某型燃氣輪機啟動失敗的模糊故障樹分析

閆 東，梁前超，邵夢麟，焦宇飛

(1.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033; 2.東海艦隊裝備部，浙江 寧波 315122)

維修理論

某型燃氣輪機啟動失敗的模糊故障樹分析

閆 東1，梁前超1，邵夢麟1，焦宇飛2

(1.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033; 2.東海艦隊裝備部，浙江 寧波 315122)

在對某型燃氣輪機啟動進行故障分析并建立故障樹的基礎上，依據工程技術人員反饋得到的模糊信息，對該型燃氣輪機啟動過程進行了模糊可靠性分析，計算得到了在不同置信水平發生啟動失效的故障概率區間，為提高裝備可靠性及改進系統可靠性設計提供了依據。

燃氣輪機；可靠性；模糊故障樹

某型燃氣輪機由冷態啟動至慢車工況經歷了電機啟動、空氣壓縮、點火燃燒、渦輪升速等過程，該過程由靜態到動態啟動時間短，并伴隨著急劇的物理化學變化，是燃氣輪機正常運行中最易出現故障的環節。喬振廣[1]等，針對GT12E2型發電燃氣輪機機組第一次啟動過程中總是失敗現象，分析排查找到了原因及解決方法。趙小寧[2]從3個方面分析了PG9171E型燃氣輪機啟動失敗的原因。朱維軍[3]等針對燃氣輪機啟動特點對可能出現的故障進行了細致探討，進一步提出了燃氣輪機在啟動管理階段應當重點關注的問題。船用燃氣輪機因其惡劣的工作環境和獨特啟動特點，決定了其產生故障的多樣性。本文結合燃氣輪機在實際啟動過程中的故障類型，建立了較為完整的故障樹模型，依據用戶及工程技術人員提供的實際運行經驗數據，采用模糊故障樹分析方法，對燃氣輪機啟動失效概率進行研究，對研究燃氣輪機啟動過程可靠性，改進燃氣輪機可靠性設計具有一定指導意義。

1 故障樹的建立

該型船用燃氣輪機啟動過程具有啟動時間短，轉子升速快，物理化學變化劇烈，熱負荷大，機械沖擊力大，控制系統復雜等特點。而在故障樹的建立過程中，忽略控制系統人員操作的失誤及信號傳輸等故障，重點放在燃氣輪機啟動過程中自身設備的可靠性上，歸納為4個主要故障：啟動電機故障、燃油壓力不足、滑油系統故障以及點火不成功。按照以“燃氣輪機啟動失敗”為頂事件T來建立故障樹。

如圖1所示，共21個基本事件，用Xi(i=1，2，…，21)表示，4個主要故障為中間事件，用Ei(i=1，2，3，4)來表示(事件名稱見表1)。假設各基本事件彼此獨立，可得到故障樹的結構函數為：

T=E1+E2+E3+E4，

式中：E1=X1+X2+X3+X4+X5；E2=X6+X7+X8+X9+X10+X11；E3=X12+X13+X14+X15+X16；E4=X17+X18+X19+X20+X21。

圖1 燃氣輪機啟動故障樹

2 模糊故障可靠性分析

傳統的故障樹分析基于一個基本假設，即要求系統及其組成的單元狀態只有正常或故障2個狀態，現有的理論要求故障樹頂事件和基本事件發生的概率為一精確值，在實際中，這一點是很難做到的[4]。由于受外界各種復雜因素及其自身設備偶然性等影響，各基本事件發生故障的概率具有不確定性，即模糊性。人們只能給出事件發生的均值及其置信區間，結合工程技術人員的實際經驗和判斷來構造模糊數的隸屬函數，這樣就可以采用模糊數來描述事件的發生，從而進行有效的可靠性分析。

在模糊故障樹分析中引入模糊數P來描述事件發生的概率，利用隸屬函數P(x)來表征發生故障的模糊性。用PT、PEi、Pxi表示頂事件、中間事件及基本事件故障發生概率。并且工程中常采用三元數組(m，α，β)來表示模糊數，其中m對應于隸屬度μ=1的模糊數，亦稱為均值，是依據工程技術人員提供的經驗值確定的；α與β稱為模糊數P的左右分布，表征了故障概率的模糊程度，分布區間越窄，則m值越可信。α與β取值應由所選用的隸屬函數確定。

