燃氣輪機可靠性技術

曲 勝 牟 影 李 明

中航工業沈陽黎明航空發動機

燃氣輪機的可靠性一直是設計師、制造商和用戶所關注的重要指標。隨著燃氣輪機在工程領域中應用范圍的不斷擴大，尤其是在航海和航空領域中的應用，使得燃氣輪機的可靠性不僅是機組本身持續工作能力的體現，更是關系使用者人身安全的大事。因此，對燃氣輪機可靠性的研究越來越為國內、外的科研院所和承制廠商所重視，成為決定型號研制發展成敗的關鍵因素之一。本文對可靠性技術理論的起源和發展作了簡單的介紹，在闡述可靠性判定指標和研究方法的基礎上，詳細分析了影響燃氣輪機可靠性的主要因素，并從設計、制造和使用維護等方面探討了提高燃氣輪機壽命和可靠性，降低故障率的有效途徑，對燃氣輪機可靠性的改善具有一定的指導意義。

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種集氣體動力學、燃燒學、材料力學、控制與測試等諸多學科于一身，且對可靠性、壽命等要求又極高的復雜設備，被譽為制造業“皇冠上的明珠”，是超級大國綜合實力的重要體現。

1 概述

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質帶動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的內燃式動力機械，是一種集氣體動力學、燃燒學、材料力學、控制與測試等諸多學科于一身，且對可靠性、壽命等要求又極高的復雜設備，被譽為制造業“皇冠上的明珠”，是超級大國綜合實力的重要體現。

燃氣輪機經常在高溫高壓的環境中以高轉速運轉，所受的載荷復雜多變，且由于應用領域的不同，還要承受不同周邊環境因素的影響。航空型燃氣輪機不僅要在空氣稀薄、低溫的環境中工作，還要在較大的功率范圍內進行轉換，以幫助飛行器做出各種機動動作；航海型燃氣輪機不僅要在潮濕的環境中工作，還要經受劇烈顛簸和鹽霧腐蝕的考驗；工業發電型燃氣輪機的工作環境相對而言比較穩定，但是其數萬小時的連續運行壽命要求，也是對燃氣輪機可靠性的一大挑戰。由于燃氣輪機自身結構、技術的復雜性，工作環境的苛刻性，各應用領域用戶要求的多樣性，導致燃氣輪機出現的故障模式多，故障出現的幾率高，故障的危害大，因此，燃氣輪機的可靠性是衡量燃氣輪機使用壽命的重要指標，是設計時必須考慮的重要因素。

2 可靠性的定義和發展

可靠性的定義

燃氣輪機的可靠性是指燃氣輪機在設計時間內、設計條件下無故障地執行指定功能的能力或可能性，主要包含了耐久性、可維修性、設計可靠性三大要素。

可靠性的起源和發展

最早提出可靠性理論的是德國的科學人員，德國在V-1 火箭的研制中，提出了火箭系統的可靠性等于所有元器件可靠度乘積的理論，即把小樣本問題轉化為大樣本問題進行研究。

經過數十年的發展，可靠性技術發展之迅速、應用之廣泛，遠非一般應用科學可以比擬。美國的E·Henley和日本的H·Kumamoto 指出，在過去的很長一段時間內，除環境科學和計算機技術以外，沒有任何一門應用科學可以像可靠性分析那樣得到驚人的發展和推廣，如今商家要想取得產品的成功，必須將可靠性同產品的性能同等看待。

3 燃氣輪機可靠性的判定指標

判定燃氣輪機可靠性的指標有很多，但是它們多是以時間計量，或是以時間的函數關系進行體現，常見的判定指標有平均故障間隔時間、平均維修時間、可靠度、故障率和耐久性等。

平均故障間隔時間

燃氣輪機是一種非常復雜的機械設備，包含數千種上萬個零組件，而平均故障間隔時間是對整個燃氣輪機質量的綜合考驗，任何一個零組件出現故障都會對平均故障間隔時間造成較大的影響，因此，燃氣輪機的平均故障間隔時間是一個非常重要的可靠性參數。

