论文总字数：21244字

摘 要

对于联合循环机组，考虑到夏季纯凝、冬季抽凝供热和背压供热等多工况运行的需求，汽轮机轴系大都布置有 SSS( Synchro-self-shifting) 离合器，可以实现低压缸的“解列”和“并车”，使机组能够在抽凝与背压模式之间在线切换。SSS离合器的设置一方面可以提高能源利用效率。另一方面，也会对轴系的振动产生影响，降低机组运行的安全性。据统计，我国多台带有SSS离合器的汽轮机轴系均遇到了不同类型的振动故障，影响了机组的正常投产和运行，甚至造成非计划停机，带来巨大的经济损失。因此，非常有必要针对带有SSS离合器的汽轮机轴系振动进行研究。

SSS离合器能够通过齿轮元件来传递功率，同时还具备同步自动换档的优点。在热电联产的联合循环机组中，SSS离合器用来连接蒸汽轮机中的高中压透平转子和低压透平转子，并依照运行方案完成转子之间的啮合和脱开。SSS离合器目前已广泛地应用于船舶领域以及电厂常用动力装置中。本文基于SSS离合器的发展现状，通过理论知识学习和数据处理，研究了针对SSS离合器的监测及故障诊断方案。

关键词：汽轮机、SSS离合器、联合循环机组、脱开啮合

ABSTRACT

For combined cycle units, considering the demand of pure condensation in summer, pumping condensation heating in winter and back pressure heating, SSS (Synchro-self-shifting) clutch is mostly arranged in the steam turbine shafting, which can realize the "disassembly" and "parallel operation" of low pressure cylinders, and enable the units to switch online between the pumping condensation and back pressure modes. On the one hand, the setting of SSS clutch can improve energy efficiency. On the other hand, it will also affect the vibration of shafting and reduce the safety of unit operation. According to statistics, many steam turbine shafts with SSS clutch in China have encountered different types of vibration faults, affecting the normal operation of the unit, even causing unplanned shutdown, resulting in huge economic losses. Therefore, it is necessary to study the shafting vibration of steam turbine with SSS clutch.

SSS clutch can transmit power through gear elements, and has the advantage of synchronous automatic shift. In the combined cycle unit of cogeneration of heat and power, SSS clutch is used to connect the high and low pressure turbine rotors in the steam turbine, and complete the meshing and disengagement between the rotors according to the operation scheme. SSS clutch has been widely used in ship field and power plant. Based on the development status of SSS clutch, this paper studies the monitoring and fault diagnosis scheme of SSS clutch through theoretical knowledge learning and data processing.

KEY WORDS: steam turbine, SSS clutch, combined cycle unit, disengagement and meshing

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 综述 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国外的研究现状 1

1.3 国内的研究现状 2

1.4 本章小结 3

第二章 结构与工作原理 4

2.1 S.S.S离合器的结构 4

2.2 基本工作原理 5

2.3 故障信号特征提取技术现状 6

2.4 实测数据分析 7

2.5 故障仿真分析实例 11

2.6 本章小结 16

第三章 运行监测及故障分析 16

3.1 运行监测分析系统概述 16

3.2 运行监测分析仪及功能设计 17

3.3 故障机理分析 23

3.4 故障特征分析 23

3.5 本章小结 25

第四章 总结与展望 25

4.1 总结 25

4.2 展望 26

综述

研究目的及意义

最近这些年，在火力发电机组中，为了响应节能、环保的高要求，我国北部设立了一大批“燃气-蒸汽”联合循环的发电站。大多数的电站都选择了多轴布置方案，其中，“二拖一”机组是效率较高的，“一拖一”机组是系统较为简单的，还有其他一些少见的布置方案。

