【正文】 生較大負(fù)脹差。由于機組啟動過程中升速、升負(fù)荷速度過快，低負(fù)荷暖機時間太短產(chǎn)生較大的正脹差；也可能 是因為 停機過程中降負(fù)荷速率過大產(chǎn)生較大的負(fù)脹差?？紤]到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的上浮、扣缸后的下壓作用等，可能會在徑向上預(yù)留少量的間隙，但這個量值一般不會很大 [25]。因此，間隙量的控制在一定程度上和設(shè)計、 安裝以及 檢修人員的經(jīng)驗有關(guān)。 實際上，通流部分的動靜間隙是受多種因素影響的。有時是設(shè)計上的缺陷造成的，設(shè)計人員將間隙定為過小的量值，向安裝部門提供的間隙要求值太小。 （ 3）由于汽輪機轉(zhuǎn)子與軸承的差別振動過大而引起動靜部件的碰摩。大型汽輪機低壓缸的剛度小，抽真空后易變形。引起汽缸變形的 主要 原因是上下缸溫差大，南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 14 使汽缸發(fā)生弓背變形。徑向碰摩主要發(fā)生在汽輪機前后汽封， 動葉圍帶汽封 及 隔板汽封 等部位；軸向碰摩常發(fā)生于汽輪機隔 板與 葉輪 、 轉(zhuǎn)子 之間。 另外，按照摩擦嚴(yán)重的程度 可 分為早期碰摩、中期碰摩和晚期碰摩。 按轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)與靜止部件的接觸情況分為整周碰摩和部分碰摩。 碰摩的種類 圖 1 動靜碰摩的種類 如圖 1 所示 ， 按摩擦的部位可分為徑向碰摩、軸向碰摩和組合碰摩。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 13 第二章 汽輪機動靜碰摩故障機理及信號特征分析 隨著機組參數(shù)的不斷提高，動靜間隙不斷減小，機組在運行過程中，由于裝配不良、 軸彎曲、機械松動、 轉(zhuǎn)子不平衡量過大或零部件缺陷等原因，可 能導(dǎo)致動靜部件之間發(fā)生碰摩。 Huang在 HHT提出的同時，也指出了其算法中仍存在許多需要改進的地方， 邊界處理、包絡(luò)線或均值曲線的擬合、篩分停止準(zhǔn)則及 EMD終止條件、模態(tài)混疊等方面的問題影響了 HHT的分析效果?，F(xiàn)在的 HHT就 如 同 80年代早期的小波分析，產(chǎn)生了眾多有用的結(jié)果卻在等待 建立 數(shù)學(xué) 理論 來證明我們的例子，其理論框架的建立 將是一個漫長的艱苦過程。目前對 HHT多偏于實驗以及應(yīng)用的研究，這些實驗和應(yīng)用有助于對 HHT性質(zhì)的理解，但 仍 沒有找到一個明確的解析定義來解 釋這些現(xiàn)象。 HilbertHuang 變換存在的困難 HHT是一種很直觀 、很 合理的信號分析方法，從提出至今，產(chǎn)生了許多可喜成果，展示了其無比魅力，但作為一種 “經(jīng)驗 ”的算法，在許多方面仍存在許多困難。胡勁松 [26]把經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法引入了旋轉(zhuǎn)機械振動信號濾波，并提出了自相關(guān)預(yù)處理的 EMD方法。沈國際 [24]給出了 EMD分解中多頻信號分離的一個必要條件，并用于齒輪箱故障振動信號的分離。鐘佑明 [21]提出并論證了Hilbert變換的局部乘積定理，給出了 HHT的統(tǒng)一理論依據(jù)輪廓，并提出了邊際譜與傅里葉頻譜之間本質(zhì)區(qū)別的新觀點 [22]。余泊 [19]提出了自適應(yīng)時變?yōu)V波分解 (ATVFD)經(jīng)驗篩法，通過時變?yōu)V波直接擬合均值曲線，提高了分解速度和精度。 Peng提出了 小波分析 與 EMD相結(jié)合的改進算法，并應(yīng)用于振動信號處理。 Flandrin和 Wu Zhao hua分別利用高斯噪聲、白噪聲驗證了 EMD本質(zhì)上是類似小波分解的、恒品質(zhì)因數(shù)的帶通濾波器。 EMD為信號處理研究開辟了一個新的途徑，在機械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷方面， EMD應(yīng)用于轉(zhuǎn)子 碰摩、 裂紋、扭轉(zhuǎn)振動分析、齒輪、軸剝、機床設(shè)備監(jiān)測與診斷。 