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燃气轮机叶片的状态监测学校：哈尔滨工程大学班级：20130314班成员：王志强（2013031420）王思博（2013031419）张伊非（2013031425）燃气轮机叶片的状态监测一、背景燃气轮机是一种故障率高的旋转动力机械，在其诸多故障模式中，叶片断裂所占的比重呈逐年增高趋势。尤其在耐高温材料技术未出现有效突破的情况下，叶片断裂问题显得更加突出，造成严重的生产事故及重大的经济损失。目前对燃气轮机的维修保障几乎都是采用在运行限定的时间后对其解体检修，并更换叶片等关键部件等方式。然而由于运行环境等原因，常常发生叶片的碰摩、腐蚀、裂纹等故障，很多机组的叶片在未达到预定寿命时就发生了断裂；或者在稳态运行过程中出现叶尖间隙过大，从而导致低效运行。对叶片进行实时状态监测可有效提高机组的运行安全性及效率，其中叶尖径向位移、叶尖周向位移及叶片的方向角为其主要状态参数，叶尖的径向位移直接决定叶尖间隙值的变化，叶尖的周向位移及叶片方向角的变化可以反映叶片的振动状态。对叶尖间隙、叶间间距及叶片振动参数进行综合分析，可以有效反映叶片的实时运行状态。我们通过对燃气轮机转子叶片运行状态故障特征及失效机理进行分析研究，提出一种基于电涡流脉冲技术的叶片状态监测技术方案及一套基于优化故障树分析法的叶片故障诊断方案。主要工作包括:1、基于电涡流传感器技术，设计一种叶尖间隙测量方案，在静态径向标定的基础上，结合整周期时间历程波形的变化规律，提出一种静态径向标定与周向标定相结合的动态灵敏度获取方案，可以准确的获取不同转速下的动态灵敏度，通过实验对该测试方案进行验证，可测量得到不同转速下的叶尖间隙值，一定程度上解决了电涡流传感器对于欠靶面积及高速欠采样的测试问题;对于叶片振动参数，将触发脉冲技术应用于叶尖定时测振实验，该方法较好的弥补了叶片到达的定位偏差问题，相较于传统的峰值叶尖定时测量法，叶片定位更加准确，保证了振动幅值的测量精度，在此基础上应用自回归叶尖定时算法获取不同转速下的叶片振动幅值及振动频率。2、通过有限元分析法对叶尖间隙测量实验结果进行验证，通过将计算结果与测试结果进行对比，在5OOOr/min的运行转速下，叶尖间隙值具有较高的准确性。而在更高的转速下，需要进一步优化测量技术或提高探头频响极限；根据实际机组工况，采用热结构耦合技术对不同运行状态下的透平叶片进行叶尖间隙变化的模拟研究，完成对两种惯性载荷及热载荷共同作用下叶尖间隙变化规律及影响权重的定量分析，为实际机组测试提供分析基础。3、应实际工程项目要求，制定一种基于优化FTA法的燃气轮机叶片故障诊断方案，将该方案应用于工程案例，可以分别解决叶片断裂的故障原因分析及风险评估，并相应开发一套燃气轮机叶片故障诊断系统。二、燃气轮机叶片健康性监测及故障诊断的重要性燃气涡轮机械不仅广泛的应用于民用航空、船舶运输业的发动机领域，同时在军事应用领域中，更是作为高性能战斗机、驱逐舰、甚至大型航母的核心动力装备，逐渐展现出舍我其谁的经济价值、军事价值、政治价值及社会价值。对国民生活质量的稳步提高及高水平国防现代化建设的顺利实现起到至关重要的作用。作为一种运行功率大、占地体积小、安装作业量小、能源利用效率高、排放气体污染小等优势于一身的高新设备，燃气轮机部件精密、构造复杂、生产工况要求高、维修自愈性能低，这些特点决定了燃气轮机是一种故障频发的设备，对于燃气轮机各部分运行状态的监测及诊断是尤为重要的。作为其核心元件的叶轮及叶片，更是决定着燃气轮机能否高效、安全、可靠运行的重中之重。国际上对于叶片健康性的研究领域投入很大关注，美国军方估算每年有一笔100万美元的专项资金用于检查和维修涡轮机叶片的典型故障-高周疲劳故障。随着涡轮机械朝着更高的温度、压力比要求发展，叶片故障，特别是在热端部件的叶片故障变得更加频繁。叶片健康对燃气涡轮机械健康运行的有着至关重要的意义。目前，对叶片运行状态的监测主要分为叶尖间隙值及叶片振动参数。