为了满足夏天的纯凝、冬天的抽凝供热以及背压供热等多种工况的运行的要求，在联合循环机组中，汽轮机的轴系大部分都有布置S.S.S（Synchro-self-shifting）离合器。S.S.S.离合器具有自动同步性、单项超越性、双向阻尼等优点，它的啮合与脱开都是自动的，不需要再加额外的装置；扭矩的单向传递使联合的动力装置变得简化；且脱开时需要克服阻尼力做功，有效地降低扭振对系统的影响。这种布置的好处是可以实现机组在抽凝模式与背压模式之间的互相切换，从而使低压缸可以解列和并车。一方面，设置S.S.S离合器可以提高能源的利用率。但另一方面，对机组的安全也有影响，例如影响轴系的振动，导致运行的安全系数降低。资料显示，我国有多例案件遇到过带有S.S.S离合器的汽轮机轴系出现各种类型的振动故障，会影响项目的常规运行，以及造成方案之外的停机，在经济方面给项目带来巨大损失。因此，针对包含S.S.S离合器的汽轮机组的轴系振动进行研究，是非常有必要的。

国外的研究现状

从20世纪50年代末到60年代初，英美两国的海军联合开发了用于巡航燃气轮机的离合器。这些离合器是在起动前和停机后进行啮合和分离的。1958年，英国海军选择飞轮离合器作为Y-100型轮船蒸汽航行（COSOS）的主要推进设备。飞轮的离心力用于离合器的接合和分离，但不能传递较大的扭矩。这种离合器的陆地试验是成功的，但在海上试验中，当方向舵在30度变速时，离合器未能接合，导致了第一个具有锁定和解锁功能的舰用离合器的诞生。

经过多次实验研究，美国海军设计了一种爪形离合器，由花形齿和棘轮齿组成，并将其应用于DDG51（燃气轮机发电机-SSGTG系统）的SSGTG系统中。S.S.S.离合器的前身便产生于此。

20世纪60年代，美国海军埃沙维尔级（PGM-8至PGM-91）炮艇设计了一种强制同步摩擦/齿式离合器。这种离合器利用摩擦驱动滑动部件同步啮合。同时，这种离合器被设计用来湿润油室，机械锁紧装置也被禁用。

20世纪70年代初，美国海军使用美国离合器作为塔科马级（PGM-92/PGM-102）燃烧功率（COGOG）设备主减速器的一部分。该离合器是一个中继式的S.S.S.离合器。与前离合器相比，该离合器有一个小惯性滑靴，可以满足发动机各种大、小扭矩的传递。

美国海军对各种空气涡轮起动装置有着长期的经验，这些装置最终会以不可接受的起动特性、高成本和平均无故障时间（MTBF）降低其结果。自早期在DD963弹簧级驱逐舰上使用以来，空气涡轮起动装置因各种原因受到质疑；在所有设计中，离合器的配置已成为主要的故障模式，主要是由于空气系统中的湿气，导致空气涡轮起动装置和相关离合器承受周期性振动扭矩。同时，根据所用离合器的类型，离合器臼齿或棘轮齿随后会发生周期性故障。一些人试图重新设计离合器和启动器，使其更可靠，并能够在极端负载条件下正常工作。

英国海军研制了很多满足不同要求的S.S.S.离合器，用来连接启动燃气涡轮发电机组的电动机，以达到对燃气轮机发电机组从零到中间速度的加速，目前已被应用的 S.S.S.离合器类型如图 1.1 所示，燃气轮机独立的机械启动系统（RIMSS）包括一个RRC机型 250-KS4燃气轮机（直升机250-C20燃气涡轮的派生产品），是安装在SSGTG模块内减速器正上方并和高速减速齿轮箱小齿轮通过2.762：1的速比的平行轴传递齿轮箱连接（在空气透平启动器和减数齿轮箱小齿轮中间）。这个传递齿轮箱包括30T型SSS离合器以便自动连接和脱离250型发动机。