EMD分解能夠 自適應(yīng)的 把 信號分解成多個 固有 模態(tài)函數(shù)。 EMD分解后對每一個 IMF進行 Hilbert變換，得到其瞬時頻率 ， 并將其 用 以南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 11 時間 頻率為坐標(biāo)的平面表示出來，稱為 Hilbert譜。其 本質(zhì) 是，將原始信號經(jīng) EMD分解成一系列稱為 固有模態(tài) 函數(shù)（ Intrinsic mode function， IMF）的組合，然后對每個 IMF利用解析信號相位求導(dǎo)定義計算出有意義的瞬 時頻率及瞬時幅值， 從而 獲得信號的時頻譜。在地球物理學(xué)領(lǐng)域，如 海洋環(huán)流分析、地震波分析、 非線性水波分析、潮汐和海嘯分析等；在天文學(xué)領(lǐng)域，太陽中微子數(shù)據(jù)的分析等。 HilbertHuang 變換的研究現(xiàn)狀 HilbertHuang 變換 (HHT)由于具有自適應(yīng)性 且 有效地分析 非線性 、 非平穩(wěn)信號 ，從其公開發(fā)表到現(xiàn)在短短幾年 ，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注并 廣泛 應(yīng) 用于 科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域： 在設(shè)備診斷領(lǐng)域，如潛艇葉片的故障診斷、旋轉(zhuǎn)機械故障診斷；在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，如橋梁的監(jiān)測、結(jié)構(gòu)的辨識和模態(tài) 響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)破壞檢測等 。 HilbertHuang變換 (HHT)是 1998年由 NASA 的 Norden E Huang 等人提出，作為一個嶄新的時頻分析方法，它完全獨立于傅 里 葉變換，能夠進行非線性、非平穩(wěn)信號的線性化 、 平穩(wěn)化處理，被認(rèn)為是近年來對以傅 里 葉變換為基礎(chǔ)的線性和穩(wěn)態(tài)譜分析的一個重大突破。 為了能 夠 反映出頻 率 隨時間變化的規(guī)律，人們提出了時頻聯(lián)合分析法，即將一維時間信號以二維時頻密度函數(shù)表示出來，旨在揭示信號中包含多少頻率分量，以及每一分量是如何隨時間變化的。 HilbertHuang 變換的的發(fā)展 HilbertHuang 變換的提出 傅里葉變換在傳統(tǒng)信號分析與處理 上發(fā)揮了重要作用，但由于它是全局變換， 不具備時間和頻率的 “定位 ”功能，因此只適合分析和處理平穩(wěn)信號。 大型汽輪機組的結(jié)構(gòu)特點和運行條件特點，決定了汽輪機組的故障診斷要快速、 實時 、 準(zhǔn)確和 高效 。 而在線 診斷系統(tǒng)的研制與開發(fā)，實際上是對上 述各研究領(lǐng)域的成果進行集成， 包括硬件方面 和 軟件方面的集成。 故障診斷領(lǐng)域的重點一直 都 是 診斷方法的研究。常用的診斷策略有對比診斷、 統(tǒng)計診斷、 邏輯診斷、 模糊診斷、模式識別、 專家系統(tǒng)、 基于灰色理論的診斷和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷。 汽輪機故障診斷機理的研究方法主要有現(xiàn)場試驗法、實驗室模擬研究法和計算機仿真法。目前，主要是從 故障征兆、 故障規(guī)律和故障模型等方面 研究 汽輪機組故障機理。目前，正在研究的信號分析與處理方法有變時基 FFT、短時基 FFT、 小波分析 、 Winger 變換、 時 頻分析、全息譜分析、延時嵌 陷分析、信號的分維數(shù)計算等。FFT 的 思想在于將一般時域信號表示為具有不同頻域的諧波函數(shù)的線性疊加，由于該變換 認(rèn)為信號是平穩(wěn)的， 因此 分析出 來 的頻率具有統(tǒng)計不變性。 在信號分析與處理研究領(lǐng)域中 ，最具有吸引力 的是振動信號的分析與處理。 由于汽輪機組工作環(huán)境的特殊性 (高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高應(yīng)力 )，所以在汽輪機故障診斷系統(tǒng)中，對傳感器的要求很高。 