全 列，張廣輝

(1. 南方科技大學(xué) 力學(xué)與航空航天工程系, 廣東 深圳 518055； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

回轉(zhuǎn)機(jī)械在高速運(yùn)行時(shí)都要產(chǎn)生振動(dòng)，設(shè)備振動(dòng)特征是反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)重要參數(shù)，振動(dòng)的大小關(guān)系到設(shè)備機(jī)組能否正常運(yùn)行。大型機(jī)械故障常以振動(dòng)大的形式表現(xiàn)出來,因此根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷是目前設(shè)備維護(hù)管理的主要手段,且振動(dòng)信號(hào)中包含豐富的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息,是目前故障診斷的重要研究領(lǐng)域[1-5]。通過振動(dòng)特征參數(shù)可以掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況并分析設(shè)備的故障，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，及早發(fā)現(xiàn)故障根源，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，能夠節(jié)約企業(yè)成本，提高企業(yè)效益。

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在運(yùn)行過程需對(duì)軸承振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)異常并作相應(yīng)處理。由于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組是一個(gè)龐雜系統(tǒng)，設(shè)備之間的振動(dòng)可通過結(jié)構(gòu)、地腳、聯(lián)軸器等進(jìn)行傳遞和影響，使得燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)情況的準(zhǔn)確分析變得更加困難。

本文所研究的西門子工業(yè)雙軸燃?xì)廨啓C(jī)在2013年運(yùn)行期間其動(dòng)力透平的軸承在機(jī)組高負(fù)荷情況下，出現(xiàn)了振動(dòng)波動(dòng)的情況，從20 μm到40 μm之間波動(dòng)，而這種振動(dòng)波動(dòng)情況有持續(xù)上升的趨勢(shì)，并在運(yùn)行一年半之后，最高波動(dòng)達(dá)到51 μm,開始接近振動(dòng)高報(bào)警值(64 μm)，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成較大隱患。

本文對(duì)該燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)異常進(jìn)行診斷和分析，對(duì)比美國(guó)海軍LM2500型艦載燃?xì)廨啓C(jī)的異常振動(dòng)案例[6]，在軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步使用敲擊測(cè)試方法尋找異常振源。本文案例的診斷與解決方案具有一定代表性，能夠?yàn)轭愃频娜細(xì)廨啓C(jī)振動(dòng)異常現(xiàn)象提供參考。

1 設(shè)備基本情況

發(fā)生異常情況的設(shè)備是西門子SGT-200-2S的燃?xì)廨啓C(jī)，代號(hào)TORNADO(龍卷風(fēng))，功率7.68 MW,采用雙軸布置結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1。

該燃?xì)廨啓C(jī)的基本部件簡(jiǎn)介如下：

(1) 壓氣機(jī)部分為15級(jí)軸流亞音速壓氣機(jī)，設(shè)置有可調(diào)入口導(dǎo)葉和靜葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)，壓比12.6∶1，在ISO條件下空氣流量29.3 kg/s，額定轉(zhuǎn)速11 085 r/min。

(2) 透平部分由2級(jí)懸掛式壓氣機(jī)透平和2級(jí)動(dòng)力透平組成。其中壓氣機(jī)透平與壓氣機(jī)布置在同一根轉(zhuǎn)軸上，動(dòng)力透平布置在另一根轉(zhuǎn)軸并通過聯(lián)軸器向外輸出動(dòng)力，其額定轉(zhuǎn)速10 950 r/min，在ISO條件下功率7 680 kW。

(3) 燃燒系統(tǒng)采用逆流式設(shè)計(jì)，高壓助燃空氣從壓氣機(jī)擴(kuò)壓口出來后，逆向改道進(jìn)入燃燒室。燃料噴嘴位于每個(gè)火焰筒的頸部。高壓助燃空氣在燃燒室里直接進(jìn)入火焰筒，在旋流器的作用下，加速空氣的擾動(dòng)，使得燃料和空氣得到充分的混合燃燒。

2 故障現(xiàn)象描述

該振動(dòng)異?，F(xiàn)象最初從燃?xì)廨啓C(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的振動(dòng)位移值體現(xiàn)出來。圖2 展示了該燃?xì)廨啓C(jī)的軸承測(cè)點(diǎn)分布，其中UD10X1、UD10Y1(靠近空氣入口)和UD11X1、UD11Y1(靠近燃燒室)為布置在同一根軸上的壓氣機(jī)徑向軸承測(cè)點(diǎn)，UD12X1、UD12Y1為布置在另一根軸上的動(dòng)力透平(power turbine，以下簡(jiǎn)稱PT)徑向軸承測(cè)點(diǎn)。該燃?xì)廨啓C(jī)于2013年5月19日回裝，經(jīng)過一年時(shí)間運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)PT的徑向軸承UD12X1、UD12Y1出現(xiàn)異常波動(dòng)。該異常振動(dòng)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，振動(dòng)幅值也隨之增加。根據(jù)2015年12月的歷史記錄，PT軸承UD12X1振動(dòng)幅值已達(dá)到53 μm，而軸承振動(dòng)高報(bào)警值為64 μm。按照該異常振動(dòng)幅值上升的速度可預(yù)測(cè)，不到一年將由于軸承振動(dòng)值超過允許范圍而機(jī)組跳停。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

