基于聲發(fā)射信號的汽輪機動靜摩擦監(jiān)測
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電廠中通常根據汽輪機振動信號來間接監(jiān)測動靜摩擦故障，但由于測振儀表的局限性及轉子質量較大等原因，效果不理想。針對這種情況，從理論上分析了振動表不能監(jiān)測摩擦故障的原因，提出利用聲發(fā)射技術監(jiān)測汽輪機動摩擦故障的方法，并介紹了監(jiān)測系統的組成及應用。
關鍵詞：聲發(fā)射；監(jiān)測；汽輪機；摩擦
汽輪機運行狀態(tài)可用許多狀態(tài)參數表示。可以代表汽輪機安全運行狀態(tài)的參數主要有兩個：即轉子振動與摩擦。轉子振動可能引起摩擦，摩擦也可能引起振動，因此國內外電力行業(yè)都特別重視汽輪機振動與摩擦的監(jiān)測。然而由于以往沒有監(jiān)測摩擦的手段，電廠主要監(jiān)測振動，而且企圖用振動表指示值的變化間接監(jiān)測摩擦，許多裝有振動監(jiān)測儀表的汽輪機曾發(fā)生過很多嚴重摩擦事故，而振動表指示值根本沒有變化或變化很小，故尋找一種可直接監(jiān)測汽輪機動靜摩擦的方法十分必要 。根據摩擦信號的特征，本文介紹采用聲發(fā)射信號監(jiān)測汽輪機動靜摩擦的原理及方法。
1振動表不能早期監(jiān)測汽輪機摩擦故障的原因分析
1.1動靜部分發(fā)生摩擦時作用力分析及轉子振動方程式［１］
汽輪機轉子與靜子發(fā)生摩擦故障主要部位有：葉輪與隔板(或靜葉)，動葉(或圍帶)與汽缸，軸與汽封，軸頸與軸瓦等。為了簡化，將轉 子受摩擦力作用，用一個簡化模型表示，如圖1所示。
(1)動葉(或圍帶)與汽缸發(fā)生摩擦，軸頸與軸瓦發(fā)生摩擦時，作用力分為正壓力與摩擦力，正壓力F通過動葉與葉輪作用于轉軸，而摩擦力T則是切向力，與旋轉方向相反。
從轉子動力學角度來分析，徑向作用力F引起軸橫向振動方程式為：
其中，m為轉子質量;C1為橫向振動阻尼系數，K1為橫向變形剛度系數。
(2)軸向摩擦時作用力分析，葉輪與隔板發(fā)生摩擦時產生軸向正壓力P及切向摩擦力τ。軸向力P引起轉子振動方程式為：
其中，C2為軸向振動阻尼系數；K2為軸向變形剛度系數。
(3)切向力τ引起轉子扭振方程式為：
其中，J為轉動慣量；C3為扭振阻尼系數；K3為扭曲變形剛度系數；M=τ·R。
由上述三個振動方程式可見，摩擦力引起振動必須具備三個條件：即作用力必須與振動方向一致；作用力必須是周期的；作用力必須足以起振。
1.2振動表不能早期監(jiān)測摩擦故障原因分析
原因1：電廠中的常規(guī)測振儀表只能測量軸橫向振動的幅值X，由上述三式可知，當物體由于摩擦受到X方向激振力F(t)作用時，幅值X由振動表能顯示出來，而當物體發(fā)生摩擦在Y方向或切向產生振動時，振動表卻顯示不出變化。
原因2：從式(1)中可以看出，由于汽輪機轉子的質量非常大，即m很大，所以摩擦產生的激振力很難使轉子失穩(wěn)而發(fā)生振動。因此當摩擦已經非常嚴重時振動表根本無反應。
這樣的實例很多，僅東北電網就有十余次。某發(fā)電廠200MW機組密封瓦磨損2mm深而振動表沒有變化。另外，有許多電廠在揭缸后發(fā)現動葉圍帶早已磨損，而運行中振動表指示值根本沒有變化。用振動表間接監(jiān)測摩擦故障很不準確，現代監(jiān)測摩擦故障的理想辦法是采用聲發(fā)射技術。
2聲發(fā)射信號的特點
2.1聲發(fā)射信號的產生
金屬材料或結構受外力或內力作用變形或滑移時以彈性波形式釋放出應變能的現象稱為聲發(fā)射，也就是材料內部所產生的一種彈性波，由于這種彈性波能反映出材料的一些性質，故采用檢測聲發(fā)射信號的方法，可以判斷材料或設備的某種狀態(tài)。聲發(fā)射監(jiān)測是一種動態(tài)無損檢測方法，而且聲射信號來自缺陷本身，因此用聲發(fā)射信號可以判斷數據缺陷的嚴重性。一個同樣大小、同樣性質的缺陷，當它所處的位置和所受的應力狀態(tài)不同時，對結構的損傷程度也不同，所以它的聲發(fā)射特征也有差別，明確了來自缺陷的聲發(fā)射信號，就可以長期連續(xù)地監(jiān)視缺陷的狀況。
金屬摩擦時，在金屬表面的金屬晶格將發(fā)生變化，在這個過程中，它釋放出來的能量以彈性波的形式釋放出來，產生聲發(fā)射。摩擦產生的聲發(fā)射信號如圖2所示。
2.2聲發(fā)射信號的傳播
對于無限大或半無限大的理想介質，我們可按彈性波的傳播規(guī)律處理聲發(fā)射波，根據波動方程式
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