监测诊断技术在某型舰用燃气轮机维修管理中的应用
2014-12-18郑远春朱炳文王小彦
郑远春,朱炳文,王小彦
(92571部队,海南三亚 572021)
燃气轮机功率密度高、机动性能好、低频噪声小,非常适合舰艇分舱小、作战反应快、隐身要求高的特点,我国从上世纪70年代开始在水面舰艇上应用燃气轮机,大大提高了舰艇的快速作战反应能力。但是,作为一个系统,燃气轮机的维修保障难度大,为了适应新的保障要求,以状态监测和故障诊断为基础的视情维修模式正在逐步得到应用和推广,视情维修的优势是维修规模小、效率高、经济性好。因此,除了日常维护保养之外,采用现代科技手段对舰用燃气轮机进行状态监测和故障诊断是十分必要的。
1 舰用燃气轮机常用监测手段
燃气轮机以空气为介质,靠高温燃气推动涡轮机械连续做功。它主要由压气机、燃烧室和涡轮3大部件组成,配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统。压气机连续不断从外界大气中吸入空气并增压,被压缩后的空气温度升高后进入燃烧室,与喷入的燃料进行混合燃烧,高温高压的燃气从燃烧室喷出,迅速膨胀推动涡轮叶片做功,涡轮获得的动能一方面推动压气机工作,另一方面从主轴输出转矩[1],推动舰艇航行。
为保证燃气轮机工作可靠性,除了用机带仪表来观察燃气轮机工作状况外,人们采用多种状态监测和故障诊断方法来对燃气轮机的健康状态进行管理,如应用油液分析方法对燃气轮机润滑油进行检测,可以发现摩擦、腐蚀、疲劳类故障;应用红外温度监测方法可以及时发现燃气轮机具体部位的温度异常变化情况;应用无损探伤及内窥镜检查可以用于检测出肉眼无法看见的裂纹、拉伤类故障;对于在线监测而言,振动监测一直是动力机械应用有效的方法,它是将安装在机体上的振动传感器接收的信号通过有线或者无线的方式传输到控制室内的振动测试仪上,以数值显示反映出来,通过设置振动的限值,以声光报警的方式提示管理人员。
2 振动监测对于旋转机械的优势
旋转机械是依靠转子旋转运动进行工作,在结构上必须具备转子、轴承等部件,在旋转机械上广泛应用振动分析方法进行状态监测和故障诊断不仅简便可行,而且经过不断的实践,技术已经相对成熟[2]。燃气轮机是典型的旋转机械,它的振动频谱与其转速频率密切相关,旋转机械每一类故障都对应着不同的频率特征,应用机械振动理论中的频谱分析技术能够有效地识别燃气轮机的不平衡、不对中、部件摩擦、基础松动、油膜涡动、结构共振、叶片损伤等故障。
3 故障诊断案例
某舰装备了2台燃气轮机,各机在低压压气机、高压压气机和动力涡轮机轴承座的垂直方向安装有振动速度传感器,用于在线监测燃气轮机的通频振动。在一次航行过程中,管理人员通过控制室的监测仪表发现,在稳定运行的高工况下,左舷燃气轮机的低压压气机端振动幅度增大,比同时同工况工作的右燃气轮机同部位振动高出50%以上,怀疑左燃气轮机出现故障。为防止发生事故,经同意采取停机措施。翌日,上级指派专业技术人员随舰出海,对该舰燃气轮机的异常振动状况进行故障诊断。
由于燃气轮机的高压压气机和动力涡轮端温度过高,出于对人员和测试设备的安全考虑,只对2台燃气轮机的低压压气机端采集振动信号,低压压气机有9级压气叶轮,各级叶轮的叶片数见表1。
表1 低压压气机各级叶轮叶片数
3.1 测试方案
1)在燃气轮机低压压气机端轴承座的振动传感器固定点进行振动速度通频值测试,用于检查在线测试数据的准确性。
2)考虑到测试工况的稳定性和燃气轮机的使用管理要求,在燃气轮机的双车进七的高工况下进行振动数据采集。
3.2 测试仪器
采用经检定合格的VIBXPERT II振动频谱分析仪,以保证测试数据的有效性。
3.3 测试结果分析
1)两车进七工况,燃气轮机低压压气机通频振动测试结果记录于表2。
对表2中数据比较分析后发现,左燃气轮机的控制室仪表数据与振动频谱分析仪的测试数据相差较大,而右燃气轮机的2种测试数据接近。因此,可以认为左燃气轮机低压压气机的在线振动测试系统存在一定误差。
2)两车进七工况,燃气轮机低压压气机振动加速度频谱图见图1。
图1 左右燃气轮机加速度频谱对比图
对2台燃气轮机的低压压气机端采集加速度频谱,结果如图1所示,横坐标为转速频率的倍数,纵坐标为振动加速度峰值,单位为m/s2,前排为右燃气轮机低压压气机振动加速度频谱,后排为左燃气轮机低压压气机振动加速度频谱。图中显示的低压压气机频谱频线干净清晰,尤其突出的是各级叶轮叶片的通过频率,对比左右燃气轮机低压压气机频谱图,发现左燃机低压压气机第0级叶轮叶片的通过频率下的加速度振幅高达52.08 m/s2,几乎是右燃气轮机同级叶片通过频率下加速度振幅(10.946m/s2)的5倍,左燃机低压压气机其他各级叶轮叶片通过频率也比右燃机高出许多,可以认为左燃气轮机的低压压气机第0级叶轮叶片存在损伤。
表2 燃气轮机低压压气机通频振动测试结果表
3)拆检结果。要找到具体的故障原因和部位,对燃气轮机低压压气机解体检查是最为直接的方式,但由于机舱环境的限制,完成这项工作难度很大。后采用工业视频内窥镜进行排查,最终发现左燃气轮机低压压气机第0级叶轮某个叶片的燕尾部有细小裂纹。此隐患如不及时排除,后果则不堪设想。
3.4 管理建议
1)舰用燃气轮机的在线振动测试系统需要定期进行检定校验,以保证测试数据的有效性。
2)加强对舰艇燃气轮机管理人员的监测诊断技能培训,便于及时发现机器异常情况,正确的处置。
3)定期对在线测试数据进行收集整理、归纳分析,预测燃气轮机振动发展趋势。
4)配备燃气轮机相关监测设备,如润滑油质分析仪、红外热像仪、超声波探伤仪等,以实现对燃气轮机全面的健康管理。
5)严格按照燃气轮机的使用管理规定进行操作,避免在共振转速区停留。
4 结束语
现代舰用燃气轮机需要用先进的技术手段来管理,振动监测诊断技术在舰艇燃气轮机上的应用,将有助于减少燃气轮机事故发生,节约维修经费,延长机器寿命,保证舰艇战斗力的发挥。
[1]刘光宇.船舶燃气轮机装置原理与设计 [M].哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1992.
[2]沈庆根,郑水英.设备故障诊断 [M].北京:化学工业出版社,2006.