海军：某船用燃气轮机振动超限故障监测诊断分析

本文以实际工作中遇到的某型船用燃气轮机振动超限故障为例，对装备故障现象、故障诊断分析、故障拆检修复等进行了详实介绍，并将故障拆检结果与监测推断结论进行了相互印证，有效扩充了燃机故障监测诊断的相关经验，为指导装备后续管理使用维护提供技术参考。

该燃机随机装配了振动监测组件，用于监测燃气轮机运行中低压压气机机匣、燃烧室机匣和动力涡轮承力环3个特征点的振动状态[3]，技术人员在船舶靠港后故障勘验中，通过对上述测点振动监测历史数据的分析，还原燃机当日故障现象如下：慢车时发现低压振动值为13mm/s左右，高压振动值从8mm/s跃升至17mm/s左右，且停机过程中低压振动值及高压振动值变化剧烈，低压振动值最大响应点为：低压转速为1327r/min时，低压振动值为28.4mm/s；高压振动值最大响应点为：高压转速为3335r/min时，高压振动值为45.1mm/s。具体变化如图1所示。

图1 故障当日燃机低、高压振动随转速变化值

停机后，值班人员对故障燃机进行盘车检查，发现低压压气机转子及高压压气机转子均发生抱轴现象，无法手动盘车。静置约3h后，值班人员对燃机进行盘车检查，发现燃机低压转子可正常盘车，但高压转子偶发出现盘车阻力增大现象，且当高压转子盘车阻力增大时，若继续盘车，低压转子偶发跟转现象。该燃机静置24h后，进行盘车检查发现低压转子及高压转子盘车状态均恢复正常。

故障当日船方对燃机运行操作均合理规范，且当日气象环境、海洋环境和空气环境均正常，可排除外部因素对机组影响。

根据故障现象及历史监测数据分析，技术人员首先完成了燃气轮机的静态检查，主要检查项目为盘车检查、金属屑信号器检查、通流区域叶片结构检查、机外回油滤检查等，均未发现明显异常。然后对故障燃机开展了系泊状态下的动态检查，完成了燃机冷吹、工艺拖转、起动至慢车工况、水清洗以及水清洗后的燃机启动至慢车工作等内容。具体检查情况如下：

1）冷吹及工艺拖转时，燃气轮机运行状态总体正常，高压转子振动值在2mm/s左右，低压转子振动值在1.8mm/s左右。

2）冷吹及工艺拖转结束后，燃气轮机起动至慢车工况，燃机总体运行状态平稳。起动过程中，低压转速在2000~2100转/分钟区间，高压转速在1500~2400转/分钟区间时，高、低压振动值变大，低压振动最大值为13.1mm/s，高压振动最大值为11.9mm/s，随着转速增加，高、低压振动值降低。

停机过程中，低压转速在400~1000转/分钟区间，高压转速在1300~2700转/分钟区间时，高、低压振动值变化较大，低压振动最大值为7.3mm/s，高压振动最大值为8.6mm/s，数值相比故障日停机时振动数据均有明显减小，如图2所示。

图2 静态检查后燃机启动全过程低、高压振动随转速变化值

3）为排除通流区域积垢对燃气轮机运行状态的影响，技术人员对故障燃机进行水清洗，并按规范要求在水清洗后对燃气轮机进行工艺拖转，起动燃机至慢车工况烘干。水清洗、工艺拖转、以及慢车工况运行时，燃机运行状态及参数均与静态检查后首次冷吹、工艺拖转及慢车工况运行数据相似，其振动值变化如图3所示。

图3 水清洗后起动至慢车低、高压振动随转速变化值

4）动态检查过程中，技术人员发现起动和停机过程存在低频噪声和发动机轻微抖动现象（低频噪声类似“突突”“轰轰”声），冷吹和慢车工况运行时，低频噪声和发动机轻微抖动现象减弱。

2.2 航行试验检查及分析

通过燃机码头慢车工况动态验证，盘车正常，未复现抱轴现象，仅在起动和停机过程中存在明显低频噪声和发动机轻微抖动现象，问题原因暂不能准确定位。因此组织该船燃机开展航行工况运行试验，试验内容主要包括燃机各工况稳定运行试验、燃机机动性试验以及抱轴故障复现试验等。同时为弥补燃机在线振动测试系统仅能显示通频速度有效值而无法查看异常频率振动分量的问题，技术人员采用离线监测手段在故障燃机与正常燃机低压端相同位置附加设置两个测点（图4），开展振动信号的精密诊断与比对分析。

图4 附加测点位置示意图

各运行工况下附加测点振动测量数据如表1。

上述测量结果显示：故障燃机振动明显大于正常燃机，同一工况下相同测点振动总量基本上为正常燃机2至3倍；故障燃机振动主要来源于高压压气机转频分量，且该分量幅值明显大于正常燃机，而低压压气机转频分量幅值均较小，两者数值相差不大。

通过对振动信号进一步的波形频谱分析可知：故障燃机在低工况下出现明显的异常频率振动分量，而正常燃机无对应异常分量，如进一工况故障燃机低压端测点1和测点2频谱图中34.6Hz分量幅值较大，并伴有明显的69.3Hz、103.9Hz、138.6Hz、173.2Hz、207.9Hz、242.5Hz分量（图5所示），它们分别为高压压气机转频的1/3、2/3、1、4/3、5/3、2、7/3倍，怀疑高压压气机在低转速工况下存在转子碰摩情况，且支承部件间可能存在松动问题。

图5 进一工况下附加测点振动波形频谱图

此外航行试验检查还发现在进3、进6、进9工况时，出现3次高压压气机后机匣金属屑报警，经检查，发现信号器中存在少量丝状金属屑及碎状金属屑，清洁信号器并工况运行2h后，检查发现少量碎状金属屑再次产生。

2.3 初步原因分析

根据静态检查、动态检查以及航行试验检查结果，综合振动故障特征及其它故障征兆，认为：

1）高压压气机在低转速工况下出现转子碰摩情况；

2）高压转子轴承某部位存在异常，初步定位为高压压气机后轴承区域。根据高压压气机后轴承处结构、应力及运行特性分析，可能导致此次故障的原因有高压转子的高压后轴承疲劳失效、轴承支撑件出现异常、异物进入高压后轴承腔、高压后轴承紧固件松动等，从而导致机组运行状态变差，发生高压压气机转子抱轴现象。

图6 高压压气机4号支点轴承故障结构示意图

对比前期故障监测诊断分析结果，燃机现场拆检所反映的故障情况与前期推论基本一致，具体对应关系如表2所示。

因此仅监测显示燃机的振动总量不能确定故障源头，还应增加设置一个实时频谱分析设备，FFT将振动信号中各项频率成分进行分解，并通过与正常信号或故障特征库分析比对，甄别出异常频率成分，分析振动来源从而实现故障诊断的目的[5]。

来源：《船电技术|应用研究》，作者任凤华、吴善跃、郭宁馨、王嘉志