GT25000型船用燃气轮机振动监测阈值分析

孙云岭,陈林松，李 琳

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

GT25000型船用燃气轮机振动监测阈值分析

孙云岭,陈林松，李 琳

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

GT25000型船用燃气轮机是由航空发动机改装而来，已大量应用于各型船舶。国内外对航空发动机振动监测已进行了广泛的研究，制定了明确的判断标准，但是航空发动机的振动烈度监测阈值并不适用于船舶燃气轮机主机。据此通过对多台船用燃气轮机常年积累的振动监测数据进行分析，运用数理统计方法计算了该型燃气轮机振动烈度参考监测阈值，并与近似机械设备的通用标准以及厂家推荐阈值相对比，结果表明计算得到的阈值更加符合实际监测和维修情况。

船用燃气轮机；振动烈度；振动监测；阈值

船用燃气轮机由于具有功率密度高、振动噪声低、加速性好等特点，广泛被高速船舶作为主机使用[1]，乌克兰“机器设计”科研生产联合体研制的GT25000型燃气轮机在我国船舶得到了大量的应用[2]。燃气轮机是一种高速旋转流体机械，其振动问题非常突出。尽管出厂前均实施了严格的转子平衡及主要部件的振动测试，但由于运输途中的磕碰，使用中的磨损、损伤及腐蚀，使得其振动品质不断恶化。

据统计，发动机的结构强度故障90%以上由振动导致或与振动有关。对燃气轮机进行振动监测，可以判断发动机工作状况，具有重要的实际意义和价值[3]。

振动监测涉及到诸多技术和手段，一般实施简易诊断和精密诊断相结合的诊断策略，实施最普遍的是简易诊断。

所谓简易诊断就是利用一些简单的仪器设备对所选定的机器设备进行粗略的诊断，以判断设备运行是否正常，主要是指整机振动测量及评定。GT25000燃气轮机随机装配了振动监测组件(VMS)，由压电式振动传感器、电荷放大器、放大器用电源和模拟信号模块等组成，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，在线显示35～400 Hz区间振动速度有效值。

目前在该型燃气轮机振动监测上的最大问题是缺乏明确的判断标准，即没有整机振动烈度的判断阈值。该型燃气轮机是由航空发动机改装而来，国内外虽然对航空发动机的振动监测已进行了广泛的研究并制定了明确的判断标准，但由于安装平台、支撑形式和具体用途的不同导致无法照搬航空发动机的判断标准。这导致只能参考近似机械设备的通用判断标准和厂家的推荐阈值，而通用标准缺乏对船用燃气轮机的适用性，厂家推荐值经详细调研发现不符合实际监测和维修情况，使得该型燃气轮机振动监测阈值问题十分突出。有必要根据实际监测数据进行统计分析，在此基础上确定该型燃气轮机的振动监测阈值。

1 近似通用标准和厂家推荐阈值

当前一般机械设备的振动监测标准已经比较丰富和完善，在燃气轮机方面，近似的参考标准主要基于ISO 10816《机械振动——在非旋转部件上测量和评价机器的振动》。其第3部分“额定功率大于15 kW额定转速在120 r/min至15 000 r/min之间的在现场测量的工业机器”规定了4组类型的机器判断标准，船用燃气轮机可归为第一组“额定功率大于300 kW并且小于50 MW的大型机组(旋转机械)”机器类型，其振动烈度区域评价界限如表1所示。

表1 额定功率大于300 kW并且小于50 MW的大型机组(旋转机械)的评价区域界限

以A/B区为正常区间，C区为警告区，D区为异常区，安装在减振器上的船用燃气轮机的振动速度有效值警告阈值为7.1 mm/s，异常阈值为11 mm/s。ISO 10816第4部分“非航空器类燃气轮机驱动装置”规定了燃气轮机的评价区域界限，但是主要用于发电和机械驱动的重型燃气轮机，不适用于航空发动机派生出来的船用轻型燃气轮机，其振动烈度区域评价界限如表2所示。规定的振动速度有效值警告阈值为9.3 mm/s，异常阈值为14.7 mm/s。

