近來看到一篇很好的關于汽輪發電機組不平衡故障診斷的文章，內容很詳細，希望給大家帶來一些啟迪和收獲。
轉子不平衡是汽輪機組非常常見問題，統計分析表明，汽輪機組的大部分振動是與轉速同步的振動信號。引起汽輪機組同步振動的原因可能有原始質量不平衡、轉子熱不平衡、轉子熱彎曲、旋轉部件脫落、轉子部件結垢等。這些原因都將導致轉子的不平衡。不同原因引起的轉子不平衡故障的規律基本相近，但也各有特點。例如下圖是在實驗轉子上模擬質量不平衡故障得到的幅值譜和波形圖。
一、轉子質量不平衡
原始質量不平衡指的是轉子開始轉動之前在轉子上已經存在的不平衡。它們通常是在加工制造過程中產生的，或是在檢修時更換轉動部件造成的。
1.故障機理分析
轉子質量不平衡故障產生的機理是，轉子的各橫截面的質心連線與各截面的幾何中心的連線不重合，從而使轉子在旋轉時，各截面離心力構成一個空間連續力系，轉子的撓度曲線為一連續的三維曲線，如圖1所示。這個空間離心力系和轉子的撓度曲線是旋轉的，其旋轉的速度與轉子的轉速相同，從而使轉子產生工頻振動。
2.故障特征分析
當轉子有質量不平衡故障時，在不平衡力的作用下轉子將產生振動，振動的主要特征有：
①轉子的振動是一個與轉速同頻的強迫振動，振動幅值隨轉速按振動理論中的共振曲線規律變化，在臨界轉速處達到最大值。因此，轉子不平衡故障的突出表現為一倍頻振動幅值大，同時出現較小的高次諧波，其頻譜分布呈所謂的“橄樹形”，如上圖2所示；
②在一定的轉速下，振動的幅值和相位基本上不隨時間發生變化；
③軸心運行軌跡為圓形或橢圓形；
④動態下，軸線彎曲成空間曲線，并以轉子轉速繞靜態軸心線旋轉。
這種不平衡的特點除了上面介紹的振幅和相位的常規特征外，它的很顯著特征是“穩定”，這個穩定是指在一定的轉速下振動特征穩定，振幅和相位受機組參數影響不大，與升速或帶負荷的時間延續沒有直接的關聯，也不受啟動方式的影響。具體所測的數據中，在同一轉速，工況相差不大時，振幅波動約20%,相位在10°~20°范圍內變化的工頻振動均可以視為是穩定的。
對于新機組，原始不平衡在第一次升速就會顯現出來，在對轉子進行任何處理之前的升降速振動數據中，特征重復性很好。
大修后的機組，如果較大修前工頻振動變大，則表明大修中必然動過轉子部件，如換葉片、拔護環等。反之，如果轉子上的部件沒有任何變動而出現了工頻振動大的情況，則應仔細分析原因。
3.故障判斷依據
對于汽輪機組而言，無論其平衡狀況有多么好，總是或多或少地存在質量不平衡。所以，其振動頻譜中始終有一倍頻分量，這種情況是允許的。這里有必要引入一個判斷轉子出現不平衡故障的標準。
當轉子出現不平衡故障時，轉子的整體振動水平肯定會超標。在轉子振動水平超標的情況下，利用如下方法來判斷轉子是否出現了不平衡故障：設診斷開始時與轉速同步的振動矢量為Xn,通頻矢量為Xm,當滿足Xn≥a Xm（a=0.7）;且振幅和相位不隨時間發生變化時，機組存在轉子質量不平衡故障。
二、轉子初始彎曲
所謂轉子初始彎曲，是指在冷態和靜態條件下，轉子各橫截面的幾何中心線與轉子兩端軸承的中心連線不重合，從而使轉子產生偏心質量，導致轉子產生不平衡振動。
有初始彎曲的轉子具有與質量不平衡轉子相似的振動特征，所不同的是初始彎曲轉子在轉速較低時振動較明顯，趨于彎曲值。在汽輪機組中，通常用盤車過程中和盤車后所測量的晃度值來判斷轉子是否存在初始彎曲。
三、轉子熱態不平衡
1.故障機理分析
在機組的啟動和停機過程中，由于熱交換速度的差異，使轉子橫截面產生不均勻的溫度分布，使轉子發生瞬時熱彎曲，產生較大的不平衡，從而使轉子產生振動。
轉子熱態彎曲引起的振動一般與負荷有關，改變負荷，振動相應地發生變化，但在時間上較負荷的變化滯后。隨著盤車或機組的穩態運行，整機溫度趨于均勻，振動會逐漸減小。
2.故障特征分析
①轉子的振動頻譜與質量不平衡時的振動頻譜類似；
②振動的幅值和相位隨負荷發生變化；
③在一定的負荷下，振動的幅值和相位隨時間發生變化；
④軸心運動軌跡與質量不平衡時的軸心運動軌跡類似。
3.故障判斷依據
當轉子振動值超標，且滿足Xn≥a Xm的情況下，若振幅和相位隨時間發生變化，則說明轉子存在熱態不平衡故障。
四、轉子部件脫落
1.故障機理分析
平衡狀況良好的轉子在運行中突然有部件脫落時，會引起轉子質量不平衡，在不平衡質量的作用下會使轉子發生振動。當脫落的部件質量相當大時，會使轉子出現嚴重的質量不平衡，從而使轉子的振幅突然增大。尤其是，若轉子的振幅非常大時，就會導致二次事故的發生。
2.故障特征分析
①轉子部件脫落后，轉子的振動頻譜與質量不平衡時的振動頻譜類似；
②轉子部件脫落前后，振動的幅值和相位會突然發生變化；
③部件脫落一段時間后，振動的幅值和相位趨于穩定；
④軸心運動軌跡與質量不平衡時的軸心運動軌跡類似。
五、轉子部件結垢
1.故障機理分析
如果蒸汽的品質長期不合格，隨著時間的推移，將在汽輪機的動葉和靜葉表面上垢，使轉子原有的動平衡遭到破壞，振動增大。由于結垢需要相當長的時間，所以，振動是隨著年月逐漸增大的。并且，由于流通條件變差，軸向推力增加，機組各級間壓力逐漸增大，效率逐漸下降。
2.故障特征分析
①轉子的振動頻譜與質量不平衡時的振動頻譜類似；
②振動的幅值和相位隨時間發生非常緩慢的變化，這種變化有時需要一個月甚至數個月才能發現明顯的差別；
③軸心運動軌跡與質量不平衡時的軸心軌跡類似；
④機組的出力和效率逐漸下降；
⑤各監視段的壓力隨時間的變化而緩慢增加。