其中，叶尖间隙值的变化可以针对性的反映诸多叶片故障，对于叶片萌生裂纹、叶尖碰磨等故障的早期阶段具有特征预警，同时可以进行故障位置的定位；叶片振动参数如：振动幅值、激振频率，转速频率，共振区域，最大振幅，激振倍频等可以分析叶片在振动状态下的应力应变，对叶片裂纹的萌生起到预警作用。通过燃气轮机叶片健康性监测，在叶片发生断裂等严重性故障之前进行机组维护，将故障造成的损失及维护成本降低到可接受的范围之内。叶片监测及故障诊断不仅可以保证燃气轮机机组健康可靠运行，还可以通过叶片监测及控制技术保持或提高燃气轮机的运行效率，同时降低燃料及介质的成本花费。国际研究机构的R•R公司研究得出，叶尖间隙值每增加约占本身叶片长度的1％，透平的运行效率约降低1.5％,燃烧室的耗油率约增加3％。燃烧室的耗油率增加1％，可使燃气轮机发电机组的全寿命费用增加0.7％，透平的排烟温度上升10︒C。叶片状态监测保障了燃气轮机发电机组的运行可靠性，结合叶尖间隙值、叶片间距值及其他叶片振动参数的实时测量及分析计算，应用计算结果及故障征兆对叶片及机匣的空间位置进行调节，并对故障叶片进行定位、诊断并提出维护方案，对良好解决故障早期预警及基于高效运行的叶尖间隙主动控制有着积极的作用，系统性的提高了机组运行的安全性与经济性。三、燃气轮机叶片典型故障模式及原因旋转叶片在工作时承受着很大的负荷，由于机组本身的设计工况，介质燃料具有的高温、高压、高腐蚀等特性，同时受到不确定性外部环境变化的影响。叶片的工作环境极端苛刻，叶片在长期的运行状态下：1.叶片受到自身离心力作用，包括转子运行速度及启机和停机过程中所受到的加速度和降速度。离心力是由转子高速旋转所产生的，叶身、叶根、台肩、拉筋等组成部分的质量分布起到了关键作用，离心力的作用可以使叶片产生拉应力，使其径向位移发生变化，还可以产生偏心拉应力，从而在叶片上产生弯曲应力。2.叶片受到气流激振力的作用。这种气流激振力具有随机不确定性及周期性变化的双重规律，并且受到外部环境的影响，对叶片产生的作用位置及作用效果受到机组运行工况的影响。3.叶片叶根与叶盘、叶盘与转子部件产生的交变力或交变力矩会引起机械力对叶片的作用，且方向具有随机性，同时这种机械力是一种可以被利用进行叶尖间隙主动控制的良性作用力。4.叶片在高温高压燃气持续作用的工作环境下，会出现冲击及分离现象。叶身受热不均，从而产生热应力，而一般热应力在启动升速及停机的降速运行状态下对叶片影响较小，在相对稳定状态下影响较大。上述运行工况与施加载荷决定了叶片故障的频繁发生，而故障的原因是多方面的，他们包括振动、疲劳、磨损、脆变、外物损伤、腐蚀、侵蚀、氧化、硫化和蠕变等。尽管使用高性能、高计算速率的设计工具，并且设计理念及结构优化方案正趋于完善，然而叶片故障仍然普遍存在于大型压缩机和燃气轮机中。造成这种情况主要有以下原因：1.在燃气轮机长期运行过程中，出现不可避免的机组振动激励（包括空气动力学和各类机械传动激励）和相互祸合的失效故障模式。2.在实际运行状态下，一些对叶片的激励力通常是在设计分析中考虑不到的。这些故障的产生主要是由于初始设计阶段的设计分析失误。由于设计出的叶片几何形状复杂，这使得先进的有限元建模及施加载荷变得很难把握较高的精确性。叶片、轮盘、缓冲器相互之间的振动以及作用和“组合模式”的出现使得问题进一步复杂化，从而使得设计分析问题变得突出。3.在设计分析问题频繁暴露的同时，加工制造问题同样加入了“搅局者”的行列，由于叶片数量大，结构复杂，所以相应的加工精度要求极高，在同一级叶片组中，“相同”的叶片之间的非均匀性以及叶片的质量控制成为问题。4.燃气轮机运行介质具有高速、高温、杂质含量高等特点，叶片暴露于复杂苛刻的介质环境中，若保护涂层或进气过滤系统出现故障，很可能造成以下损伤：包括蠕变、氧化、硫化、磨损、热损伤和热疲劳相互作用，产生了复合的失效故障模式。5.燃气轮机转子轮盘具有复杂的结构，当其转子本身的固有模态与运行状态的振动模态相符合时，燃气轮机高周疲劳失效的快速发展，在此阶段轮盘及叶片易产生疲劳裂纹。