某工業(yè)型燃氣輪機可靠性試驗研究

戴日輝，魏昌淼，顧凡奇，劉朝陽

（1.海裝駐哈爾濱地區(qū)第三軍事代表室，哈爾濱 150078；2.中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇無錫 214151）

1 研究背景

燃氣輪機作為一種動力機械廣泛應用于多個行業(yè)領(lǐng)域，隨著應用領(lǐng)域的不同，將承受特定不同環(huán)境因素的影響。航空燃氣輪機工作環(huán)境特殊，為完成飛行器的各種機動動作，功率還需在較大的范圍內(nèi)不斷變化；船舶用燃氣輪機不僅要在高濕和高鹽空氣的環(huán)境中工作，還要經(jīng)受劇烈搖擺及顛簸考驗；發(fā)電用燃氣輪機需數(shù)萬小時連續(xù)穩(wěn)定運行，也是對其可靠性的一大要求。燃氣輪機結(jié)構(gòu)復雜，出現(xiàn)的故障模式多，同時故障幾率高及危害大，因此，可靠性是衡量燃氣輪機使用的重要指標[1]。很多學者針對可靠性進行了相關(guān)研究[2-4]。

在燃氣輪機的設(shè)計、試制和試驗的3 個環(huán)節(jié)中，國外的經(jīng)驗表明試驗是最為重要的環(huán)節(jié)，所需時間最長，通常約占整個研制周期的3/5[5]。某工業(yè)型燃氣輪機為了滿足使用要求，在批量投用前，需要進行大量的試驗來長時間的考核，通過可靠性試驗找到機組設(shè)計及生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，并驗證燃氣輪機的可靠性。當試驗中出現(xiàn)故障，通過后續(xù)的改進設(shè)計及制造工藝來提高燃氣輪機的可靠性。

2 試驗概況

某工業(yè)型燃氣輪機為了驗證其設(shè)計可靠性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足及使用中的其它缺陷進行了試驗臺可靠性試驗?？煽啃栽囼灢捎枚鄠€圖譜循環(huán)的模式，共包含600 個圖譜，其中每個圖譜運行10 h。

每個圖譜包含了各典型工況點及各工況對應的運行時間，同時包含工況機動變化內(nèi)容，通過完成試驗大綱規(guī)定的圖譜數(shù)，來暴露出發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，摸索出機組運行參數(shù)的變化規(guī)律。如某工業(yè)型燃氣輪機可靠性試驗已完成600 個圖譜運行，共計6 000 h。通過整個可靠性試驗對燃氣輪機各系統(tǒng)、各附件的故障情況進行分析，發(fā)現(xiàn)影響可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。整個可靠性試驗階段包含的各系統(tǒng)及主要零附件工作情況，各系統(tǒng)及主要零附件工作情況見表1 所示。

3 試驗中的故障統(tǒng)計

某燃氣輪機在可靠性試驗全程中，發(fā)生過多次運行故障。如可靠性試驗運行到4 200 h 時，燃氣輪機正常啟動過程控制系統(tǒng)監(jiān)控突然顯示低壓壓氣機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，低壓壓氣機轉(zhuǎn)速異常如圖1 所示。低壓轉(zhuǎn)速在啟動前半程數(shù)值正常，在啟動后半程突然出現(xiàn)跌落而后又快速上升，啟動至慢車后，低壓轉(zhuǎn)速數(shù)值與歷史值偏差較大無法正常運行，運行人員做停機處理。停機后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)速傳感器傳輸信號接頭異常脫落。更換低壓轉(zhuǎn)速傳感器后，低壓壓氣機轉(zhuǎn)速恢復正常，后續(xù)燃氣輪機各工況工作正常。此次轉(zhuǎn)速測量故障，造成機組啟動成功后再次停機，排除故障耗時達15 min。

