某型燃气轮机振动故障分析

李小萌 王 京

（中国航发燃气轮机有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

燃气轮机是一种长寿命、高可靠性、高效率和高经济性的产品，其结构复杂、运行环境恶劣且辅助系统较多，极易产生多种类型的故障[1]。燃气轮机在运行过程中，各部件都会产生振动，因此振动故障是一种常见的燃气轮机故障形式，也一直是影响燃气轮机寿命的关键因素[2]。燃气轮机振动的大小直接关系到其能否在大修期或寿命期内安全可靠地运行，并直接影响机组的安全运行。燃气轮机振动是一个比较复杂的问题，造成振动的原因很多，因此振动的分析及排故一直是燃气轮机研制时最棘手的问题。

1 某型燃气轮机简介

某型燃气轮机是一型中档功率航改燃机，由燃气发生器、动力涡轮、排气蜗壳以及支撑系统等组成。其中，燃气发生器主要由进气机匣、5 级低压压气机、9 级高压压气机、短环形燃烧室、1 级高压涡轮和1 级低压涡轮组成。动力涡轮接在燃气发生器之后，与燃气发生器为刚性连接，与排气蜗壳是柔性连接，排气蜗壳有自身的支撑系统。

燃气轮机振动测量位置一共有4 处，包括进气机匣径向振动、中介机匣径向振动、涡轮后机匣径向振动以及动力涡轮径向振动，具体振动测量位置如图1 所示。

图1 某型燃气轮机振动测量位置示意图

2 振动现象及分析

2.1 振动现象描述

机组在带载11100kW 状态下运行时（带载运行453h56min），控制系统出现涡轮后机匣振动超限一级报警（＞30mm/s），同时发现进气机匣、中介机匣振动有明显上升趋势。约2min 后，动力涡轮进、出口温度开始升高，同时高压转速也缓慢下降，在随后的1min 时间里，转速降低了约50r/min。运行人员立即采取减载措施，情况没有好转，同时发现进气机匣振动值、中介机匣振动、涡轮后机匣振动、动力涡轮径向振动和后腔回油温度均超限。为避免情况进一步恶化，机组紧急停机。

2.2 现场检查情况

停机并经初步判断后，现场采取了手动盘高低压转子、接取并送检滑油性质、检查滑油滤及屑末信号器以及孔探检查流道件等措施，检查情况如下：

对高、低压转子进行手动盘车，2 个转子均无法转动；接取的油样中，只有后腔回油的油样颜色呈墨黑色且沉淀后有黑色粉末状杂质，如图2 所示；检查金属屑末报警器，除动力涡轮回油屑末报警器有少量屑末外，其他未见异常；对压气机、燃烧室和涡轮可视部分进孔探检查，未见明显异常。

图2 各轴承腔取样情况

2.3 试车数据分析

该次故障停机后，通过复查故障时刻的试车数据，发现从该次故障发生到手动紧停的过程中，4 个振动值（进气机匣、中介机匣、涡轮后机匣和动力涡轮）及后腔回油温度持续升高，在其影响下总回油温度也略有升高。在此期间，滑油系统的滑油供油温度、前腔和中腔回油温度、滑油供油压力、中腔和后腔压力、回油压力等温度、压力参数未见明显异常。动力涡轮进、出口温度开始升高，同时高压转速也有缓慢下降现象。

分析认为是高压转子运转阻力增大引起的高压转速下降，进而使主流道空气流量降低，而燃机负载和燃料基本没有变化。由于参与燃烧的空气减少，因此燃烧室出口温度升高，表现为动力涡轮进、出口温度的异常升高。

2.4 整机振动安全监测系统分析

某型燃气轮机运行中的安全监测项目为50 项，其中振动测量4 项，故障发生过程中的相关振动参数报警情况见表1。振动监测系统主要由振动传感器、信号调理器、电流转换器、数据采集器、数据处理及报警参数数据库等组成，振动参数监测信息通道是从传感器、放大器、数采直到存储器，数据类型为10Hz～2000Hz 带宽内的振动速度总量，采样速率为50 次/s，控制系统提供振动状态报警参考值。