6.组件内部的质量控制问题，其中有一个冷却通道被阻塞。冷却空气运输系统出现故障问题。从而限制了热端部件冷却空气的流动。一些燃气轮机设计了外部冷却器，以此来冷却压缩机内的气体。这些冷却的故障可能导致流动受抑制和一些后续问题。重要的是对这些冷却器进行监测以确保冷却气体的正常供应。7.单轴燃气轮机相对很少发生超速现象，由于轴流式压缩机的功率吸收限制了超速的发生。然而自由动力涡轮机会发生超速。超速通常被增加推力负载所造成的转子定子接触所限制。在超速25％的情况下，叶片受到的应力将会达到其设计值的约1.56倍。研究人员布洛赫在1982年的统计数据表明：涡轮叶片和转子部件造成的故障问题占燃气轮机故障总数的28％，为首要原因。涡轮喷嘴和固定部分仅占18％。燃气轮机整机设计及制造专家登达斯提供了过去8年中燃气轮机故障损坏所花费维修及保养成本的数据统计。涡轮叶片冷却、高周疲劳、蠕变、相关的喘振占了重型燃气轮机损坏花费总数的62％。表1提供了登达斯调查的重型燃气轮机和航改燃气轮机的数据统计。表1燃气轮机的故障原因损失原因燃气轮机故障原因占总数比率（％）航改型燃气轮机故障维护费用占总数比率（％）涡轮叶片冷却空气缺失148.5涡轮叶片的高循环疲劳122转子部件的蠕变197压气机喘振51压气机叶片的高循环疲劳127.5涡轮轮盘损伤117.5热性裂解411内部过热212.5内燃或爆炸524辅机及其他故障1619从燃气祸轮机投入使用以来，叶片失效及故障问题就一直困扰着设计人员和操作人员。在第二次世界大战前夕及战时，燃气轮机在德国奥海因和英国惠特尔得到了加速的发展。一些早期的涡轮发动机经历了叶片故障并且在这个时候开始了大量关于叶片振动监测及故障诊断的研究。其中典型的叶片故障问题出现在JunkerJumo004飞机发动机上(梅塞施米特式战斗机M262的喷气发动机)，并由研究人员马赫-豪基所发现并给以相关机理分析及诊断结论。此后，针对由于高频周期循环疲劳而失效的涡轮叶片，研究人员开发了一些新颖的基于共振频率的监测方法，包括一种通过小提琴的琴弓对涡轮叶片的摩擦使得一位经验丰富的音乐家来检测叶片声音(共振频率)的方法。随着叶片疲劳裂纹及叶片断裂现象的频繁出现，涉及叶片振动和叶片故障的大量开拓性工作是由著名机械工程师马克西博士完成的，如图1-1所示，一个复杂涡轮增压器的叶片疲劳故障得到监测并完成及时处理。在英国惠特尔，研究人员解决了一台机器的涡轮叶片及叶轮的监测及故障问题。图1-2描绘了一个早期惠特尔涡轮喷气发动机的叶轮故障。图1-2Whittle早期的喷气式飞机中的一个发动机的叶轮失效四、国内外发展现状国内的叶片运行状态测量技术虽然起步晚，但在监测系统开发和工程应用方面仍然有新的突破点，所应用的叶尖间隙及定时测量技术主要有放电探针技术、电容式传感技术、光纤式传感技术及电涡流传感技术等。沈阳发动机设计研究所采用较为成熟的放电探针技术对单级风扇及高压压气机进行叶尖间隙测量，对不同转速下的叶尖间隙变化进行对比分析；中国飞行试验研究院采用电容式传感技术完成了标定测量的基础实验研究，中国燃气涡轮研究院通过从ROTADATA研究院引入整套电容式叶尖间隙测量系统CAPLONG，完成了燃气轮机H型叶片的间隙测量，可以分别测试叶背间隙值和叶盆面的间隙值，并通过数据转换和拟合反算的处理方法应用该系统获取叶轮轮盘的轴心轨迹；天津大学精密仪器与光电子实验室及哈尔滨工程大学信息与通信实验室采用光纤式传感器技术对烟气轮机、汽轮机及鼓风机等旋转机械进行叶片定时测振的研究工作。通过结合ESPRIT算法与插入合理样条函数的技术解决了叶片振动信号识别不准确的问题，同时所设计搭建的叶尖定时测振系统可以实现多传感器任意布局的便捷方案，学习并掌握了国际上所应用的叶片恒速同步振动及变速同步振动问题，融合了转子不平衡定量分析法相关原理，结合叶片振动响应祸合模型完成对转子不平衡特征征兆对叶片定时测振精度的影响。华北电力大学的研究