最近，国外的S.S.S.离合器比我国八十年代引进离合器时又有了突破。我国2006年新引进的S.S.S.离合器有了重要改进：一方面是在两端加配了柔性联轴器，即在离合器的输入、输出端增加了适配器膜片，提高了离合器对同心度的补偿能力，降低了对于在船上安装时的对中要求，同时保证了离合器自身工作时减少承受轴系变形的影响，尤其减少了因对中度低导致的啮合后不能脱开等故障；另一方面，离合器的润滑油和阻尼油腔的滑油一改初始产品外供油的方案（预供油结构）。而该离合器所用的滑油在组装调试时是一次性加入的，在正常运行时无需外供滑油，简化了离合器的结构，减少系统的复杂性，同时增加可靠性，减少了由于滑油供油压力、滑油清洁度引起故障的可能性。

国内的研究现状

自1974年以来，S.S.S.离合器在国内得到了成功的发展，许多小型化工企业可以广泛使用S.S.S.离合器。经过我国研究学者30多年的努力钻研，目前已有30多种S.S.S.离合器已应用于船用联合动力装置、涡轮转向装置和联合动力试验台上。

近年来，我国引进的9E燃气轮发电机组采用了盘车系统，由行走轮和减速机构组成的。采用同心组合式S.S.S.离合器启动S.S.S.离合器。该离合器可以自动连接或分离转动系统和燃气轮机轴。

哈尔滨某研究所主要做的是船舶离合器的研究工作。如柴油机端和燃气轮机端。这两种S.S.S.离合器已成功投入我国海军某型号船舶的使用。

在理论方面，我国学者也做出了不小的贡献。通过建立和求解离合器啮合运动微分方程，苏文斗学者对S.S.S.离合器的啮合和分离过程动力学进行了研究，得出了非中继式S.S.S.离合器的运动和动力学参数的变化趋势。但仅停留在理论阶段，没有进行具体实验，因此缺乏实验数据的支持。在讨论反扭矩和反阻尼时，也没有给出效果的数值。刘赪、方玉昌分析了S.S.S.离合器的结构和啮合过程，提出了设计中需要特别注意的几个常见问题，但没有做严格的公式推导。魏君波对船用式S.S.S.离合器进行了实际的实验研究。主要利用计算机，通过数据采集的方法对输入扭矩和角加速度进行了研究。但是，试验中没有增加载荷，也没有进行深入的理论分析。同时，对S.S.S.离合器棘轮的棘轮过程进行了动态分析。然而，对船用大功率S.S.S.S.离合器的棘轮棘爪进行了动态分析。上海某所的冀相安，于2004年左右，对某一型 S.S.S.离合器棘轮棘爪机构棘合过程进行了仿真分析，利用 ADAMS 动力学分析软件建立了该型同步离合器的仿真模型，对棘轮棘爪棘合过程中的碰撞特性进行了仿真分析，同时在理论上也进行了对比计算。上海交通大学也对 S.S.S.离合器进行了研究，但是以上学者把研究非中继式 S.S.S.离合器的重点集中在棘轮棘爪的动力学仿真方面。对中继式 S.S.S.离合器的整个啮合、脱开运动过程没有深入研究。在原型建模中进行了大量的简化，尤其是将棘轮简化为直线，这是非常不精确的。综上可知，尽管我国学者已经在多方面进行了科学研究，但仍有很多关于S.S.S离合器的实际问题亟待解决。

本章小结

S.S.S离合器已经广泛应用于电厂和船舶业的联合动力装置中，对提高续航能力和工作效率都起到显著效果。而S.S.S离合器的具有自动同步性的优点，工作原理简单易行，使机组在不同模式之间的切换更为便捷，同时双向阻尼有效地保护轴系，扭矩的单向传递也大大简化了联合动力装置的复杂性。由于国外的现代工业船舶业起步更早，对S.S.S离合器的研究也领先于我国。但近些年来，国内的燃气电厂等单位的需求急剧增加，离合器国产化的工作也逐渐得到了重视。

