李小萌 王 京

（中國航發(fā)燃氣輪機有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

燃氣輪機是一種長壽命、高可靠性、高效率和高經(jīng)濟性的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行環(huán)境惡劣且輔助系統(tǒng)較多，極易產(chǎn)生多種類型的故障[1]。燃氣輪機在運行過程中，各部件都會產(chǎn)生振動，因此振動故障是一種常見的燃氣輪機故障形式，也一直是影響燃氣輪機壽命的關(guān)鍵因素[2]。燃氣輪機振動的大小直接關(guān)系到其能否在大修期或壽命期內(nèi)安全可靠地運行，并直接影響機組的安全運行。燃氣輪機振動是一個比較復(fù)雜的問題，造成振動的原因很多，因此振動的分析及排故一直是燃氣輪機研制時最棘手的問題。

1 某型燃氣輪機簡介

某型燃氣輪機是一型中檔功率航改燃機，由燃氣發(fā)生器、動力渦輪、排氣蝸殼以及支撐系統(tǒng)等組成。其中，燃氣發(fā)生器主要由進氣機匣、5 級低壓壓氣機、9 級高壓壓氣機、短環(huán)形燃燒室、1 級高壓渦輪和1 級低壓渦輪組成。動力渦輪接在燃氣發(fā)生器之后，與燃氣發(fā)生器為剛性連接，與排氣蝸殼是柔性連接，排氣蝸殼有自身的支撐系統(tǒng)。

燃氣輪機振動測量位置一共有4 處，包括進氣機匣徑向振動、中介機匣徑向振動、渦輪后機匣徑向振動以及動力渦輪徑向振動，具體振動測量位置如圖1 所示。

圖1 某型燃氣輪機振動測量位置示意圖

2 振動現(xiàn)象及分析

2.1 振動現(xiàn)象描述

機組在帶載11100kW 狀態(tài)下運行時（帶載運行453h56min），控制系統(tǒng)出現(xiàn)渦輪后機匣振動超限一級報警（＞30mm/s），同時發(fā)現(xiàn)進氣機匣、中介機匣振動有明顯上升趨勢。約2min 后，動力渦輪進、出口溫度開始升高，同時高壓轉(zhuǎn)速也緩慢下降，在隨后的1min 時間里，轉(zhuǎn)速降低了約50r/min。運行人員立即采取減載措施，情況沒有好轉(zhuǎn)，同時發(fā)現(xiàn)進氣機匣振動值、中介機匣振動、渦輪后機匣振動、動力渦輪徑向振動和后腔回油溫度均超限。為避免情況進一步惡化，機組緊急停機。

2.2 現(xiàn)場檢查情況

停機并經(jīng)初步判斷后，現(xiàn)場采取了手動盤高低壓轉(zhuǎn)子、接取并送檢滑油性質(zhì)、檢查滑油濾及屑末信號器以及孔探檢查流道件等措施，檢查情況如下：

對高、低壓轉(zhuǎn)子進行手動盤車，2 個轉(zhuǎn)子均無法轉(zhuǎn)動；接取的油樣中，只有后腔回油的油樣顏色呈墨黑色且沉淀后有黑色粉末狀雜質(zhì)，如圖2 所示；檢查金屬屑末報警器，除動力渦輪回油屑末報警器有少量屑末外，其他未見異常；對壓氣機、燃燒室和渦輪可視部分進孔探檢查，未見明顯異常。

圖2 各軸承腔取樣情況

2.3 試車數(shù)據(jù)分析

該次故障停機后，通過復(fù)查故障時刻的試車數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從該次故障發(fā)生到手動緊停的過程中，4 個振動值（進氣機匣、中介機匣、渦輪后機匣和動力渦輪）及后腔回油溫度持續(xù)升高，在其影響下總回油溫度也略有升高。在此期間，滑油系統(tǒng)的滑油供油溫度、前腔和中腔回油溫度、滑油供油壓力、中腔和后腔壓力、回油壓力等溫度、壓力參數(shù)未見明顯異常。動力渦輪進、出口溫度開始升高，同時高壓轉(zhuǎn)速也有緩慢下降現(xiàn)象。