表1 某型燃气轮机振动参数测量项目

振动监测的技术途径和指标观察，基本上包括了燃机结构振动故障的频谱特征范围。但由于这一频带较宽，振动响应幅值分布不尽相同，结构损伤振动响应能量贡献也大小不一，如该次轴承故障开始阶段振动总量根本体现不出分量的变化。因此现有振动监测系统不能监测轴承结构损伤早期的行为，需要进一步增加振动测试装置，建立数据分析处理平台，满足振动宽带时域采集、现场数据预处理、宽带数据远程传输和轴承状态异常报警等功能，用以确定整机、分系统及零部件的状况，对燃气轮机实施监控，进行趋势分析，并预测可能出现的故障。

2.5 振动现象及分析小结

上述对故障时刻以及前期运行存在的异常情况进行了对比分析，结合现场故障表现，该文认为燃气轮机主机高低压转子卡滞、滑油状态异常的故障在燃气轮机后轴承腔内部。同时现有振动检测系统需要在数据处理内容中增加信号时域和频域分析，提供能代表轴承故障特征的信息，并将故障程度与量化信息建立关系，以此来为报警提供支持。

3 轴承检查情况

为彻底摸清振动故障具体原因及位置，该文对某型燃气轮机进行了分解检查，重点对滑油喷嘴进行了流量检查，对滑油进行了颗粒度、理化及能谱分析，对4 支点轴承进行了外观检查、尺寸测量、颗粒物分析和金相分析等，还对积碳等异物进行了能谱分析。

3.1 轴承外观检查

4 支点轴承外观呈黑色，有大量积碳、污物，外圈外径有明显的热变色，内圈内径存在微动腐蚀。测量内圈内径平均值合格，最大值和最小值超出规定值范围，外圈外径超标。从保持架取下一条丝状物，前侧环有一处开裂，裂开的开口距离约5mm，裂口附近有2 个横梁脱落，裂口处有2 个滚棒脱落，如图3 所示。外环内壁有拉丝、积碳、烧结块等异常现象，如图4 所示，拉丝位置在轴承前端。大部分滚棒圆柱面被磨平，磨平面宽约5mm～6mm。轴承整体磨损严重，转动不顺畅。

图3 4 支点轴承保持架断口图

图4 4 支点轴承外环内壁

3.2 颗粒物分析

为了排查污染颗粒物，该文将轴承清洗后，过滤颗粒物进行采样，并做扫描分析。分析结果显示，外来颗粒物主要为剥落的轴承钢M50 合金钢和保持架镀银、轴承内外圈及滚动体材料，没有发现常见的硬质污染物颗粒。

3.3 金相检查

对内圈、外圈和滚动体进行金相检查。照片显示内圈滚道及滚动体表面区域呈白色，表明滚道区域发生了超温，引起了材料组织的变化。内圈滚道发生材料组织变化的区域深度约为0.5mm，外圈滚道发生材料组织变化的区域深度约为0.01mm，滚动体表面发生材料组织变化的区域深度约为1mm。

3.4 EDX 分析

对保持架断口进行EDX 分析。结果表明，采样点主要成分是M50 钢的合金元素和镀银层的Ag。

3.5 轴承检查情况小结

综合上述分析，可能性较大的轴承失效原因如下：轴承工作中可能存在打滑现象，且工作温度较高、润滑油膜较薄。在润滑不良的情况下，可能会引起滚动体和滚道之间的金属黏着磨损。另外，轴承在高温工况下，其外圈和轴承座之间出现的间隙会引起微动腐蚀、磨损以及过热。上述现象可能同时存在并相互影响，最终导致轴承失效[3]。

4 机理分析

通过现场情况及分解检查，确定该次故障为4 支点轴承所引发。该文以“No.4 轴承故障”为顶事件建立了故障树模型，进行故障溯源分析。根据“设计问题”“轴承存在缺陷”“使用不当”3 个部分对故障树的底事件进行逐一排查。最终确定有4 项结果异常，即密封不可靠多尘、喷嘴流量不合格、滑油污染物等级不合格以及内外圈配合不符合要求。

4.1 密封不可靠多尘

实测NO.5 密封装置泄漏率超出设计要求，但石墨装置为接触式密封，在泄漏率超差情况下，其封严间隙仍优于非接触式篦齿封严结构。复查以往记录，存在多次工作一段时间后泄漏率超差的情况，但轴承无损伤，因此分析认为其非故障主因。

