GT25000型船用燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測閾值分析

孫云嶺,陳林松，李 琳

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

GT25000型船用燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測閾值分析

孫云嶺,陳林松，李 琳

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

GT25000型船用燃?xì)廨啓C(jī)是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而來，已大量應(yīng)用于各型船舶。國內(nèi)外對航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測已進(jìn)行了廣泛的研究，制定了明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，但是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)烈度監(jiān)測閾值并不適用于船舶燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)。據(jù)此通過對多臺(tái)船用燃?xì)廨啓C(jī)常年積累的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算了該型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)烈度參考監(jiān)測閾值，并與近似機(jī)械設(shè)備的通用標(biāo)準(zhǔn)以及廠家推薦閾值相對比，結(jié)果表明計(jì)算得到的閾值更加符合實(shí)際監(jiān)測和維修情況。

船用燃?xì)廨啓C(jī)；振動(dòng)烈度；振動(dòng)監(jiān)測；閾值

船用燃?xì)廨啓C(jī)由于具有功率密度高、振動(dòng)噪聲低、加速性好等特點(diǎn)，廣泛被高速船舶作為主機(jī)使用[1]，烏克蘭“機(jī)器設(shè)計(jì)”科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制的GT25000型燃?xì)廨啓C(jī)在我國船舶得到了大量的應(yīng)用[2]。燃?xì)廨啓C(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械，其振動(dòng)問題非常突出。盡管出廠前均實(shí)施了嚴(yán)格的轉(zhuǎn)子平衡及主要部件的振動(dòng)測試，但由于運(yùn)輸途中的磕碰，使用中的磨損、損傷及腐蝕，使得其振動(dòng)品質(zhì)不斷惡化。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障90%以上由振動(dòng)導(dǎo)致或與振動(dòng)有關(guān)。對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況，具有重要的實(shí)際意義和價(jià)值[3]。

振動(dòng)監(jiān)測涉及到諸多技術(shù)和手段，一般實(shí)施簡易診斷和精密診斷相結(jié)合的診斷策略，實(shí)施最普遍的是簡易診斷。

所謂簡易診斷就是利用一些簡單的儀器設(shè)備對所選定的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行粗略的診斷，以判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常，主要是指整機(jī)振動(dòng)測量及評(píng)定。GT25000燃?xì)廨啓C(jī)隨機(jī)裝配了振動(dòng)監(jiān)測組件(VMS)，由壓電式振動(dòng)傳感器、電荷放大器、放大器用電源和模擬信號(hào)模塊等組成，用于監(jiān)測燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣和動(dòng)力渦輪承力環(huán)3個(gè)特征點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)，在線顯示35～400 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值。

目前在該型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測上的最大問題是缺乏明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，即沒有整機(jī)振動(dòng)烈度的判斷閾值。該型燃?xì)廨啓C(jī)是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而來，國內(nèi)外雖然對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)監(jiān)測已進(jìn)行了廣泛的研究并制定了明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，但由于安裝平臺(tái)、支撐形式和具體用途的不同導(dǎo)致無法照搬航空發(fā)動(dòng)機(jī)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。這導(dǎo)致只能參考近似機(jī)械設(shè)備的通用判斷標(biāo)準(zhǔn)和廠家的推薦閾值，而通用標(biāo)準(zhǔn)缺乏對船用燃?xì)廨啓C(jī)的適用性，廠家推薦值經(jīng)詳細(xì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)不符合實(shí)際監(jiān)測和維修情況，使得該型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測閾值問題十分突出。有必要根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上確定該型燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)監(jiān)測閾值。

1 近似通用標(biāo)準(zhǔn)和廠家推薦閾值

當(dāng)前一般機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)比較豐富和完善，在燃?xì)廨啓C(jī)方面，近似的參考標(biāo)準(zhǔn)主要基于ISO 10816《機(jī)械振動(dòng)——在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評(píng)價(jià)機(jī)器的振動(dòng)》。其第3部分“額定功率大于15 kW額定轉(zhuǎn)速在120 r/min至15 000 r/min之間的在現(xiàn)場測量的工業(yè)機(jī)器”規(guī)定了4組類型的機(jī)器判斷標(biāo)準(zhǔn)，船用燃?xì)廨啓C(jī)可歸為第一組“額定功率大于300 kW并且小于50 MW的大型機(jī)組(旋轉(zhuǎn)機(jī)械)”機(jī)器類型，其振動(dòng)烈度區(qū)域評(píng)價(jià)界限如表1所示。

表1 額定功率大于300 kW并且小于50 MW的大型機(jī)組(旋轉(zhuǎn)機(jī)械)的評(píng)價(jià)區(qū)域界限

以A/B區(qū)為正常區(qū)間，C區(qū)為警告區(qū)，D區(qū)為異常區(qū)，安裝在減振器上的船用燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)速度有效值警告閾值為7.1 mm/s，異常閾值為11 mm/s。ISO 10816第4部分“非航空器類燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)裝置”規(guī)定了燃?xì)廨啓C(jī)的評(píng)價(jià)區(qū)域界限，但是主要用于發(fā)電和機(jī)械驅(qū)動(dòng)的重型燃?xì)廨啓C(jī)，不適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)派生出來的船用輕型燃?xì)廨啓C(jī)，其振動(dòng)烈度區(qū)域評(píng)價(jià)界限如表2所示。規(guī)定的振動(dòng)速度有效值警告閾值為9.3 mm/s，異常閾值為14.7 mm/s。