分析認為是高壓轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)阻力增大引起的高壓轉(zhuǎn)速下降，進而使主流道空氣流量降低，而燃機負載和燃料基本沒有變化。由于參與燃燒的空氣減少，因此燃燒室出口溫度升高，表現(xiàn)為動力渦輪進、出口溫度的異常升高。

2.4 整機振動安全監(jiān)測系統(tǒng)分析

某型燃氣輪機運行中的安全監(jiān)測項目為50 項，其中振動測量4 項，故障發(fā)生過程中的相關(guān)振動參數(shù)報警情況見表1。振動監(jiān)測系統(tǒng)主要由振動傳感器、信號調(diào)理器、電流轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理及報警參數(shù)數(shù)據(jù)庫等組成，振動參數(shù)監(jiān)測信息通道是從傳感器、放大器、數(shù)采直到存儲器，數(shù)據(jù)類型為10Hz～2000Hz 帶寬內(nèi)的振動速度總量，采樣速率為50 次/s，控制系統(tǒng)提供振動狀態(tài)報警參考值。

表1 某型燃氣輪機振動參數(shù)測量項目

振動監(jiān)測的技術(shù)途徑和指標觀察，基本上包括了燃機結(jié)構(gòu)振動故障的頻譜特征范圍。但由于這一頻帶較寬，振動響應(yīng)幅值分布不盡相同，結(jié)構(gòu)損傷振動響應(yīng)能量貢獻也大小不一，如該次軸承故障開始階段振動總量根本體現(xiàn)不出分量的變化。因此現(xiàn)有振動監(jiān)測系統(tǒng)不能監(jiān)測軸承結(jié)構(gòu)損傷早期的行為，需要進一步增加振動測試裝置，建立數(shù)據(jù)分析處理平臺，滿足振動寬帶時域采集、現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)處理、寬帶數(shù)據(jù)遠程傳輸和軸承狀態(tài)異常報警等功能，用以確定整機、分系統(tǒng)及零部件的狀況，對燃氣輪機實施監(jiān)控，進行趨勢分析，并預(yù)測可能出現(xiàn)的故障。

2.5 振動現(xiàn)象及分析小結(jié)

上述對故障時刻以及前期運行存在的異常情況進行了對比分析，結(jié)合現(xiàn)場故障表現(xiàn)，該文認為燃氣輪機主機高低壓轉(zhuǎn)子卡滯、滑油狀態(tài)異常的故障在燃氣輪機后軸承腔內(nèi)部。同時現(xiàn)有振動檢測系統(tǒng)需要在數(shù)據(jù)處理內(nèi)容中增加信號時域和頻域分析，提供能代表軸承故障特征的信息，并將故障程度與量化信息建立關(guān)系，以此來為報警提供支持。

3 軸承檢查情況

為徹底摸清振動故障具體原因及位置，該文對某型燃氣輪機進行了分解檢查，重點對滑油噴嘴進行了流量檢查，對滑油進行了顆粒度、理化及能譜分析，對4 支點軸承進行了外觀檢查、尺寸測量、顆粒物分析和金相分析等，還對積碳等異物進行了能譜分析。

3.1 軸承外觀檢查

4 支點軸承外觀呈黑色，有大量積碳、污物，外圈外徑有明顯的熱變色，內(nèi)圈內(nèi)徑存在微動腐蝕。測量內(nèi)圈內(nèi)徑平均值合格，最大值和最小值超出規(guī)定值范圍，外圈外徑超標。從保持架取下一條絲狀物，前側(cè)環(huán)有一處開裂，裂開的開口距離約5mm，裂口附近有2 個橫梁脫落，裂口處有2 個滾棒脫落，如圖3 所示。外環(huán)內(nèi)壁有拉絲、積碳、燒結(jié)塊等異常現(xiàn)象，如圖4 所示，拉絲位置在軸承前端。大部分滾棒圓柱面被磨平，磨平面寬約5mm～6mm。軸承整體磨損嚴重，轉(zhuǎn)動不順暢。

