某船用燃气轮机故障的动力学分析

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1、万方数据50卷第3期(总第187期)2009年9月中国造船SHIPBUILDrNGOFCHINAV01．50No．3(SerialNo．187)Sep．2009文章编号：1000-4882(2009)03-0104—09某船用燃气轮机故障的动力学分析谭大力1，王俨剀2(1．海军装备研究院舰船论证研究所，北京100161；2．西北工业大学，西安710072)摘要针对某船用燃气轮机的压气机转子叶片与机匣碰摩故障、转子叶片叶尖磨损故障、转子轴承故障，依次分析了故障机理和振动特征，建立了燃气轮机典型故障模拟实验器，模拟了以上三种故障，采集，分析了振动信号，研制了新型的舰船旋转机械状态监测仪，为下一步的

2、在线监测与诊断奠定了基础。关键词：船舶、舰船工程；燃气轮机；动力学；故障分析中图分类号：U664．131文献标识码：A0引言船用燃气轮机是在航空燃气轮机应用以后发展起来的舰船新型动力装置。由于其具有对舰船所需功率指令反应迅速、单机功率大、重量尺寸小、机械(水下)噪声小等优点，在船舶(尤其是军用舰艇)动力领域得到了广泛的应用和发展。作为舰船的心脏，燃气轮机运行状态的好坏，直接关系到舰船的生命力和战斗力。它们～旦发生故障，不仅造成极大的经济损失，而且严重影响了舰船的正常工作和使用。这些事故如果发生在海上或紧急时刻，后果更是不堪设想。因此，科学地管理好这些动力设备，对它们的工作状态进行监测，避免事故

3、发生，成为现代舰船越来越迫切的要求。本文针对某船用燃气轮机，分析了典型故障的动力学机理，总结了这些故障的动力学特征，并在实验台上模拟了故障，为下一步的燃气轮机状态监测和故障诊断奠定了基础。1某型燃气轮机的故障类型某型燃气轮机装船运行累计几百小时以后，出现不同形式的结构故障，主要类型有压气机转子(以下简称转子)叶片与机匣碰摩故障、转子叶片叶尖磨损故障、转子轴承故障、火焰筒主燃孔边裂纹故障、带冠涡轮叶片掉块故障等，见图1。上述故障中，通过加大主燃孔后冷却气膜孔直径等4项改进，火焰筒主燃孔边裂纹故障已经得到改善【11；通过调整叶冠预扭角等4项改进，带冠涡轮叶片掉块故障也已基本解决；提高了叶片的可靠性

4、【2J。但转子叶片与机匣碰摩故障、转子叶片叶尖磨损故障、转子轴承故障仍然经常发生，燃气轮机难以达到大修前两万多小时寿命的指标，极大地困扰着船东、设计和建造单位的科技工作者。随着船收稿}j期：2009-03．15；修改稿收稿日期：2009-07．13万方数据50卷第3期(总第187期)谭大力，等：某船用燃气轮机故障的动力学分析舶(特别是海军舰船)的使用工况日趋复杂、强度不断增大，动力系统的可靠性问题更加日益突出。因此，在目前条件下，除了积极改进结构、增强运行可靠性外，必须开展燃气轮机的状态监测与故障诊断，及时发现故障、采取措施。在诸多的状态监测与故障诊断方法中，基于振动分析的方法对于转子叶片与机

5、匣碰摩故障、转子叶片叶尖磨损故障、转子轴承故障具有显著的优势，本文针对这三种故障，逐一分析它们的动力学特征。(d)火焰筒主燃孔边裂纹(e)带冠涡轮叶片掉块图1某型燃气轮机的故障类型2典型故障的动力学分析2．1转子叶片与机匣碰摩故障的机理燃气轮机中，为了提高燃机的效率，转子叶片和机匣之间的间隙往往很小。转子轴承故障和转子叶片掉块等引起的转子振动增大都有可能引起动静件之间的碰摩。转子在涡动时与静止件发生接触摩擦的瞬间，转子刚度增大；转子被静止件反弹后脱离接触，转子刚度减小，并且发生横向自由振动(大多数按一阶自振频率振动)。因此，转子在与静止件接触与非接触过程中，其刚度在变化，变化的频率就是转子涡动

6、频率。转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起，就会产生一些特有的、复杂的振动响应频率。建立力学模型。转子与一圆形机匣相碰摩，由此产生的一径向力Ⅳ和切向力R作用在转子上。Ⅳ和凡可分别表示为N=k。(，-一％)(1)E=uN(2)式(1)和式(2)中，k。表示机匣刚度，∥表示摩擦系数，厂表示转子振动位移，％表示转子和机匣间的径向间隙。且r=浮哥此时，转子的运动微分方程可列如下"反+出+毛x+赶(，．一ro)(COSa一#sina)=m922GcosOt打纱+砂+毛y+赶(r—ro)(sinct+／dCOSOr)=m02esin92t(3)(4)(5)万方数据中国造船学术论文其中m，d

7、，k，和占分别为转子的质量、阻尼、刚度和质量偏心，Q为角速度。这是一组非线性方程，只能数值求解。图2表示碰摩时转子振动的时域波形、轴心轨迹、频谱分析及进动分析。图2中V为电压幅值、r为时间、X为阶次，由图2可见，碰摩时，转子振动中包含有低次谐波和高次谐波，时域波形有削波现象；轴心运动轨迹呈现花瓣状；特别值得注意的是，高次谐波并非总是工频的整倍谐波；反进动量将出现，其频率总是略高于同阶正进动量的频率