S e 是有效疲劳极e限，δ是由材料减振性能所决定的对数衰减率。因此，在选择叶片材料时，必须仔细考虑它的减振性能。12 %Cr 钢之所以被应用得如此广泛的原因之一就是这种钢具有优异的减 振性能。显然，对于叶片材料来说，低的缺口敏感性是十分理想的，不幸的是，人们发现钢的缺口敏感性有随拉伸强度增加而增加的趋势。
四、汽轮机故障诊断的发展前景与趋势
1、全方位的检测技术
针对汽轮机及其系统各种故障的各种新检测技术将是一个主要的研究方向，会出现许多重要成果。
2、知识表达，获取和系统自学习
知识的表达，获取和学习一直是诊断系统研究的热点，但未取得重大突破，它仍将是继续研究的热点。
3、故障机理的深入研究
任何时候，故障机理的深入研究都将推动故障诊断技术的发展。故障机理的研究将集中在对渐发故障定量表征的研究上，研究判断整个系统故障状态的指标体系及其判断值将是另一个重要方向。
4、综合诊断
汽轮机故障诊断，将从以振动诊断为主向考虑热影响诊断，性能诊断，逻辑顺序诊断，油液诊断，温度诊断等综合诊断发展，更符合汽轮机的特点和实际。
结语
汽轮机的故障诊断与状态监测技术对电厂的作用和意义不言而喻，而我国又在故障诊断技术方面的研究起步较晚，本文就气轮机零部件常见事故进行讨论分析，希望本文的探讨可为今后的应用提供参考。
参考文献
【1】王喜渡．现代管理技术在汽轮机维护中的应用[J]．电力科技，2008，11
【2】李广胜．国外汽轮机技术发展现状[J]．電力信息科技，2007，12
【3】彭昭、蒋东翔、钱立军．汽轮发电机组故障特征分析与仿真田．汽轮机技术，2003—02—28
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。