隸屬函數有多種形式，L-R型模糊數有三角形、正態型、尖形3種，結合實際過程，這里采用三角形隸屬函數(見圖2)，其參照函數形式為：

L[(m-x)/α]=max{0,1-(m-x)/α},當x≤m,αgt;0，

(1)

R[(m-x)/β]=max{0,1-(m-x)/β},當xgt;m,βgt;0，

(2)

對應于三角模糊數P的隸屬函數為：

(3)

圖2 三角形隸屬函數圖

為使三角形隸屬度函數表達方便，采用下面的格式來表征模糊數P。

P=(m-α,m,m+β)，

這樣表示則模糊數的上下界限分別為m+β和m-α。模糊數的取值落在區間時m-α≤x≤m+β，隸屬度區間為[0，1]。當x靠近均值m時，隸屬度變大(當x=m時，隸屬度為1)；當x不在此區間時，則隸屬度為0。

筆者依據某型燃氣輪機實際使用中，用戶及工程技術人員實際經驗反饋的模糊信息，綜合列出表1所示的基本事件參照表及其模糊值。

表1 基本事件模糊數據

續表1 基本事件模糊數據

由此可以得到中間事件的發生概率，即模糊數PE1、PE2、PE3、PE4分別為：

PE1=(0.007 78,0.014 10,0.019 42)；

PE2=(0.009 14,0.015 61,0.019 78)；

PE3=(0.006 68.0.011 35,0.014 02)；

PE4=(0.007 79,0.012 38,0.015 73)。

相應的頂事件的發生概率，即模糊數PT為：

PT=(mT-αT,mT,mT+βT)=(0.031 39,0.053 44,0.068 95)。

表2 模糊數在不同置信水平下的置信區間

3 結束語

本文采用模糊數的分析方法，結合工程實際反饋的故障信息，通過線性三角隸屬函數的數學方法計算得出了以下結論。

1)對燃氣輪機啟動進行模糊故障樹分析，產生出了模糊故障樹分析的理論與方法,這為燃氣輪機系統的故障分析研究開辟了新的途徑。

2)燃氣輪機在啟動過程中的故障概率遠高于正常運行過程，綜合各置信水平得到啟動過程發生故障概率區間為(0.031 4，0.053 4)，與燃氣輪機實際使用情況基本相符。

3)計算給出了燃氣輪機各部件故障概率區間值，對于工程實際改進系統可靠性方案，提高整體可靠性程度具有指導和借鑒意義。

在燃氣輪機的實際應用中，由于工作人員操作差異、經驗數據評估水平、各部件材料差異等多方面的原因，導致利用傳統的故障樹分析方法難以得到有效的可靠性數值。本文采用模糊數的方法，回避了故障樹基本事件必須是確定值的前提，通過線性三角隸屬函數的數學方法計算得出了在經驗數據下燃氣輪機啟動失敗的概率，并求出了在不同置信水平下船用燃氣輪機發生故障的概率區間，為進一步改善燃氣輪機啟動的可靠性設計提供了數據。

[1] 喬振廣，彭紅武. GT13E2燃氣輪機啟動失敗的故障分析及處理方法[J]. 燃氣輪機技術， 2003，16(4):57-58.

[2] 趙小寧.PG9171E型燃氣輪機啟動失敗原因分析[J].燃氣輪機技術，2010，23(1):49-53.

[3] 朱維軍，余又紅.某型燃氣輪機啟動過程故障分析[J].燃氣輪機技術，2013，26(1):5-8.

[4] 趙艷萍，貢文偉. 模糊故障樹分析及其應用研究[J]. 中國安全科學學報， 2001， 11(6): 32-34.

[5] Singer D.A Fuzzy set approach to fault tree and reliability analysi[J].Fuzzy Set and Systems，1990，34(8):145-155.

2014-09-15

興船報國創新超越

On the basis of establishing the fault tree for start failure of the gas turbine,the research analyses the fuzzy reliability of the start process of the gas turbine，according to the fuzzy information fed back by the engineering technologist and the different confidence level,we got different failure probability interval by calculating.All these consequence will offer assistance in increasing the equipment reliability and improving the system design of reliability.

gas turbine;reliability;fuzzy fault tree

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.013

裝備預研基金(40103)

閆東(1990-)，男，河南鶴壁人，在讀碩士研究生，研究方向為燃氣輪機故障診斷及可靠性分析。