GT25000型船用燃氣輪機振動監(jiān)測閾值分析

孫云嶺,陳林松，李 琳

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

GT25000型船用燃氣輪機振動監(jiān)測閾值分析

孫云嶺,陳林松，李 琳

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

GT25000型船用燃氣輪機是由航空發(fā)動機改裝而來，已大量應用于各型船舶。國內外對航空發(fā)動機振動監(jiān)測已進行了廣泛的研究，制定了明確的判斷標準，但是航空發(fā)動機的振動烈度監(jiān)測閾值并不適用于船舶燃氣輪機主機。據(jù)此通過對多臺船用燃氣輪機常年積累的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，運用數(shù)理統(tǒng)計方法計算了該型燃氣輪機振動烈度參考監(jiān)測閾值，并與近似機械設備的通用標準以及廠家推薦閾值相對比，結果表明計算得到的閾值更加符合實際監(jiān)測和維修情況。

船用燃氣輪機；振動烈度；振動監(jiān)測；閾值

船用燃氣輪機由于具有功率密度高、振動噪聲低、加速性好等特點，廣泛被高速船舶作為主機使用[1]，烏克蘭“機器設計”科研生產聯(lián)合體研制的GT25000型燃氣輪機在我國船舶得到了大量的應用[2]。燃氣輪機是一種高速旋轉流體機械，其振動問題非常突出。盡管出廠前均實施了嚴格的轉子平衡及主要部件的振動測試，但由于運輸途中的磕碰，使用中的磨損、損傷及腐蝕，使得其振動品質不斷惡化。

據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機的結構強度故障90%以上由振動導致或與振動有關。對燃氣輪機進行振動監(jiān)測，可以判斷發(fā)動機工作狀況，具有重要的實際意義和價值[3]。

振動監(jiān)測涉及到諸多技術和手段，一般實施簡易診斷和精密診斷相結合的診斷策略，實施最普遍的是簡易診斷。

所謂簡易診斷就是利用一些簡單的儀器設備對所選定的機器設備進行粗略的診斷，以判斷設備運行是否正常，主要是指整機振動測量及評定。GT25000燃氣輪機隨機裝配了振動監(jiān)測組件(VMS)，由壓電式振動傳感器、電荷放大器、放大器用電源和模擬信號模塊等組成，用于監(jiān)測燃氣輪機運行中低壓壓氣機機匣、燃燒室機匣和動力渦輪承力環(huán)3個特征點的振動狀態(tài)，在線顯示35～400 Hz區(qū)間振動速度有效值。

目前在該型燃氣輪機振動監(jiān)測上的最大問題是缺乏明確的判斷標準，即沒有整機振動烈度的判斷閾值。該型燃氣輪機是由航空發(fā)動機改裝而來，國內外雖然對航空發(fā)動機的振動監(jiān)測已進行了廣泛的研究并制定了明確的判斷標準，但由于安裝平臺、支撐形式和具體用途的不同導致無法照搬航空發(fā)動機的判斷標準。這導致只能參考近似機械設備的通用判斷標準和廠家的推薦閾值，而通用標準缺乏對船用燃氣輪機的適用性，廠家推薦值經詳細調研發(fā)現(xiàn)不符合實際監(jiān)測和維修情況，使得該型燃氣輪機振動監(jiān)測閾值問題十分突出。有必要根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，在此基礎上確定該型燃氣輪機的振動監(jiān)測閾值。

1 近似通用標準和廠家推薦閾值

當前一般機械設備的振動監(jiān)測標準已經比較豐富和完善，在燃氣輪機方面，近似的參考標準主要基于ISO 10816《機械振動——在非旋轉部件上測量和評價機器的振動》。其第3部分“額定功率大于15 kW額定轉速在120 r/min至15 000 r/min之間的在現(xiàn)場測量的工業(yè)機器”規(guī)定了4組類型的機器判斷標準，船用燃氣輪機可歸為第一組“額定功率大于300 kW并且小于50 MW的大型機組(旋轉機械)”機器類型，其振動烈度區(qū)域評價界限如表1所示。

表1 額定功率大于300 kW并且小于50 MW的大型機組(旋轉機械)的評價區(qū)域界限

以A/B區(qū)為正常區(qū)間，C區(qū)為警告區(qū)，D區(qū)為異常區(qū)，安裝在減振器上的船用燃氣輪機的振動速度有效值警告閾值為7.1 mm/s，異常閾值為11 mm/s。ISO 10816第4部分“非航空器類燃氣輪機驅動裝置”規(guī)定了燃氣輪機的評價區(qū)域界限，但是主要用于發(fā)電和機械驅動的重型燃氣輪機，不適用于航空發(fā)動機派生出來的船用輕型燃氣輪機，其振動烈度區(qū)域評價界限如表2所示。規(guī)定的振動速度有效值警告閾值為9.3 mm/s，異常閾值為14.7 mm/s。

表2 非航空器類燃氣輪機評價區(qū)域界限

根據(jù)烏克蘭設計廠家推薦，GT25000船用燃氣輪機目前暫用的振動烈度警告閾值為12 mm/s，異常閾值為28 mm/s。但是根據(jù)實際調研結果，船員和檢測維修人員普遍認為該閾值過于寬松，雖然燃氣輪機曾經多次出現(xiàn)故障，但隨機配套的振動監(jiān)測裝置從未因故障原因報過警。