表2 非航空器類燃?xì)廨啓C(jī)評(píng)價(jià)區(qū)域界限

根據(jù)烏克蘭設(shè)計(jì)廠家推薦，GT25000船用燃?xì)廨啓C(jī)目前暫用的振動(dòng)烈度警告閾值為12 mm/s，異常閾值為28 mm/s。但是根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果，船員和檢測維修人員普遍認(rèn)為該閾值過于寬松，雖然燃?xì)廨啓C(jī)曾經(jīng)多次出現(xiàn)故障，但隨機(jī)配套的振動(dòng)監(jiān)測裝置從未因故障原因報(bào)過警。

由此可見，近似通用標(biāo)準(zhǔn)和廠家推薦閾值相差較大，雖然說從對機(jī)型的針對性上來看應(yīng)以廠家推薦值為準(zhǔn)，但是廠家推薦值明顯過于寬松，不符合實(shí)際運(yùn)行情況。

2 實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

為了有針對性地研究GT25000型燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)監(jiān)測閾值，最直接的方法是對實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)過長期對多臺(tái)該型燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)監(jiān)測情況的調(diào)研，獲得了大量振動(dòng)烈度監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過初步的整理并剔除一些因儀器和人員因素造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和一些不具備代表性的數(shù)據(jù)后，得到了263臺(tái)次的振動(dòng)監(jiān)測波形數(shù)據(jù)。這些樣本數(shù)據(jù)的測點(diǎn)統(tǒng)一，測量儀器均采用EMT690B型設(shè)備故障診斷儀。

振動(dòng)烈度的測量量標(biāo)為振動(dòng)速度有效值，所以對每個(gè)波形數(shù)據(jù)計(jì)算下列指標(biāo)進(jìn)行分析：①35～400 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值,mm/s;②10～1 000 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值,mm/s。

其中，35～400 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值對應(yīng)GT25000燃?xì)廨啓C(jī)隨機(jī)配備的振動(dòng)測試裝置的測量頻率區(qū)間，10～1 000 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的振動(dòng)列度評(píng)價(jià)頻率區(qū)間。35～400 Hz、10～1 000 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值的樣本分布分別如圖1、圖2所示。每幅圖包括2個(gè)子圖，上面的子圖為樣本分布斑點(diǎn)圖，橫坐標(biāo)為樣本序號(hào)，縱坐標(biāo)為樣本相應(yīng)振動(dòng)速度有效值，其中小于樣本均值加1倍樣本標(biāo)準(zhǔn)差的樣本用“*”號(hào)表示，介于樣本均值加1倍樣本標(biāo)準(zhǔn)差和樣本均值加兩倍樣本標(biāo)準(zhǔn)差的樣本用“▽”表示，介于樣本均值加2倍樣本標(biāo)準(zhǔn)差和樣本均值加3倍樣本標(biāo)準(zhǔn)差的樣本用“○”表示；分析過程中未發(fā)現(xiàn)超過均值加3倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本。下面的子圖為樣本分布直方圖，橫坐標(biāo)為相應(yīng)振動(dòng)速度有效值，縱坐標(biāo)為落在橫坐標(biāo)區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)目。

圖1 35～400 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值分布圖

圖2 10～1 000 Hz區(qū)間振動(dòng)速度有效值分布圖

可以看出，振動(dòng)烈度的分布基本符合正態(tài)分布規(guī)律，可按照國內(nèi)外常用的三線值法進(jìn)行監(jiān)測閾值計(jì)算，即以平均值加上2倍標(biāo)準(zhǔn)差為警告閾值，以平均值加上3倍標(biāo)準(zhǔn)差為異常閾值。計(jì)算得到的均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、警告閾值、異常閾值如表3所示。

表3 計(jì)算得到的振動(dòng)烈度的均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和監(jiān)測閾值 mm/s

3 結(jié)束語

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可認(rèn)為：①該型燃?xì)廨啓C(jī)隨機(jī)振動(dòng)監(jiān)測裝置的報(bào)警和異常閾值可分別定為10.2 mm/s和12.6 mm/s；②采用其它振動(dòng)測試儀器進(jìn)行測量時(shí)，報(bào)警和異常閾值可分別定為10.4 mm/s和12.5 mm/s。計(jì)算值處于國際標(biāo)準(zhǔn)類似設(shè)備參考值和廠家推薦值之間，經(jīng)過與數(shù)次發(fā)生故障前的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)其中2次與軸承損壞有關(guān)的故障達(dá)到了警告閾值，說明計(jì)算得到的閾值比廠家推薦值更能反映實(shí)際情況。與近似的通用國際標(biāo)準(zhǔn)相比，數(shù)值相差不是太大，但對GT25000型燃?xì)廨啓C(jī)更具有針對性。另外，隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累，監(jiān)測閾值還可以逐步滾動(dòng)更新，使之更能反映該型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)。

[1] 李東平，畢曉煦，吳 艷. 俄羅斯船用及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].船海工程，2012(2)：95-100.

[2] 王世安，吳 窮，王軍，等. 船用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展方向及我國發(fā)展途徑的思考[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2011，26(4)：379-382.

[3] 譚大力，王儼剴. 某船用燃?xì)廨啓C(jī)故障的動(dòng)力學(xué)分析[J].中國造船，2009，50(3)：104-112.

GT25000 marine gas turbine is rooted from aero engine and used in numbers of type ships widely.The vibration monitoring methods have been studied widely for aero engine,and the special judgment standards have been used in diagnosis.But the vibration intensity monitoring threshold value for aero engine can' t fit into marine gas turbine.So lots of data from different marine gas turbine are analyzed to calculate the referenced vibration intensity monitoring threshold value through statistics methods.By comparing with the approximate universal mechanical vibration standards and the recommendatory value of manufacturer,the calculated threshold value is more accord with the actual monitoring and maintaining status.

marine gas turbine;vibration intensity;vibration monitoring;threshold value

U672；TK268

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.016

孫云嶺(1976-)，男，山東臨清人，副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

2014-08-21