表2 非航空器类燃气轮机评价区域界限

根据乌克兰设计厂家推荐，GT25000船用燃气轮机目前暂用的振动烈度警告阈值为12 mm/s，异常阈值为28 mm/s。但是根据实际调研结果，船员和检测维修人员普遍认为该阈值过于宽松，虽然燃气轮机曾经多次出现故障，但随机配套的振动监测装置从未因故障原因报过警。

由此可见，近似通用标准和厂家推荐阈值相差较大，虽然说从对机型的针对性上来看应以厂家推荐值为准，但是厂家推荐值明显过于宽松，不符合实际运行情况。

2 实际监测数据的统计分析

为了有针对性地研究GT25000型燃气轮机的振动监测阈值，最直接的方法是对实际监测数据进行统计分析。经过长期对多台该型燃气轮机振动监测情况的调研，获得了大量振动烈度监测数据，经过初步的整理并剔除一些因仪器和人员因素造成的错误数据和一些不具备代表性的数据后，得到了263台次的振动监测波形数据。这些样本数据的测点统一，测量仪器均采用EMT690B型设备故障诊断仪。

振动烈度的测量量标为振动速度有效值，所以对每个波形数据计算下列指标进行分析：①35～400 Hz区间振动速度有效值,mm/s;②10～1 000 Hz区间振动速度有效值,mm/s。

其中，35～400 Hz区间振动速度有效值对应GT25000燃气轮机随机配备的振动测试装置的测量频率区间，10～1 000 Hz区间振动速度有效值对应国际标准中规定的振动列度评价频率区间。35～400 Hz、10～1 000 Hz区间振动速度有效值的样本分布分别如图1、图2所示。每幅图包括2个子图，上面的子图为样本分布斑点图，横坐标为样本序号，纵坐标为样本相应振动速度有效值，其中小于样本均值加1倍样本标准差的样本用“*”号表示，介于样本均值加1倍样本标准差和样本均值加两倍样本标准差的样本用“▽”表示，介于样本均值加2倍样本标准差和样本均值加3倍样本标准差的样本用“○”表示；分析过程中未发现超过均值加3倍标准差的样本。下面的子图为样本分布直方图，横坐标为相应振动速度有效值，纵坐标为落在横坐标区间内的样本数目。

图1 35～400 Hz区间振动速度有效值分布图

图2 10～1 000 Hz区间振动速度有效值分布图

可以看出，振动烈度的分布基本符合正态分布规律，可按照国内外常用的三线值法进行监测阈值计算，即以平均值加上2倍标准差为警告阈值，以平均值加上3倍标准差为异常阈值。计算得到的均值、标准偏差、警告阈值、异常阈值如表3所示。

表3 计算得到的振动烈度的均值、标准偏差和监测阈值 mm/s

3 结束语

根据计算结果，可认为：①该型燃气轮机随机振动监测装置的报警和异常阈值可分别定为10.2 mm/s和12.6 mm/s；②采用其它振动测试仪器进行测量时，报警和异常阈值可分别定为10.4 mm/s和12.5 mm/s。计算值处于国际标准类似设备参考值和厂家推荐值之间，经过与数次发生故障前的历史数据进行对比，发现其中2次与轴承损坏有关的故障达到了警告阈值，说明计算得到的阈值比厂家推荐值更能反映实际情况。与近似的通用国际标准相比，数值相差不是太大，但对GT25000型燃气轮机更具有针对性。另外，随着监测数据的进一步积累，监测阈值还可以逐步滚动更新，使之更能反映该型燃气轮机的运行特点。

[1] 李东平，毕晓煦，吴 艳. 俄罗斯船用及工业燃气轮机的发展和应用现状[J].船海工程，2012(2)：95-100.

[2] 王世安，吴 穷，王军，等. 船用燃气轮机技术的发展方向及我国发展途径的思考[J]. 热能动力工程, 2011，26(4)：379-382.

[3] 谭大力，王俨剀. 某船用燃气轮机故障的动力学分析[J].中国造船，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

孙云岭(1976-)，男，山东临清人，副教授，博士，研究方向为机械设备状态监测与故障诊断。

2014-08-21