由此可見，近似通用標準和廠家推薦閾值相差較大，雖然說從對機型的針對性上來看應以廠家推薦值為準，但是廠家推薦值明顯過于寬松，不符合實際運行情況。

2 實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

為了有針對性地研究GT25000型燃氣輪機的振動監(jiān)測閾值，最直接的方法是對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。經過長期對多臺該型燃氣輪機振動監(jiān)測情況的調研，獲得了大量振動烈度監(jiān)測數(shù)據(jù)，經過初步的整理并剔除一些因儀器和人員因素造成的錯誤數(shù)據(jù)和一些不具備代表性的數(shù)據(jù)后，得到了263臺次的振動監(jiān)測波形數(shù)據(jù)。這些樣本數(shù)據(jù)的測點統(tǒng)一，測量儀器均采用EMT690B型設備故障診斷儀。

振動烈度的測量量標為振動速度有效值，所以對每個波形數(shù)據(jù)計算下列指標進行分析：①35～400 Hz區(qū)間振動速度有效值,mm/s;②10～1 000 Hz區(qū)間振動速度有效值,mm/s。

其中，35～400 Hz區(qū)間振動速度有效值對應GT25000燃氣輪機隨機配備的振動測試裝置的測量頻率區(qū)間，10～1 000 Hz區(qū)間振動速度有效值對應國際標準中規(guī)定的振動列度評價頻率區(qū)間。35～400 Hz、10～1 000 Hz區(qū)間振動速度有效值的樣本分布分別如圖1、圖2所示。每幅圖包括2個子圖，上面的子圖為樣本分布斑點圖，橫坐標為樣本序號，縱坐標為樣本相應振動速度有效值，其中小于樣本均值加1倍樣本標準差的樣本用“*”號表示，介于樣本均值加1倍樣本標準差和樣本均值加兩倍樣本標準差的樣本用“▽”表示，介于樣本均值加2倍樣本標準差和樣本均值加3倍樣本標準差的樣本用“○”表示；分析過程中未發(fā)現(xiàn)超過均值加3倍標準差的樣本。下面的子圖為樣本分布直方圖，橫坐標為相應振動速度有效值，縱坐標為落在橫坐標區(qū)間內的樣本數(shù)目。

圖1 35～400 Hz區(qū)間振動速度有效值分布圖

圖2 10～1 000 Hz區(qū)間振動速度有效值分布圖

可以看出，振動烈度的分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律，可按照國內外常用的三線值法進行監(jiān)測閾值計算，即以平均值加上2倍標準差為警告閾值，以平均值加上3倍標準差為異常閾值。計算得到的均值、標準偏差、警告閾值、異常閾值如表3所示。

表3 計算得到的振動烈度的均值、標準偏差和監(jiān)測閾值 mm/s

3 結束語

根據(jù)計算結果，可認為：①該型燃氣輪機隨機振動監(jiān)測裝置的報警和異常閾值可分別定為10.2 mm/s和12.6 mm/s；②采用其它振動測試儀器進行測量時，報警和異常閾值可分別定為10.4 mm/s和12.5 mm/s。計算值處于國際標準類似設備參考值和廠家推薦值之間，經過與數(shù)次發(fā)生故障前的歷史數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)其中2次與軸承損壞有關的故障達到了警告閾值，說明計算得到的閾值比廠家推薦值更能反映實際情況。與近似的通用國際標準相比，數(shù)值相差不是太大，但對GT25000型燃氣輪機更具有針對性。另外，隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的進一步積累，監(jiān)測閾值還可以逐步滾動更新，使之更能反映該型燃氣輪機的運行特點。

[1] 李東平，畢曉煦，吳 艷. 俄羅斯船用及工業(yè)燃氣輪機的發(fā)展和應用現(xiàn)狀[J].船海工程，2012(2)：95-100.

[2] 王世安，吳 窮，王軍，等. 船用燃氣輪機技術的發(fā)展方向及我國發(fā)展途徑的思考[J]. 熱能動力工程, 2011，26(4)：379-382.

[3] 譚大力，王儼剴. 某船用燃氣輪機故障的動力學分析[J].中國造船，2009，50(3)：104-112.

GT25000 marine gas turbine is rooted from aero engine and used in numbers of type ships widely.The vibration monitoring methods have been studied widely for aero engine,and the special judgment standards have been used in diagnosis.But the vibration intensity monitoring threshold value for aero engine can' t fit into marine gas turbine.So lots of data from different marine gas turbine are analyzed to calculate the referenced vibration intensity monitoring threshold value through statistics methods.By comparing with the approximate universal mechanical vibration standards and the recommendatory value of manufacturer,the calculated threshold value is more accord with the actual monitoring and maintaining status.

marine gas turbine;vibration intensity;vibration monitoring;threshold value

U672；TK268

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.016

孫云嶺(1976-)，男，山東臨清人，副教授，博士，研究方向為機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

2014-08-21