圖3 4 支點軸承保持架斷口圖

圖4 4 支點軸承外環(huán)內(nèi)壁

3.2 顆粒物分析

為了排查污染顆粒物，該文將軸承清洗后，過濾顆粒物進行采樣，并做掃描分析。分析結(jié)果顯示，外來顆粒物主要為剝落的軸承鋼M50 合金鋼和保持架鍍銀、軸承內(nèi)外圈及滾動體材料，沒有發(fā)現(xiàn)常見的硬質(zhì)污染物顆粒。

3.3 金相檢查

對內(nèi)圈、外圈和滾動體進行金相檢查。照片顯示內(nèi)圈滾道及滾動體表面區(qū)域呈白色，表明滾道區(qū)域發(fā)生了超溫，引起了材料組織的變化。內(nèi)圈滾道發(fā)生材料組織變化的區(qū)域深度約為0.5mm，外圈滾道發(fā)生材料組織變化的區(qū)域深度約為0.01mm，滾動體表面發(fā)生材料組織變化的區(qū)域深度約為1mm。

3.4 EDX 分析

對保持架斷口進行EDX 分析。結(jié)果表明，采樣點主要成分是M50 鋼的合金元素和鍍銀層的Ag。

3.5 軸承檢查情況小結(jié)

綜合上述分析，可能性較大的軸承失效原因如下：軸承工作中可能存在打滑現(xiàn)象，且工作溫度較高、潤滑油膜較薄。在潤滑不良的情況下，可能會引起滾動體和滾道之間的金屬黏著磨損。另外，軸承在高溫工況下，其外圈和軸承座之間出現(xiàn)的間隙會引起微動腐蝕、磨損以及過熱。上述現(xiàn)象可能同時存在并相互影響，最終導(dǎo)致軸承失效[3]。

4 機理分析

通過現(xiàn)場情況及分解檢查，確定該次故障為4 支點軸承所引發(fā)。該文以“No.4 軸承故障”為頂事件建立了故障樹模型，進行故障溯源分析。根據(jù)“設(shè)計問題”“軸承存在缺陷”“使用不當”3 個部分對故障樹的底事件進行逐一排查。最終確定有4 項結(jié)果異常，即密封不可靠多塵、噴嘴流量不合格、滑油污染物等級不合格以及內(nèi)外圈配合不符合要求。

4.1 密封不可靠多塵

實測NO.5 密封裝置泄漏率超出設(shè)計要求，但石墨裝置為接觸式密封，在泄漏率超差情況下，其封嚴間隙仍優(yōu)于非接觸式篦齒封嚴結(jié)構(gòu)。復(fù)查以往記錄，存在多次工作一段時間后泄漏率超差的情況，但軸承無損傷，因此分析認為其非故障主因。

4.2 噴嘴流量不合格

高壓渦輪后軸軸承配合面的內(nèi)徑設(shè)計值為163.973mm～163.991mm，實測前、中、后截面數(shù)值，為前163.985mm，中164.014mm，后164.022mm，中、后2 個截面內(nèi)徑均超出設(shè)計要求。軸承外圈外徑設(shè)計值為164.054mm～164.064mm，實測值為164.046mm，超出設(shè)計要求。軸承外圈與高壓渦輪后軸安裝配合要求為過盈0.063mm～0.091mm，實測過盈為前0.061mm，中0.032mm，后0.024mm，前、中、后截面均超出設(shè)計要求，且已形成傾角。經(jīng)分析認為，高壓渦輪后軸的變形是長期高溫和結(jié)構(gòu)形式引起的熱變形，非故障主因。

4.3 滑油污染物等級不合格

運行結(jié)束后對供油中的顆粒物按照相關(guān)標準進行檢測，結(jié)果為8 級，超出7 級設(shè)計要求。經(jīng)分析認為，滑油污染物等級8 級不足以引起該次軸承故障，其非故障主因。