4.2 喷嘴流量不合格

高压涡轮后轴轴承配合面的内径设计值为163.973mm～163.991mm，实测前、中、后截面数值，为前163.985mm，中164.014mm，后164.022mm，中、后2 个截面内径均超出设计要求。轴承外圈外径设计值为164.054mm～164.064mm，实测值为164.046mm，超出设计要求。轴承外圈与高压涡轮后轴安装配合要求为过盈0.063mm～0.091mm，实测过盈为前0.061mm，中0.032mm，后0.024mm，前、中、后截面均超出设计要求，且已形成倾角。经分析认为，高压涡轮后轴的变形是长期高温和结构形式引起的热变形，非故障主因。

4.3 滑油污染物等级不合格

运行结束后对供油中的颗粒物按照相关标准进行检测，结果为8 级，超出7 级设计要求。经分析认为，滑油污染物等级8 级不足以引起该次轴承故障，其非故障主因。

4.4 内外圈配合不符合要求

后腔喷嘴4 支点、5 支点的流量超过设计值。经复查，某型燃气轮机在试车时，为解决涡轮后机匣滑油泄漏着火问题，进行了几次供油管路改造及试验，最终的供油管路状态为管路通径由12mm 改为8mm，管路长度增长，管弯增多，用于滑油流量试验的工装未真实模拟实际工作状态，造成实际流量偏低。在该次故障负荷状态下查询试车数据，发现改造前的供回油温差约为50℃，改造后的供回油温差约为85℃。经分析认为，供油流量低为该次振动故障的直接原因。

4.5 机理分析小结

由于轴承采用内圈环下供油的方式，轴承外圈比内圈温度高，滑油供油流量低，滑油为轴承降温的能力不足，因此轴承外圈比内圈温升大，膨胀量更大，游隙也增大，即导致轴承在高载荷时发生打滑现象。同时轴承外环和轴承座配合间隙会从过盈变成间隙，直至线接触，这一过程会使支点支柔度变化不定，进而导致高压振动波动，加剧了摩擦生热。在润滑油量长期不足的情况下，滚动体和内圈摩擦面会出现局部变形和撕裂现象，导致黏着磨损并且产生的撕裂物进入保持架，造成保持架运转不畅，产生异常载荷，最终导致保持架出现断裂[4]。

综合以上分析，造成4 支点轴承故障的原因为供油流量不足。实测4 支点轴承供油量低于设计值下限23%，滑油为轴承降温的能力不足，导致工作状态下轴承内外圈温差增大，轴承游隙变大，增加了打滑概率。随着燃机负荷的增加，供回油温差进一步加大，轴承打滑加剧，在长期润滑不良并存在振动波动的情况下，滚动体与内圈滚道间的金属发生黏着磨损，最终导致发生故障。

5 排故措施

根据上述分析结果，该文对轴承采取如下措施：对节流孔板尺寸进行调整，重新匹配滑油供油量，同时再监测4、5 支点滑油流量，保证轴承得到充足的润滑。同时对燃气轮机振动形成的故障件进行修复或换件，经回装试车后，各项指标均正常，故障排除。

该次振动故障也暴露了该型燃气轮机机组监测系统的不足，后续需要继续完善现有监测系统。燃气轮机测量出的振动值出现异常时，运行人员应判断振动值是机组真实振动产生的真实值，还是因监测系统存在故障而测出的虚假值[5]。关于轴承的状态监测，应采取如下加强措施：如在油滤系统中发现金属屑，应分析成分，以排查是否为轴承早期失效产生的碎屑或其他零件损伤产生的碎屑，避免其引起轴承损伤。如果监测信号出现异常，例如回油温度有持续升高或振动有明显加大，则须停机检查轴承。

6 结论

改为针对该型燃气轮机振动故障，首先从振动产生时的故障现象、现场检查和试车数据进行分析，推测出引发振动故障的部位为后轴承腔内部，然后进一步进行分解检查，确认故障源头为4 支点轴承。列出故障树，对引发4支点轴承故障的底事件进行逐项排查和分析，最终确定故障为润滑油量不足所致。对设计尺寸及流量进行调整后，试车恢复正常，因此排故措施有效。