通過監(jiān)測得到大量 的設(shè)備 狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以更充分地了解 設(shè)備 的性能，為改進設(shè)備設(shè)計、制造水平及產(chǎn)品質(zhì)量提供有力的 保障 。 一旦發(fā)生故障，能自動記錄下故障的完整 信息和 數(shù)據(jù)， 有利于 事后進行故障原因分析，縮短維修時間 ，減少維修 費用，提高設(shè)備利用率，避免 同類事故 再次發(fā)生。若設(shè)備異常，則經(jīng)過分析，判斷故障原因，以便維修；或者在故障尚未發(fā)生之前，預(yù)報可能發(fā)生的故障，以便提前采取措施，避免事故 的 發(fā)生 。 值得一提的是 ，基于 EMD 的時頻分析方法既適合于非線性、非平穩(wěn)信號 的 分析，也適合于線性、平穩(wěn)信號 的 分析，國內(nèi)外許多學(xué)南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 8 者都 對 這方面 進行了 大量 的研究， 也 取得了很大 成果 [18]。每個 EMD 分解出的 固有 模態(tài)函數(shù) (Intrinsic Mode Function， IMF)都是單組分的，相當(dāng)于序列的每一點只有一個瞬時頻率，無其他頻率成分的疊加 。美國華裔科學(xué)家 于 1998年提出了 HilbertHuang 變換，這是一種全新的信號分析理淪，它 完全不同于傅里葉變換 以 及上述幾種時頻分析理論，在理論上不受 海森伯格 測不準(zhǔn)原理的約束，為非穩(wěn)態(tài)信號分析提供了一個全新的方法。以 上的時頻分析方法在一定程度上解決了非穩(wěn)態(tài)信號分析的困難，但是 這 幾種 方法 從本質(zhì)上說都是積分理論，都要受海森伯格 (Heisenberg)測不準(zhǔn)原理的約束，因此對非穩(wěn)態(tài)信號 的 分析存在局限性。實踐證明，基于平穩(wěn)信號處理的監(jiān)測診斷方法已不能滿足工程應(yīng)用的 需求 ，研究開發(fā)處理非平穩(wěn)信號的方法是 促進監(jiān)測診斷 技術(shù) 不斷發(fā)展的客觀 原因 。機械設(shè)備在運行過程中的多發(fā)故障，將導(dǎo)致 非平穩(wěn)性 動態(tài)信號的出現(xiàn)， 所以 ，非平穩(wěn)性可 用來 表征某些故障的存在。隨著信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展進步，人們對信號的分析和理解也更加深刻和全面，對信號分析 的 更高要求 也 促進了這門學(xué)科 的 進一步發(fā)展。 在故障診斷技術(shù)中，信號處理技術(shù)一直處于核心地位。 我國 是從 20 世紀(jì) 70 年代末期開 展 設(shè)備診斷技術(shù)研究和開發(fā) 的 ，由 國家經(jīng)委下屬的中國設(shè)備管理協(xié)會積極推動和組織這項技術(shù)在國內(nèi)各產(chǎn)業(yè)部門的應(yīng)用和開發(fā)。其他民辦企業(yè)，如三菱重工、 東芝電器、日立制作所 、 川崎重工 等也以企業(yè)內(nèi)部工作為中心，開展了一些應(yīng)用水平較高的實用項目。 1971年，日本開始 發(fā)展全員生產(chǎn)維修 (TPM)，經(jīng)過6年的努力，診斷技術(shù) 已 達(dá)到了實用階段。此外，還有以 Bentley Navada公司的 DDM系統(tǒng)和 ADRE系統(tǒng)為代表的多種機組在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)等 [1314]。 此外 ，美國還在航空航天、軍用機械等領(lǐng)域的故障診斷研究方面取得了一系列有特色的成果。 1971年 ， MFPG劃歸美國國家標(biāo)準(zhǔn)局 (NSB)領(lǐng)導(dǎo)， 正式 成為一個官方組織。 真正意義上的診斷技術(shù)產(chǎn)生于 20世紀(jì) 60年代初期。 進一步將HHT方法應(yīng)用于局部碰摩的早期診斷和全 周 碰摩的故障特征分析，采用 EMD方法分解轉(zhuǎn)子碰摩振動信號，通過瞬時頻率分析識別轉(zhuǎn)子碰摩故障。 