平均維修時間

燃氣輪機的平均維修時間是指產品發生故障后，若干次維修時間的平均值，是一批次燃氣輪機整體可靠性的重要表征。

可靠度

燃氣輪機的可靠度是指燃氣輪機在設計條件下、設計壽命內完成規定功能的概率，是用概率計量的判定指標，是時間的函數，其值在0 與1 之間。如以R（t）代表燃氣輪機可靠度，當t ＝0 時，R（t）＝1，則表示燃氣輪機完全可靠。

故障率

燃氣輪機的故障率也稱失效率，是燃氣輪機在時刻t尚未出現故障，在t+△t 的單位時間內發生故障的條件概率。即它反映t 時刻燃氣輪機發生故障的速率，也稱為瞬時故障率。

燃氣輪機在廠內檢驗試車、交付給用戶使用到首翻期維修期間，故障率隨時間的變化關系常用“浴盆曲線”表示，見圖1。

圖1 浴盆曲線

從圖1 可以看出，“浴盆曲線”由早期故障期、偶發故障期和耗損期三段組成。早期故障期主要指燃氣輪機新機或經過維修的機組在制造廠進行檢驗試車的過程，這個過程是讓全新的零組件或新件與老件之間進行適應性磨合，使零組件間達到較好的穩定配合，保證機組在出廠交付前具有良好的可靠性。偶發故障期是指交付給用戶使用到需要返廠維修的全過程，此期間出現的故障多數不可預計，因此稱為偶發故障期。耗損期是指燃氣輪機經過用戶長時間使用后，機組自身的易損件或必換件已接近壽命極限，需要進行維修或更換的過程，通常機組在達到此期間前，就進行返廠或現場維修，以保證機組在用戶繼續使用前具有良好的可靠性。

現代燃氣輪機的全壽命通常由3～5 個“浴盆曲線”組成，工業發電用燃氣輪機的全壽命可達40000h～60000h，用戶正常使用的翻修間隔壽命可達8000h～12000h，從這些數字中不難看出，可靠性技術所發揮的重要作用。

4 燃氣輪機可靠性的研究方法

隨著近現代計算機輔助技術的出現和各種數學模型的建立，使得可靠性技術研究的新理論、新方法與新技術不斷涌現，可以歸于數學模型法與物理原因法兩大類。數學模型法是一種定量分析的可靠性研究方法，又稱概率分析法，是指可靠性遵從燃氣輪機由某種試驗數據或真實工作中獲得的概率統計規律，包括純概率分析法和近似概率分析法。純概率分析法主要有精確解析法和蒙特卡洛模擬法，而常用的近似概率法有A 次B 階矩法。物理原因法是一種側重于定性分析的可靠性研究方法，是指考慮燃氣輪機各系統零組件失效的物理原因的方法，包括故障模式影響和危害度分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）等。

數學模型法

精確解析法

精確解析法是指用概率論的公式直接計算可靠性精確解的研究方法，應用最為廣泛的概率分布有正態分布和指數分布等。各概率分布形態均包含數種函數關系式，根據研究需要，可選擇其中一種或幾種對發生故障概率的量值進行精確求解。

正態分布

燃氣輪機中有些零組件的故障是由幾種相對獨立、作用均勻的微小差異因素造成的，如燃燒室組件、氣缸和軸承的磨損性故障等，這些零組件的故障概率分布函數多為正態分布。研究這些零組件發生故障的概率所涉及的數學公式主要有正態分布密度函數、累計概率函數、可靠度函數和可靠壽命函數等。

指數分布

按指數分布的故障分布規律主要適用于燃氣輪機隨機性沖擊產生的故障、正常使用下突發故障、可維修故障等的研究。研究這類故障所涉及的數學公式主要有指數分布密度函數和故障率函數等。

蒙特卡洛法

蒙特卡洛法，也稱統計模擬方法，是二十世紀四十年代中期由于科學技術的發展和電子計算機的發明，而被提出的一種以概率統計理論為指導的一類非常重要的數值計算方法。是指使用隨機數來解決很多計算問題的方法。

早期蒙特卡洛法的應用并不是很廣泛，計算精度也較低，原因是人工計算無法達到較高的模擬次數。但是隨著計算機輔助技術的出現，使得數據量偏大的計算變得輕而易舉，計算速度也得到了很大的提高，現如今的蒙特卡洛法計算精度早已達到了令人滿意的模擬次數和精度。