结构与工作原理

S.S.S离合器的结构

S.S.S离合器的首字母SSS表示‘同步-自动-移位’作用，通过此作用可对离合器主动齿和从动齿定相，然后使其在等速旋转时自动轴向移位、接合。当输入转速低于输出转速时，离合器立即分离。全拼为‘Synchro-Self-Shifting’。S.S.S离合器一般由4部分组成：一个输入 组件；一个主螺旋 滑动组件；一个从动螺 旋滑动组件（辅助滑动组件）；一个输 出组件。它们之间是由螺旋 槽引导的（用于引导 传动齿的啮合和脱离），传递扭矩则以传动齿来实现。S.S.S离合器的组件部分如图2-1所示。

图2-1 S.S.S离合器结构示意图

润滑油系统的作用是为了保证离合器的高效运行。该系统的主要任务为：向输入端和输出端提供润滑油，通过法兰接口供油，并且使滑动部件、旋转部件及齿轮都得到润滑。

基本工作原理

S.S.S离合器是一种纯机械的离合装置。其输入部件和滑动部件之间、滑动部件和输出部件之间都有螺栓状的螺旋槽结构。还有离合器齿（传动齿）和棘轮齿结构，设置于滑动组件与输出组件之间。

以螺栓副为例，来介绍S.S.S离合器的工作原理。螺栓、螺母分别代表着输入端和输出端，那基本工作原理就类似于将一个螺母拧到一个螺栓上。如果螺母被固定，那么在螺栓旋转时，螺母会沿着二者的中心轴作直线运动。对应到S.S.S离合器中，由输入轴带动旋转，随之旋转的是滑动部件，然后当某个棘轮齿与棘爪接合，阻碍了滑动部件的旋转时，这时输入轴保持旋转状态，滑动部件就会转为轴向的直线运动，进而使离合器啮合。最终，滑动部件与输入轴上的终止端接触，驱动力矩被成功传递，完成啮合。

图2-2 离合器分离 图2-3 接合行程（棘爪卸载）

图2-4 离合器接合 图2-5 离合器齿对准

故障信号特征提取技术现状

在机组中，SSS离合器能保证实现其联合加载，以及使船舶行驶的速度加快。这说明它是机组间切换的重要成员。它是由棘轮棘爪、螺旋齿等部分组成的。棘轮棘爪能承受的扭矩力很小，是比较精细的元件。假如瞬间产生的扭矩过大，会导致它损坏。如果润滑油中含有杂质，会造成斜齿磨损、划伤等问题出现，导致SSS离合器不能正常地啮合或分离，或产生异常啮合。最终，机组的加载和切换会发生故障。此外，SSS离合器在机组中出现的频率非常高，大多数用于切换和加载故障，也经常出现啮合异常的问题，因此对SSS离合器进行故障诊断刻不容缓。

故障诊断过程中，最核心的问题就是如何提取特征信息，然后进行准确地处理。首先，要高效、准确地提取到我们需要的故障特征。随着时代的进步与技术的发展，我们对信号的处理以及特征提取技术都有了明显的进步。目前，主要有几种提取方法为研究所用，如油液 分析、噪声 监测、探伤、振动信号 分析等，围绕这些方法也有了不同的诊断系统。而不同的诊断方案也有着不同的优劣势，准确度与性价比也各不相同。

（1）基于油液 分析的方案。这种方案的重点是关注润滑油中的磨损颗粒以及其他污染物的含量。磨损颗粒和污染物占比较大的话，说明油液中杂质很多，就有可能导致离合器运行出现故障。我们通过分析物质的分布情况来判断磨损是否严重。可能发生的故障类型则需要根据情况具体分析。所需技术有光谱分析法等。

（2）基于噪声 监测的方案。原理是如果离合器产生故障，设备运行时的噪声分贝变大，振动幅度也会变大（提取出的噪声信号主要进行频谱 分析）。因此，监测振幅和噪声音量的变化情况，即可有效监测机组的运行状态。