表1 各系統(tǒng)及主要零附件工作情況

在整個可靠性試驗中，對運行發(fā)生的故障進行統(tǒng)計，運行故障數(shù)量統(tǒng)計見表2。每運行500 h 的故障數(shù)量如圖2 所示；故障發(fā)生的類型分布如圖3 所示。

圖1 低壓壓氣機轉(zhuǎn)速異常圖

圖2 每運行500 h 的故障數(shù)量

圖3 故障發(fā)生的類型分布圖

從圖2 中可以看出燃氣輪機的故障總體時間分布，故障發(fā)生率符合故障盆骨曲線，在試驗前期故障的數(shù)量較多，在試驗中期故障較少，但試驗后期故障又再次較多發(fā)生。從圖3中可以看出故障類型的分布比例，排第一位的為電磁閥故障，第二位為轉(zhuǎn)速測量故障，第三位為點火電纜故障。

通過試驗故障統(tǒng)計分析，找到了本型燃氣輪機故障率較高的附件，如低壓放氣閥控制用的電磁閥、霧化空氣控制用的電磁閥和動渦轉(zhuǎn)速傳感器，后期可通過針對性的改進各故障器件的設(shè)計來提高其使用可靠度，降低故障的發(fā)生率。

3 燃氣輪機熱效率及其它參數(shù)運行情況

3.1 水清洗及熱效率的變化

每完成500 h 試驗，需進行清洗溶液離線及通流部分一次，清洗一次通流部分熱效率較清洗前提高0.11%左右，清洗前后機組熱效率變化見表3。

3.2 熱效率的變化

可靠性試驗雖然每500 h 進行一次通流部分水清洗，但總體隨著運行時間的增加，燃氣輪機的效率呈下降趨勢，可見壓氣機性能及渦輪性能均存在性能下降情況，每運行500 h，清洗前機組熱效率下降0.1%左右，熱效率計算如圖4 所示。

3.3 其它運行參數(shù)的變化

燃氣輪機完成6 000 h 后，燃氣輪機各工況對應的振動值基本無變化，燃氣溫度場沒有明顯變化，停機轉(zhuǎn)子惰走時間也沒有變化。

表2 運行故障數(shù)量統(tǒng)計表

表3 清洗前后機組熱效率變化表

圖4 熱效率計算

4 燃氣輪機各系統(tǒng)的可靠性

燃氣輪機滑油系統(tǒng)由滑油供回油泵、滑油溫度測量用熱電阻和金屬屑信號器等組成。在可靠性整個試驗過程中，軸承各工況對應的滑油回油溫度基本無變化，金屬屑信號器檢查正常，滑油消耗量基本一致，滑油每200 h 檢測一次，滑油的品質(zhì)均合格。

燃氣輪機順利完成了600 個圖譜試驗啟動，對啟動電機、點火系統(tǒng)等進行了可靠性驗證，驗證結(jié)果滿足使用要求。在6 000 h 的可靠性試驗中，燃氣輪機完成了8 000 次工況變化，其中完成從空車到滿負荷來回的3 000 次機動變化。試驗全程中，壓氣機進口可轉(zhuǎn)導葉、壓氣機防喘放氣系統(tǒng)等均按規(guī)定完成動作，未發(fā)生過一次喘振故障。油門控制、燃燒溫度場均滿足了機動性要求，沒有發(fā)生過一次燃燒故障及燃油供應故障。

5 結(jié)語

某工業(yè)型燃氣輪機進行了6 000 h 可靠性驗證試驗，通過對試驗所有運行故障的統(tǒng)計分析，找到了發(fā)生故障率較高的附件，后續(xù)可通過對故障器件進行分析和改進來降低故障的發(fā)生率。另外，通過熱效率計算，得出燃氣輪機每運行500 h，機組熱效率約下降0.1%；燃氣輪機每運行500 h后清洗一次通流部分，熱效率較清洗前可提高0.11%左右。燃氣輪機在可靠性試驗全程，各系統(tǒng)及機構(gòu)均按規(guī)定進行了動作，滿足了可靠性試驗要求。