在表1中我們可以看到，隨著透平負(fù)荷從低負(fù)荷向高負(fù)荷轉(zhuǎn)變，壓氣機(jī)軸承振動(dòng)位移值沒有發(fā)生明顯變化，而PT軸承UD12X1的振動(dòng)位移值明顯變大。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)軸承不同工況下的振動(dòng)位移幅值

通過使用便攜式采集儀查看實(shí)時(shí)頻譜，可以發(fā)現(xiàn)在PT軸承處主要的振動(dòng)頻率是63 Hz。這個(gè)63 Hz譜峰在低負(fù)荷時(shí)沒有出現(xiàn)，而在高負(fù)荷情況下極為明顯。另外這個(gè)頻率63 Hz是固定的，也就是不隨轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生改變。這個(gè)頻率的振動(dòng)幅值在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行過程會(huì)在較大范圍內(nèi)振蕩。高負(fù)荷下的UD12X1軸承振動(dòng)頻譜圖中顯示其振動(dòng)值高達(dá)24 mm/s，且以63 Hz為主要振動(dòng)頻率。因此，這個(gè)63 Hz頻率屬于該異常振動(dòng)的特征頻率，需要尋找振動(dòng)源。

3 異常頻譜圖分析

3.1 低負(fù)荷下軸承振動(dòng)情況

在低負(fù)荷情況下燃?xì)廨啓C(jī)所有軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沒有異常的波動(dòng)，振動(dòng)值也較小。PT軸承UD12X1在低負(fù)荷下以PT轉(zhuǎn)子頻率為主要振動(dòng)頻率，如圖3所示。

圖3 低負(fù)荷下PT軸承UD12X1振動(dòng)頻譜圖

3.2 高負(fù)荷下燃?xì)廨啓C(jī)軸承振動(dòng)情況

在機(jī)組負(fù)荷提上去之后，開始出現(xiàn)了異常的頻譜，UD12系列軸承的振動(dòng)異常尤為顯著：以63 Hz為譜峰，且振動(dòng)總值非常高，對(duì)比之下PT和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速頻率譜峰幾乎可以忽略，如圖4所示。

圖4 高負(fù)荷下PT軸承UD12X1振動(dòng)頻譜圖

在對(duì)比低負(fù)荷情況下和高負(fù)荷情況下燃?xì)廨啓C(jī)各個(gè)軸承的振動(dòng)頻譜可以發(fā)現(xiàn)，在高負(fù)荷情況下，PT軸承出現(xiàn)了明顯的63 Hz的譜峰，且該頻率不隨轉(zhuǎn)速改變。由壓氣機(jī)軸承振動(dòng)頻譜對(duì)比，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)側(cè)沒有明顯的63 Hz譜峰，因此振動(dòng)來源應(yīng)該在PT附近。

3.3 壓氣機(jī)及PT地腳振動(dòng)情況

在對(duì)壓氣機(jī)以及PT處的地腳進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集后，發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷工況下，燃?xì)廨啓C(jī)地腳均出現(xiàn)63 Hz的振動(dòng)頻率，這樣63 Hz頻率便可以通過與地基、隔音柜的剛性接觸傳遞，這也解釋了燃?xì)廨啓C(jī)隔音柜的低頻振動(dòng)原因。

3.4 燃?xì)廨啓C(jī)排氣煙道振動(dòng)情況

在燃?xì)廨啓C(jī)排氣煙道的振動(dòng)測(cè)量中，我們選取了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)：煙道靠近PT出口處、煙道與PT出口間隔一個(gè)布袋膨脹節(jié)的位置，如圖5所示。

圖5 煙道測(cè)點(diǎn)位置

煙道的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處的頻譜如圖6、圖7所示。

圖6 排氣煙道靠近PT出口處振動(dòng)頻譜圖

圖7 排氣煙道與PT出口之間隔一個(gè) 布袋膨脹節(jié)處振動(dòng)頻譜圖

經(jīng)過振動(dòng)檢測(cè)儀的測(cè)量，在排氣煙道靠近PT出口處的振動(dòng)頻譜中，除了燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速譜峰，還出現(xiàn)了明顯的63 Hz的譜峰，說明煙道的確存在63 Hz的機(jī)械振動(dòng)頻率；而這段排氣煙道在經(jīng)過了約10 cm的布袋膨脹節(jié)后，其頻譜發(fā)生了明顯變化，63 Hz的譜峰消失，只剩下燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速譜峰。

從這個(gè)測(cè)量結(jié)果可以判斷，63 Hz屬于排氣煙道在靠近PT出口處的振動(dòng)頻率(否則不應(yīng)該在布袋膨脹節(jié)后消失)。

4 振動(dòng)原因以及解決方案

4.1 敲擊測(cè)試驗(yàn)證結(jié)論

使用橡膠錘對(duì)煙道排放口進(jìn)行敲擊測(cè)試，測(cè)量在敲擊煙道不同位置時(shí)所激起的固有頻率，發(fā)現(xiàn)在煙道下方有特征頻率69 Hz，而在煙道上方有特征頻率62.83 Hz。

