摘 要 电厂中通常根据汽轮机振动信号来间接监测动静摩擦故障,但由于测振仪表的局限性及转子质量较大等原因,效果不理想。针对这种情况,从理论上分析了振动表不能监测摩擦故障的原因,提出可利用声发射信号原理监测汽轮机动静摩擦故障的方法,设计了以8098单片机为核心的监测系统。
关键词 声发射;监测;汽轮机;摩擦
汽轮机运行状态可用许多状态参数表示。可以代表汽轮机安全运行状态的参数主要有两个:即转子振动与摩擦。转子振动可能引起摩擦,摩擦也可能引起振动,因此国内外电力部门都特别重视振动与摩擦的监测。然而由于摩擦很难监测,电厂主要监测振动,而且企图用振动表指示值的变化间接监测摩擦,许多装有振动监测仪表的汽轮机曾发生过很多严重事故,而振动表指示值根本没有变化或变化很小,故寻找一种可直接监测汽轮机动静摩擦的方法成为必然。根据摩擦信号的特点,本文介绍采用声发射信号监测汽轮机动静摩擦的原
理及方法。
1 振动表不能早期监测汽轮机摩擦故障的原因分析
1.1 动静部分发生磨损时作用力分析及转子振动方程式
汽轮机转子与静子发生摩擦故障主要部位有:叶轮与隔板(或静叶),动叶(或围带)与汽缸,轴与汽封,轴颈与轴瓦等。为了简化,将转子受摩擦力作用,用一个简化模型表示,如图1所示。

(1)动叶(或围带)与汽缸发生径向摩擦,轴颈与轴瓦发生径向摩擦时,作用力分为正压力与摩擦力,正压力F通过动叶与叶轮作用于转轴,而摩擦力τ则是切向力,与旋转方向相反。
从转子动力学角度来分析,径向作用力F引起轴横向振动方程式为

由上述三个振动方程式可见,摩擦力引起振动必须具备三个条件:即作用力必须与振动方向一致;作用力必须是周期的;作用力必须足以起振。
1.2 振动表不能早期监测摩擦故障原因分析
原因1:电厂中的常规测振仪表只能测量轴横向振动的幅值X。由上述三式可知,当物体由于摩擦受到X方向激振力F(t)作用时,幅值X由振动表能显示出来,而当物体发生摩擦在Y方向或切向产生振动时,振动表却显示不出变化。
原因2:从式(1)中可以看出,由于汽轮机转子的质量非常大,即m很大,所以摩擦产生的激振力很难使转子失稳而发生振动。因此当磨损已经非常严重时振动表根本无反应。
这样的实例很多,仅东北电网就有十余次。某发电厂20万kW机组密封瓦磨损2mm深而振动表没有变化,另外有许多电厂在揭缸后发现动叶围带早已磨损,个别动叶在汽缸内部打坏了多级叶片,而运行中振动表指示值根本没有变化。用振动表间接监测摩擦故障很不准确,现代监测摩擦故障时采用声发射信号比较理想可靠。
2 声发射信号的特点
2.1 声发射信号的产生
材料结构受外力或内力作用产生变形或断裂,以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射,也就是材料内部所产生的一种弹性波。由于这种弹性波能反映出材料的一些性质,故采用检测声发射信号的方法,可以判断材料或设备的某种状态。声发射监测是一种动态无损检测方法,而且声发射信号来自缺陷本身,因此用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷,当它所处的位置和所受的应力状态不同时,对结构的损伤程度也不同,所以它的声发射特征也有差别,明确了来自缺陷的声发射信号,就可以长期连
续地监视缺陷的安全性。
金属摩擦时,在金属表面的金属晶格将发生变化,在这个过程中,它释放出来的能量以弹性波的形式释放出来,产生声发射。
2.2 声发射信号的传播
对于无限大或半无限大的理想介质,我们可按弹性波的传播规律处理声发射波,根据波动方程式

在实际构件中,声发射波的传播要比理想介质中的传播复杂得多。汽轮机动静摩擦产生的声发射信号经叶片、叶轮、大轴传播,所经过的介质是有限厚度的钢板。声发射波在厚钢板中的传播方式如图2所示,波在传播过程中在两个界面上发生多次反射,每次反射都要发生模式变换,这样传播具有复杂的特性,因此,要处理象声发射波这样的过渡现象是十分困难的。粗略地讲,循轨波的视在传播速度大体上与横波的传播速度相差不多。

2.3 声发射信号的单位
对于声发射信号的单位,现在有几种说法,但也无法统一。一般工程中应用最多的是声发射率。图3示出一个声发射信号的振铃波形。设置某一阈值电压,振铃波形超过这个阈值电压的部分形成矩形脉冲,计数这些振铃脉冲数为4。单位时间的振铃计数称为声发射率。

3 监测系统的构成
基于以上的理论和设计,系统最终构成为:

本系统是以MCS 96系列单片机为核心设计的。MCS 96系列单片机是美国Intel公司推出的, 8098单片机是该系列中面向控制应用领域性能价格比最高的,本设计采用的就是这种单片机。8098单片机内部的CPU寄存器为16位,对外数据通路为8位,便于I/O接口,更方便应用和推广。由于8098单片机没有片内程序存贮器和数据存贮器,所以需扩展外部ROM和RAM。由于金属摩擦声与汽流声等噪音同时存在,必须加以分离。根据实验测得摩擦信号的特征,在滤波器中设置门槛值,以接受所需信号,保证仪器的准确性。
4 应用实例
某电厂200MW汽轮发电机组于1995年9月初机组并网后,汽轮机18级隔板(含静叶)挠度增加,与叶轮发生摩擦,仪表声发射指示值增大,而振动值变化不大。直到9月22日18级静叶因摩掉打入动叶而使机组转子失稳,振动值也增大到60多微米。此时声发射值达到极限值(30dB)。紧急停机后经处理又重新起机,所有数值恢复正常。振动与摩擦信号的变化曲线图5和图6所示。

5 结 论
通过实验验证,本设计方法思路正确、结构合理,弥补了现有汽轮机故障监测系统的不足。本方法与振动信号共同使用,可监测汽轮机大部分的故障,对提高机组运行安全性有一定作用。