某工業型燃氣輪機可靠性試驗研究

戴日輝，魏昌淼，顧凡奇，劉朝陽

（1.海裝駐哈爾濱地區第三軍事代表室，哈爾濱 150078；2.中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇無錫 214151）

1 研究背景

燃氣輪機作為一種動力機械廣泛應用于多個行業領域，隨著應用領域的不同，將承受特定不同環境因素的影響。航空燃氣輪機工作環境特殊，為完成飛行器的各種機動動作，功率還需在較大的范圍內不斷變化；船舶用燃氣輪機不僅要在高濕和高鹽空氣的環境中工作，還要經受劇烈搖擺及顛簸考驗；發電用燃氣輪機需數萬小時連續穩定運行，也是對其可靠性的一大要求。燃氣輪機結構復雜，出現的故障模式多，同時故障幾率高及危害大，因此，可靠性是衡量燃氣輪機使用的重要指標[1]。很多學者針對可靠性進行了相關研究[2-4]。

在燃氣輪機的設計、試制和試驗的3 個環節中，國外的經驗表明試驗是最為重要的環節，所需時間最長，通常約占整個研制周期的3/5[5]。某工業型燃氣輪機為了滿足使用要求，在批量投用前，需要進行大量的試驗來長時間的考核，通過可靠性試驗找到機組設計及生產的薄弱環節，并驗證燃氣輪機的可靠性。當試驗中出現故障，通過后續的改進設計及制造工藝來提高燃氣輪機的可靠性。

2 試驗概況

某工業型燃氣輪機為了驗證其設計可靠性，發現設計中的不足及使用中的其它缺陷進行了試驗臺可靠性試驗。可靠性試驗采用多個圖譜循環的模式，共包含600 個圖譜，其中每個圖譜運行10 h。

每個圖譜包含了各典型工況點及各工況對應的運行時間，同時包含工況機動變化內容，通過完成試驗大綱規定的圖譜數，來暴露出發生故障的薄弱環節，摸索出機組運行參數的變化規律。如某工業型燃氣輪機可靠性試驗已完成600 個圖譜運行，共計6 000 h。通過整個可靠性試驗對燃氣輪機各系統、各附件的故障情況進行分析，發現影響可靠性的薄弱環節。整個可靠性試驗階段包含的各系統及主要零附件工作情況，各系統及主要零附件工作情況見表1 所示。

3 試驗中的故障統計

某燃氣輪機在可靠性試驗全程中，發生過多次運行故障。如可靠性試驗運行到4 200 h 時，燃氣輪機正常啟動過程控制系統監控突然顯示低壓壓氣機轉速出現異常現象，低壓壓氣機轉速異常如圖1 所示。低壓轉速在啟動前半程數值正常，在啟動后半程突然出現跌落而后又快速上升，啟動至慢車后，低壓轉速數值與歷史值偏差較大無法正常運行，運行人員做停機處理。停機后，經檢查發現低壓轉速傳感器傳輸信號接頭異常脫落。更換低壓轉速傳感器后，低壓壓氣機轉速恢復正常，后續燃氣輪機各工況工作正常。此次轉速測量故障，造成機組啟動成功后再次停機，排除故障耗時達15 min。

表1 各系統及主要零附件工作情況

在整個可靠性試驗中，對運行發生的故障進行統計，運行故障數量統計見表2。每運行500 h 的故障數量如圖2 所示；故障發生的類型分布如圖3 所示。

圖1 低壓壓氣機轉速異常圖

圖2 每運行500 h 的故障數量

圖3 故障發生的類型分布圖

從圖2 中可以看出燃氣輪機的故障總體時間分布，故障發生率符合故障盆骨曲線，在試驗前期故障的數量較多，在試驗中期故障較少，但試驗后期故障又再次較多發生。從圖3中可以看出故障類型的分布比例，排第一位的為電磁閥故障，第二位為轉速測量故障，第三位為點火電纜故障。

通過試驗故障統計分析，找到了本型燃氣輪機故障率較高的附件，如低壓放氣閥控制用的電磁閥、霧化空氣控制用的電磁閥和動渦轉速傳感器，后期可通過針對性的改進各故障器件的設計來提高其使用可靠度，降低故障的發生率。

3 燃氣輪機熱效率及其它參數運行情況

3.1 水清洗及熱效率的變化

每完成500 h 試驗，需進行清洗溶液離線及通流部分一次，清洗一次通流部分熱效率較清洗前提高0.11%左右，清洗前后機組熱效率變化見表3。

3.2 熱效率的變化

可靠性試驗雖然每500 h 進行一次通流部分水清洗，但總體隨著運行時間的增加，燃氣輪機的效率呈下降趨勢，可見壓氣機性能及渦輪性能均存在性能下降情況，每運行500 h，清洗前機組熱效率下降0.1%左右，熱效率計算如圖4 所示。

3.3 其它運行參數的變化

燃氣輪機完成6 000 h 后，燃氣輪機各工況對應的振動值基本無變化，燃氣溫度場沒有明顯變化，停機轉子惰走時間也沒有變化。

表2 運行故障數量統計表

表3 清洗前后機組熱效率變化表

圖4 熱效率計算

4 燃氣輪機各系統的可靠性

燃氣輪機滑油系統由滑油供回油泵、滑油溫度測量用熱電阻和金屬屑信號器等組成。在可靠性整個試驗過程中，軸承各工況對應的滑油回油溫度基本無變化，金屬屑信號器檢查正常，滑油消耗量基本一致，滑油每200 h 檢測一次，滑油的品質均合格。

燃氣輪機順利完成了600 個圖譜試驗啟動，對啟動電機、點火系統等進行了可靠性驗證，驗證結果滿足使用要求。在6 000 h 的可靠性試驗中，燃氣輪機完成了8 000 次工況變化，其中完成從空車到滿負荷來回的3 000 次機動變化。試驗全程中，壓氣機進口可轉導葉、壓氣機防喘放氣系統等均按規定完成動作，未發生過一次喘振故障。油門控制、燃燒溫度場均滿足了機動性要求，沒有發生過一次燃燒故障及燃油供應故障。

5 結語

某工業型燃氣輪機進行了6 000 h 可靠性驗證試驗，通過對試驗所有運行故障的統計分析，找到了發生故障率較高的附件，后續可通過對故障器件進行分析和改進來降低故障的發生率。另外，通過熱效率計算，得出燃氣輪機每運行500 h，機組熱效率約下降0.1%；燃氣輪機每運行500 h后清洗一次通流部分，熱效率較清洗前可提高0.11%左右。燃氣輪機在可靠性試驗全程，各系統及機構均按規定進行了動作，滿足了可靠性試驗要求。