4.4 內(nèi)外圈配合不符合要求

后腔噴嘴4 支點、5 支點的流量超過設(shè)計值。經(jīng)復(fù)查，某型燃氣輪機在試車時，為解決渦輪后機匣滑油泄漏著火問題，進行了幾次供油管路改造及試驗，最終的供油管路狀態(tài)為管路通徑由12mm 改為8mm，管路長度增長，管彎增多，用于滑油流量試驗的工裝未真實模擬實際工作狀態(tài)，造成實際流量偏低。在該次故障負荷狀態(tài)下查詢試車數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)改造前的供回油溫差約為50℃，改造后的供回油溫差約為85℃。經(jīng)分析認為，供油流量低為該次振動故障的直接原因。

4.5 機理分析小結(jié)

由于軸承采用內(nèi)圈環(huán)下供油的方式，軸承外圈比內(nèi)圈溫度高，滑油供油流量低，滑油為軸承降溫的能力不足，因此軸承外圈比內(nèi)圈溫升大，膨脹量更大，游隙也增大，即導(dǎo)致軸承在高載荷時發(fā)生打滑現(xiàn)象。同時軸承外環(huán)和軸承座配合間隙會從過盈變成間隙，直至線接觸，這一過程會使支點支柔度變化不定，進而導(dǎo)致高壓振動波動，加劇了摩擦生熱。在潤滑油量長期不足的情況下，滾動體和內(nèi)圈摩擦面會出現(xiàn)局部變形和撕裂現(xiàn)象，導(dǎo)致黏著磨損并且產(chǎn)生的撕裂物進入保持架，造成保持架運轉(zhuǎn)不暢，產(chǎn)生異常載荷，最終導(dǎo)致保持架出現(xiàn)斷裂[4]。

綜合以上分析，造成4 支點軸承故障的原因為供油流量不足。實測4 支點軸承供油量低于設(shè)計值下限23%，滑油為軸承降溫的能力不足，導(dǎo)致工作狀態(tài)下軸承內(nèi)外圈溫差增大，軸承游隙變大，增加了打滑概率。隨著燃機負荷的增加，供回油溫差進一步加大，軸承打滑加劇，在長期潤滑不良并存在振動波動的情況下，滾動體與內(nèi)圈滾道間的金屬發(fā)生黏著磨損，最終導(dǎo)致發(fā)生故障。

5 排故措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，該文對軸承采取如下措施：對節(jié)流孔板尺寸進行調(diào)整，重新匹配滑油供油量，同時再監(jiān)測4、5 支點滑油流量，保證軸承得到充足的潤滑。同時對燃氣輪機振動形成的故障件進行修復(fù)或換件，經(jīng)回裝試車后，各項指標均正常，故障排除。

該次振動故障也暴露了該型燃氣輪機機組監(jiān)測系統(tǒng)的不足，后續(xù)需要繼續(xù)完善現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)。燃氣輪機測量出的振動值出現(xiàn)異常時，運行人員應(yīng)判斷振動值是機組真實振動產(chǎn)生的真實值，還是因監(jiān)測系統(tǒng)存在故障而測出的虛假值[5]。關(guān)于軸承的狀態(tài)監(jiān)測，應(yīng)采取如下加強措施：如在油濾系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)金屬屑，應(yīng)分析成分，以排查是否為軸承早期失效產(chǎn)生的碎屑或其他零件損傷產(chǎn)生的碎屑，避免其引起軸承損傷。如果監(jiān)測信號出現(xiàn)異常，例如回油溫度有持續(xù)升高或振動有明顯加大，則須停機檢查軸承。

6 結(jié)論

改為針對該型燃氣輪機振動故障，首先從振動產(chǎn)生時的故障現(xiàn)象、現(xiàn)場檢查和試車數(shù)據(jù)進行分析，推測出引發(fā)振動故障的部位為后軸承腔內(nèi)部，然后進一步進行分解檢查，確認故障源頭為4 支點軸承。列出故障樹，對引發(fā)4支點軸承故障的底事件進行逐項排查和分析，最終確定故障為潤滑油量不足所致。對設(shè)計尺寸及流量進行調(diào)整后，試車恢復(fù)正常，因此排故措施有效。