轉(zhuǎn)子的碰摩故障發(fā)生時，轉(zhuǎn)子的周期性碰撞 ， 使得轉(zhuǎn)軸振動在 由 不平衡質(zhì)量引起的強迫同步響應(yīng) 的 基礎(chǔ)上疊加了一個沖擊響應(yīng)和一個由碰撞力決定的周期振動，由于碰摩故障的瞬態(tài)特性，分析碰摩故障發(fā)生的瞬時頻率特征能夠更準(zhǔn)確地反映出碰摩發(fā)生的過程。 EMD從本質(zhì)上講 就 是把一個 非平穩(wěn) 信號進行平穩(wěn)化處理，其結(jié)果是將信號中不同尺度的波動或趨勢逐級分解，產(chǎn)生一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列 —— 固有 模態(tài)函數(shù)，再 通過 Hilbert變換 得到 瞬時頻率及幅值。近年來，新的信號處理方法，特別是非平穩(wěn)信號 的 處理方法在碰摩故障特征提取中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了一定成果，如小波分析 [7]、奇異值分解、雙譜分析等。 目前對碰摩故障的研究主要有以下 幾 方面： ① 通過建立數(shù)學(xué)模型，研究碰摩的發(fā)生及發(fā)展過程 [4]； ② 通過模擬實驗研究不同碰摩狀態(tài)下的故障特征 [5]；③ 對碰摩故障特征提取方法的研究 [6]。局部碰摩 會 逐 步演化 導(dǎo)致全周碰摩，即轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動中始終與定子接觸。轉(zhuǎn)子碰摩分為局部碰摩和全周碰摩。除設(shè)計原因之外， 還有 很多種 原因 引起碰摩 ，如 轉(zhuǎn)子不平衡、 軸的撓曲、 氣體動力南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 5 作用、轉(zhuǎn)子不對中及 轉(zhuǎn)子與靜子熱膨脹不一致等。 在高速、高壓汽輪發(fā)電機或離心壓縮機 等旋轉(zhuǎn)機械中，為了提高機組效率，往往把軸封、 葉片頂隙 、油封間隙和 級間密封 設(shè)計得較小，以減小氣體泄漏。一旦發(fā)生故障，輕則停機，造成重大的直接經(jīng)濟損失；重則造成 機毀人亡 ，引起嚴(yán)重的社會后果。 然而 在高轉(zhuǎn)速 和 高應(yīng)力狀態(tài)下，部件承受 很 大 的 載荷， 而 且常承受各種交變應(yīng)力的作用。 汽輪機組在電力、 鋼鐵、 冶金、 化工、 船舶等領(lǐng)域里具有廣泛的 應(yīng)用 。 但是 隨著汽輪機 技術(shù) 的不斷發(fā)展， 相應(yīng)的故障也隨之產(chǎn)生。 研制 大型汽輪機組 是汽輪機發(fā)展的一個重要方向，其中研制更長的末級葉片 是進一步發(fā)展大型汽輪機 組 的關(guān)鍵；研究提高熱效率 則 是汽輪機發(fā) 展的另一方向， 而 采用更高蒸汽參數(shù)和二次再熱，研制調(diào)峰機組，推廣供熱汽輪機的應(yīng)用則是這方面發(fā)展的重要趨勢。 1956 年 ， 哈爾濱汽輪機廠建廠，先后設(shè)計制造了中國第一臺25MW、 50MW、 100MW 和 200MW 汽輪機 ， 80 年代從 西屋公司引進了 300MW和 600MW 汽輪機的全套設(shè)計和制造技術(shù)， 1986 年 ， 成功 制造 出 中國第一臺600MW 汽輪機， 其 自主研制的三缸 600MW 汽輪機 也 已經(jīng)投入生產(chǎn)。 2. 1987 年 ，利用 引進技術(shù)生產(chǎn)的 300MW 機組在石橫電廠投入運行； 1989年 ， 采用引進技術(shù)生產(chǎn)的 600MW 機組在平圩電廠投入運行； 2020 年 ， 從俄羅斯引進 的 兩臺超臨界 800MW 機組 也 在 綏中電廠 投入運行。 5．汽輪機按照蒸汽參數(shù) (壓力和溫度 )分為： 1） 低壓汽輪機：主蒸汽壓力小于 ； 2）中壓汽輪機：主蒸汽壓力 ； 3）高壓汽輪機：主蒸汽壓力 ； 4）超高壓汽輪機：主蒸汽壓力 ； 5）亞臨界壓力汽輪機：主蒸汽壓力 ； 6）超臨界壓力汽輪機：主蒸汽壓力大于 ； 7）超超臨界壓力汽輪機：主蒸汽壓力大于 32Mpa； 中國發(fā)展?fàn)顩r 1. 中國汽輪機 技術(shù) 起步 較晚。如中國引進美國西屋 (WH)技術(shù)生