監測診斷技術在某型艦用燃氣輪機維修管理中的應用

鄭遠春，朱炳文，王小彥

(92571部隊，海南三亞 572021)

燃氣輪機功率密度高、機動性能好、低頻噪聲小，非常適合艦艇分艙小、作戰反應快、隱身要求高的特點，我國從上世紀70年代開始在水面艦艇上應用燃氣輪機，大大提高了艦艇的快速作戰反應能力。但是，作為一個系統，燃氣輪機的維修保障難度大，為了適應新的保障要求，以狀態監測和故障診斷為基礎的視情維修模式正在逐步得到應用和推廣，視情維修的優勢是維修規模小、效率高、經濟性好。因此，除了日常維護保養之外，采用現代科技手段對艦用燃氣輪機進行狀態監測和故障診斷是十分必要的。

1 艦用燃氣輪機常用監測手段

燃氣輪機以空氣為介質，靠高溫燃氣推動渦輪機械連續做功。它主要由壓氣機、燃燒室和渦輪3大部件組成，配以進氣、排氣、控制、傳動和其他輔助系統。壓氣機連續不斷從外界大氣中吸入空氣并增壓，被壓縮后的空氣溫度升高后進入燃燒室，與噴入的燃料進行混合燃燒，高溫高壓的燃氣從燃燒室噴出，迅速膨脹推動渦輪葉片做功，渦輪獲得的動能一方面推動壓氣機工作，另一方面從主軸輸出轉矩［1］，推動艦艇航行。

為保證燃氣輪機工作可靠性，除了用機帶儀表來觀察燃氣輪機工作狀況外，人們采用多種狀態監測和故障診斷方法來對燃氣輪機的健康狀態進行管理，如應用油液分析方法對燃氣輪機潤滑油進行檢測，可以發現摩擦、腐蝕、疲勞類故障;應用紅外溫度監測方法可以及時發現燃氣輪機具體部位的溫度異常變化情況;應用無損探傷及內窺鏡檢查可以用于檢測出肉眼無法看見的裂紋、拉傷類故障;對于在線監測而言，振動監測一直是動力機械應用有效的方法，它是將安裝在機體上的振動傳感器接收的信號通過有線或者無線的方式傳輸到控制室內的振動測試儀上，以數值顯示反映出來，通過設置振動的限值，以聲光報警的方式提示管理人員。

2 振動監測對于旋轉機械的優勢

旋轉機械是依靠轉子旋轉運動進行工作，在結構上必須具備轉子、軸承等部件，在旋轉機械上廣泛應用振動分析方法進行狀態監測和故障診斷不僅簡便可行，而且經過不斷的實踐，技術已經相對成熟［2］。燃氣輪機是典型的旋轉機械，它的振動頻譜與其轉速頻率密切相關，旋轉機械每一類故障都對應著不同的頻率特征，應用機械振動理論中的頻譜分析技術能夠有效地識別燃氣輪機的不平衡、不對中、部件摩擦、基礎松動、油膜渦動、結構共振、葉片損傷等故障。

3 故障診斷案例

某艦裝備了2臺燃氣輪機，各機在低壓壓氣機、高壓壓氣機和動力渦輪機軸承座的垂直方向安裝有振動速度傳感器，用于在線監測燃氣輪機的通頻振動。在一次航行過程中，管理人員通過控制室的監測儀表發現，在穩定運行的高工況下，左舷燃氣輪機的低壓壓氣機端振動幅度增大，比同時同工況工作的右燃氣輪機同部位振動高出50%以上，懷疑左燃氣輪機出現故障。為防止發生事故，經同意采取停機措施。翌日，上級指派專業技術人員隨艦出海，對該艦燃氣輪機的異常振動狀況進行故障診斷。

由于燃氣輪機的高壓壓氣機和動力渦輪端溫度過高，出于對人員和測試設備的安全考慮，只對2臺燃氣輪機的低壓壓氣機端采集振動信號，低壓壓氣機有9級壓氣葉輪，各級葉輪的葉片數見表1。

表1 低壓壓氣機各級葉輪葉片數

3.1 測試方案

1)在燃氣輪機低壓壓氣機端軸承座的振動傳感器固定點進行振動速度通頻值測試，用于檢查在線測試數據的準確性。

2)考慮到測試工況的穩定性和燃氣輪機的使用管理要求，在燃氣輪機的雙車進七的高工況下進行振動數據采集。

3.2 測試儀器

采用經檢定合格的VIBXPERT II振動頻譜分析儀，以保證測試數據的有效性。

3.3 測試結果分析

1)兩車進七工況，燃氣輪機低壓壓氣機通頻振動測試結果記錄于表2。

對表2中數據比較分析后發現，左燃氣輪機的控制室儀表數據與振動頻譜分析儀的測試數據相差較大，而右燃氣輪機的2種測試數據接近。因此，可以認為左燃氣輪機低壓壓氣機的在線振動測試系統存在一定誤差。

2)兩車進七工況，燃氣輪機低壓壓氣機振動加速度頻譜圖見圖1。

圖1 左右燃氣輪機加速度頻譜對比圖

對2臺燃氣輪機的低壓壓氣機端采集加速度頻譜，結果如圖1所示，橫坐標為轉速頻率的倍數，縱坐標為振動加速度峰值，單位為m/s2，前排為右燃氣輪機低壓壓氣機振動加速度頻譜，后排為左燃氣輪機低壓壓氣機振動加速度頻譜。圖中顯示的低壓壓氣機頻譜頻線干凈清晰，尤其突出的是各級葉輪葉片的通過頻率，對比左右燃氣輪機低壓壓氣機頻譜圖，發現左燃機低壓壓氣機第0級葉輪葉片的通過頻率下的加速度振幅高達52.08 m/s2，幾乎是右燃氣輪機同級葉片通過頻率下加速度振幅(10.946m/s2)的5倍，左燃機低壓壓氣機其他各級葉輪葉片通過頻率也比右燃機高出許多，可以認為左燃氣輪機的低壓壓氣機第0級葉輪葉片存在損傷。

表2 燃氣輪機低壓壓氣機通頻振動測試結果表

3)拆檢結果。要找到具體的故障原因和部位，對燃氣輪機低壓壓氣機解體檢查是最為直接的方式，但由于機艙環境的限制，完成這項工作難度很大。后采用工業視頻內窺鏡進行排查，最終發現左燃氣輪機低壓壓氣機第0級葉輪某個葉片的燕尾部有細小裂紋。此隱患如不及時排除，后果則不堪設想。

3.4 管理建議

1)艦用燃氣輪機的在線振動測試系統需要定期進行檢定校驗，以保證測試數據的有效性。

2)加強對艦艇燃氣輪機管理人員的監測診斷技能培訓，便于及時發現機器異常情況，正確的處置。

3)定期對在線測試數據進行收集整理、歸納分析，預測燃氣輪機振動發展趨勢。

4)配備燃氣輪機相關監測設備，如潤滑油質分析儀、紅外熱像儀、超聲波探傷儀等，以實現對燃氣輪機全面的健康管理。

5)嚴格按照燃氣輪機的使用管理規定進行操作，避免在共振轉速區停留。

4 結束語

現代艦用燃氣輪機需要用先進的技術手段來管理，振動監測診斷技術在艦艇燃氣輪機上的應用，將有助于減少燃氣輪機事故發生，節約維修經費，延長機器壽命，保證艦艇戰斗力的發揮。

［1］劉光宇.船舶燃氣輪機裝置原理與設計 ［M］.哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院出版社，1992.

［2］沈慶根，鄭水英.設備故障診斷 ［M］.北京:化學工業出版社，2006.