經(jīng)過敲擊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)煙道上方的特征頻率非常明顯，在燃?xì)廨啓C(jī)的煙道、PT地腳等位置均能測(cè)量到63 Hz左右的明顯譜峰,如圖8所示。

圖8 煙道敲擊測(cè)試頻譜圖

經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)煙道排放口貼合面上半部分存在明顯縫隙，貼合面間的密封墊已經(jīng)脆化掉落。下半部分的情況較好，未發(fā)現(xiàn)明顯縫隙。

經(jīng)過綜合分析，可以認(rèn)為是由于排氣湍流脈動(dòng)沖擊煙道，對(duì)松動(dòng)部分的煙道產(chǎn)生了持續(xù)作用力，導(dǎo)致其在固有頻率處發(fā)生振動(dòng)，出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)。

4.2 振動(dòng)原因分析

燃燒后的氣流在PT出口要經(jīng)過一個(gè)90°的拐彎，對(duì)煙道和法蘭固定面產(chǎn)生較大的作用力。而氣流中的壓力脈動(dòng)作用在這個(gè)90°彎頭處，也會(huì)在拐彎處產(chǎn)生振動(dòng)[7]。

如果煙道法蘭面松動(dòng)，那么整個(gè)系統(tǒng)就好比有一定自由度的管道，在周期性的氣流脈動(dòng)激勵(lì)下，產(chǎn)生振動(dòng)[8]。這個(gè)振動(dòng)屬于受迫振動(dòng)，其振動(dòng)頻率和煙道被激發(fā)的固有振動(dòng)頻率相同。這里已通過敲擊測(cè)試發(fā)現(xiàn)煙道有固有頻率63 Hz。

因此，在兩個(gè)因素共同作用下，形成了PT的軸承以及透平煙道、地腳的振動(dòng)異?，F(xiàn)象。

而經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后振動(dòng)變大趨勢(shì)的原因是：由于排氣煙道連接螺栓的變形，煙道松動(dòng)情況加劇，在氣流引起的脈動(dòng)沖擊下引起的煙道振動(dòng)也隨之變大[9]。

類似的振動(dòng)異?，F(xiàn)象也在美國(guó)海軍艦載燃?xì)廨啓C(jī)LM2500上發(fā)現(xiàn)過，其異常振動(dòng)頻譜圖隨時(shí)間演化如圖9。類似于本文案例，技術(shù)人員檢測(cè)出在湍流作用下該機(jī)組由于排氣煙道振動(dòng)而引起的頻率為26 Hz的譜峰。該案例進(jìn)一步證實(shí)了本文的分析結(jié)論。

圖9 LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)頻譜隨時(shí)間演化圖

4.3 解決方法

由于該振動(dòng)并非由于轉(zhuǎn)子本身故障而引起，因此，燃?xì)廨啓C(jī)本體未出現(xiàn)問題。該振動(dòng)對(duì)煙道的影響較大，如果不做處理，可能導(dǎo)致煙道振動(dòng)劇烈，導(dǎo)致煙道松動(dòng)更加嚴(yán)重，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)振動(dòng)更加嚴(yán)重，造成煙道損傷，并由于振動(dòng)總值超出允許范圍而導(dǎo)致機(jī)組跳停[10]。因此，需要對(duì)煙道螺栓進(jìn)行緊固處理，增強(qiáng)煙道剛度，消除煙道63 Hz的振動(dòng)頻率。

在經(jīng)過一次緊固后，發(fā)現(xiàn)PT軸承UD12X1振動(dòng)總值從26 mm/s減少至14 mm/s，下降了一半，并且如圖10所示，63Hz振動(dòng)幅值從25 mm/s降低至8.5 mm/s，下降了三分之二，從而確定診斷結(jié)果正確。

圖10 處理后的UD12X1振動(dòng)頻譜

5 結(jié)論與展望

(1) 本文解釋并解決了西門子SGT-200-2S型雙軸燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力透平振動(dòng)值大幅波動(dòng)且總值較大并呈上升趨勢(shì)的異常振動(dòng)現(xiàn)象。此案例為類似燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)分析提供了參考。

(2) 本文總結(jié)了燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力透平軸承振動(dòng)值異常波動(dòng)的診斷方法：經(jīng)過敲擊測(cè)試，改變運(yùn)行速度等措施收集相應(yīng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，將振動(dòng)源定位在煙道固有頻率，并在對(duì)煙道進(jìn)行緊固后消除了振動(dòng)源，使振動(dòng)值大幅下降。

(3) 振動(dòng)頻譜分析方法能起到在設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障前的故障預(yù)判作用，為設(shè)備的計(jì)劃性檢修提供了可靠依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)于設(shè)備的安全運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)測(cè)起到重要作用。

(4) 在振動(dòng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過補(bǔ)充進(jìn)行敲擊測(cè)試來測(cè)定與其相連的部件的固有頻率是否影響了設(shè)備的整體振動(dòng)，可以確定部分異常振動(dòng)頻率的來源。