F型燃气轮机振动问题解决方案研究

摘 要：利用新一代航空发动机改型设计研发的F型燃气轮机，在运行试验过程中经常出现振动报警，极大的影响了机组的运行可靠性和安全性。通过对振动情况的长期监测和详细分析，对F燃气轮机实行设计改进和完善，该问题得以有效解决，提高了机组稳定性。

关键词：燃气轮机；振动监测；故障排除

中图分类号：U66 文献标识码：A

F型燃气轮机是在已经定型的某航空发动机基础上改型设计制造的航改型燃气轮机。该型燃气轮机在设计改进及制造过程中引入了多项先进的航空发动机前沿技术，涉及结构力学、材料学、传动、燃烧等多学科领域和专业技术，技术复杂度高。该航改型燃气轮机设计结构复杂、部件繁多，同时，作为高速旋转机械设备，工作环境具有高转速、高负荷、高温度的特点，因此，在其运行试验过程中容易发生故障，且故障通常具有不可预见性，其中尤以振动故障最为突出。

1 F型燃气轮机结构

F型燃气轮机由进气道、燃气发生器、动力涡轮及排气装置组成。燃气发生器、动力涡轮为轴流式结构。燃气发生器主要由低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、空气系统、传动系统及系统等组成，动力涡轮由整流器、扩压器、静子、转子、主承力环组件、轴承机匣、排气装置、隔热层和支撑平台等组成。

2 F型燃气轮机振动情况描述及原因分析

F型燃气轮机在运行试验过程中，其燃气发生器振动故障出现频次相对较多，经常造成机组超限报警或停机。在对故障进行系统排查时，检查燃气轮机基础无松动现象，复查对中数据无异常偏离现象，全面核查动力涡轮振动数据无超限现象，因此，初步判断振动的原因可能是燃气发生器转子故障或机匣故障。对F型燃气轮机进行深入的故障排查，需要对运行试验的振动情况进行跟踪监测获得数据，通过对振动数据的分析处理，查找出产生故障的主要部件及根本原因，再经过系统改造或进一步的设计改进，排除振动故障。

3 F型燃气轮机振动测试过程

在对F型燃气发生器振动故障排查的过程中，需要采集尽可能多的振动数据样本，以避免因个别偶发现象导致对振动问题的误判。因此，在试验运行的F型燃气发生器上安装专用的振动测试设备，经过对振动状态长达4个月的不间断监测和采集，获得了大量的数据样本，并完成数据的处理、分析。

主要振动测试设备包括：（1）传感器：采用单轴电荷式加速度传感器，其工作温度≤260℃，灵敏度为9.96pC/g，配套电荷放大器的转换系数为1.012mV/pC。（2）数据采集系统：采用美国NI公司的PXI数据采集系统，使用24B/102.8KHz采样率的数据采集设备。

主要测试过程包括：（1）通过专用支架将传感器分别安装在F型燃气发生器机匣的垂直和水平方向，以此获取运行试验中的振动数据。（2）采集F型燃气发生器试车台的振动数据，作为振动分析对比数据。（3）处理、分析振动数据，通过数据变换及对比，确定振动原因。（4）跟踪测试改进后的燃气发生器振动情况，对改进效果进行评估。

4 数据分析及处理

数据的分析和处理是F型燃气轮机振动故障解决过程中最为复杂的过程，大致分为四个步骤：（1）专用振动测试系统本底噪声分析。（2）F型燃气发生器运行试验和试车台数据对比分析。（3）振动数据的深层次信息挖掘。（4）改进后振动数据测试。

4.1 测试系统本底噪声分析

专用振动测试系统为长期无人值守系统，需要监测系统状态以检验系统的可靠性和稳定性，确保系统工作的确定性，保障获取的数据准确可靠。为此，分别检查振动传感器、电荷放大器、测试系统、数据传输系统的状态和性能，在燃气轮机停车期间定期采集到静态数据，通过对静态数据的处理分析，确定系统的本底噪声极低，传感器、电荷放大器及测试系统工作稳定可靠。

4.2 F型燃气轮机运行试验和试车台数据对比分析

通过监测F型燃气发生器运行试验，获取大量原始振动数据，以阶次跟踪为基础算法对这些数据进行分析处理，提取转子和各级叶片振动，绘制振动变化关系图。如图1（上部分是运行试验的燃气发生器振动，下部分是试车台的燃气发生器振动）所示。

由图2可知，无论是运行试验还是试车台的燃气发生器，振动的能量中占比重最大的均是低压二级叶片和低压涡轮叶片，而转子振动的能量在总的能量中占的比例很小，分析中可以忽略不计。进一步观察图2可以发现，无论是运行试验还是试车台的燃气发生器，在转速保持相对稳定的过程中，低压二级和低压涡轮叶片振动变化幅度非常大，因此，需要对数据进行深层次处理和挖掘，找出背后更为复杂的原因。

4.3 数据深层次发掘

在测试条件不变的情况下，通过分析燃气轮机每一次停车过程中，其转子转速依照惯性从高到低对燃气轮机进行类似扫频的过程数据，同时，分别对故障前后燃气发生器的数据进行提取分析，发现引起燃气发生器振动变化比较突出的频率是在12kHz附近，如图2（上部分是燃气发生器完好状态的数据，下部分是燃气发生器故障状态的数据）所示。

根据F型燃气轮机结构特点分析，能够使笨重的燃气轮机产生强烈振动的，一定是其功率组件之一。排除气动、燃烧、噪声等因素影响，同时参照各部件的固有频率，最终确定导致振动故障的主要部件是燃气发生器机匣，主要原因是机匣结构强度不够，引发弹性振动变形导致振动超限，影响运行试验的可靠性和稳定性。

4.4 对改进后的机组进行跟踪测试

根据上述测试结果，经认真分析制定改进措施并实施整改，对F型燃气轮机低压压气机、高压压气机、燃烧室、涡轮等主要部件进行了增加机匣壁厚改进设计和材料改进。如图4所示。

改进后重新对燃气轮机进行振动状态测评，发现振动现象得到明显改善，原有振动故障消失。振动时频分析如图3所示。

结语

通过对F型燃气轮机振动数据的监测和分析，定位找出故障原因，并通过设计完善和改进，消除了燃气轮机振动故障，保障了运行试验的安全性和稳定性，使机组可靠性大幅提高，实现了较好的经济效益。

参考文献

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