（3）基于探伤 技术的方案。利用超声和红外检测技术，但目前的技术还不完善。

（4）基于振动 信号的方案。这种方案是现在投入使用的方案中最普遍的，可行性强，性价比高。原理是提取设备中的振动信号，通过分析频谱来分析具体的故障类型，进而找到解决方案。

早期，主要以振幅、峰度、均方根、脉冲指数等时域指标为基础，并结合傅立叶变换来应用。例如，N.Tandon等人对轴承故障进行分析研究时，运用的是脉冲监测技术。但这些技术也有许多缺点，借助于不同的窗函数，如低分辨率、失真等。在我国，如明廷涛，齿轮裂纹是通过快速傅立叶变换（FFT）诊断出来的。

实测数据分析

利用涡流传感器，对汽轮机中的高中压转子和低压转子进行转速测量。由于转子都是60齿的转速齿盘，每转一圈输出60个周期的正弦波，如图2-6所示。

图2-6 离合器两侧转子原始转速信号

将正弦波转换为矩形脉冲，即可进行中间件的位移计算。由于从动件的转速不变，故产生的脉冲周期不变，作为基准脉冲。主动件在啮合时转速会高于从动件，在脱开的时候会低于从动件，产生的脉冲周期也在变化，作为变化脉冲。

基准脉冲是从动件产生脉冲，由于从动件转速不变，故脉冲密度均匀，即T₁₁是一个不变量。变化脉冲是主动件上产生的脉冲，由于脱开过程中主动件转速下降，故脉冲的密度会越来越小，即两个脉冲之间的间隔T越来越大，T_2ngt;T_2（n-1）gt;……T₂₁。

对于联合循环电厂的离合器来讲，主动件与从动件始终都在高速旋转，在其脱开过程所经历的时间中，主动件与从动件均会旋转很多圈。那么，假如每一圈形成一个脉冲，在很多圈形成的很多脉冲中，利用变化脉冲和基准脉冲的下降沿（或上升沿，要对应起来）之间的时间差与主动件在本圈内的平均转速相乘，即可算出本圈时间内，主动件相对从动件旋转的角度。而离合器内部机械结构（指的是内部的螺旋花键的螺旋角）是固定的，得出了相对旋转的角度，就得出了离合器中间滑动件相对滑动的距离。

信号采集时，采集频率选取为200K/s，记录高中压转子及低压转子转速探头接受到的原始脉冲电压信号，计算输出高中压转子及低压转子转速。分别作出啮合过程和脱开过程中，高中压转子和低压转子的转速曲线，以及中间件的位移曲线如2-7、2-8所示。

图2-7 啮合过程转速曲线及中间件位移曲线

啮合过程记录起点的判断条件如下：低压转子转速-高中压转子转速gt;-20rpm且SSS离合器位于脱开状态。满足上述条件时，开始记录并储存信号数据。终点的判断条件为：| 低压转子转速-高中压转子转速 | lt;最大转速测量误差（0.8rpm），且持续3s，发啮合完成信号；若低压转子转速gt;高中压转子转速 或 | 低压转子转速-高中压转子转速 | gt;最大转速测量误差（0.8rpm），且持续10s，未有啮合完成信号，发啮合超时。如上的判定条件采用监测转速数据进行判断。

结合现场测量的转速曲线进行节点的判断：t₀为假啮合点，即转速差出现点，但由于棘轮棘爪可能并未作用，继动件并未运动。取[t₀,t₅]中，N_max（低压转子转速最大值）对应的时间t₂为阻尼油作用点。取[t₂,t₅]中，N_min（低压转子转速最小值）对应的时间t₄。取[t₂,t₄]中，n_max对应的时间t₃为啮合完成点。

啮合时间点的计算公式为：

(2-1)

(2-2)

进行故障分析，首先计算最大棘合误差：

(2-3)

故障分析如下表所示：

表2-1 啮合过程的故障分析

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