A 次B 階矩法

A 次B 階矩法中字母A 代表次數，字母B 代表階矩的等級。常用的是二次三階矩法，因為此種方法可以獲得較高的計算精度，原因在于泰勒函數展開時多采用了一個數字特征——偏度，進而較多地保留了隨機變量的分布特性。

更高次數和階矩等級的計算方法很多文獻中也有介紹，但是應用較少，原因在于高次數、高等級的計算方法不僅會使計算量急劇增加，還會使研究的問題復雜化，并導致更多的誤差出現。

物理原因法

故障模式影響和危害度分析（FMECA）

故障模式影響和危害度分析（FMECA）主要由FMEA（故障模式與影響分析）和CA（危害性分析）兩部分組成，其中FMEA 側重于定性分析，CA 側重于定量分析。這種方法是分析燃氣輪機產品中每一潛在的故障模式，并確定其對燃氣輪機產品所產生的影響，以及把每個潛在故障模式按它的嚴重程度及其發生的概率予以分類的一門分析技術。

故障樹分析法（FTA）

故障樹分析法（FTA）是通過對可能引起燃氣輪機故障的設計、制造、運行和維護等因素進行分析，畫出故障樹并進行逐條分析，從而確定產生故障原因的各種可能組合方式或其發生概率的一種分析方法。此方法不僅可以對機組的可靠性進行綜合統計分析，還可以針對某一特定故障進行單獨的列樹分析，因此其應用也較為廣泛。

5 燃氣輪機可靠性的提高途徑

我國著名科學家錢學森說過，產品的可靠性是設計出來的，生產出來的，管理出來的。由此可以看出，可靠性技術必須要滲透到產品的設計、制造、安裝與使用之中，它是一門由始至終的整體性技術，只有做好每一步，才能獲得產品可靠性的提高。

設計可靠性

設計賦予了燃氣輪機產品“先天優劣”的本質特性，決定了燃氣輪機產品的固有質量特性（如：功能、性能、壽命、安全性和可靠性等），據不完全統計，設計對燃氣輪機產品質量的貢獻率可達70%以上，是提高燃氣輪機可靠性水平的關鍵因素。

燃氣輪機等機械產品相對電子產品有其自身的特點，其設計方法與電子產品也不盡相同，歸納起來，其可靠性設計應遵循傳統設計與可靠性設計相結合、定性設計與定量設計相結合、機械可靠性與耐久性設計并行及系統與零部件可靠性設計并行等原則。在設計過程中，應充分考慮不同應用領域的燃氣輪機的使用條件及合理地選擇工作能力儲備，并在相關部件驗證試驗的幫助下，盡可能全面的排除在燃氣輪機正常使用中可能發生的意外情況，最終使燃氣輪機在設計階段就具有較高的可靠性水平。

制造可靠性

燃氣輪機產品的制造質量是設計可靠性能否得以全面體現的重要保證。根據不完全統計，就燃氣輪機而言，加工制造原因所引起的故障約占總故障數的30%。

燃氣輪機由成千上萬個零組件所組成，在每一個零組件的生產制造過程中，保證其自身的可靠性主要體現在制造設備的先進性、工藝路線的成熟性、制造過程的穩定性和質量檢驗的準確性等幾個方面，只有做好每一個環節，方能保證最終成品——燃氣輪機具有較高的可靠性水平。

使用維護可靠性

不同的應用領域、不同的燃料形式和不同的功能需求等因素，使得各型燃氣輪機的使用和維護操作規程也不盡相同。使用過程中的許多故障就是由燃氣輪機使用或操作人員違反燃氣輪機使用和維護操作規程造成的。同時，燃氣輪機使用過程中各種監測手段所提供的數據，如壓力、溫度、流量等，經過處理分析，也可以較早地發現燃氣輪機故障和設計、加工或裝配的不正確性。

6 結語

本文簡要介紹了燃氣輪機可靠性判定指標、相關研究方法及提高可靠性需采取的措施及途徑，為技術人員能夠快速理解可靠性含義及深入開展燃氣輪機可靠性增長研究打下良好基礎。