某型燃?xì)廨啓C(jī)高工況突發(fā)停機(jī)故障分析研究

岳 彭，臧 軍,魏昌淼,李金奇

(1. 海軍裝備部駐無錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無錫 214151；2. 中國船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種動力源，廣泛應(yīng)用于機(jī)車、發(fā)電、工業(yè)驅(qū)動、船舶動力等方面[1]。某型燃?xì)廨啓C(jī)主要由低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、動力渦輪三軸結(jié)構(gòu)構(gòu)成。燃?xì)廨啓C(jī)完成工作后或出現(xiàn)故障時，應(yīng)執(zhí)行停機(jī)程序。停機(jī)類型主要包括正常停機(jī)、手動緊急停機(jī)、故障保護(hù)停機(jī)。

正常停機(jī)指燃?xì)廨啓C(jī)完成工作后，當(dāng)按下正常停機(jī)按鈕后，燃?xì)廨啓C(jī)從使用工況降至空負(fù)荷工況，在空負(fù)荷工況運(yùn)行規(guī)定時間后，關(guān)閉燃料供應(yīng)閥等一系列電磁閥動作，完成停機(jī)程序。燃?xì)廨啓C(jī)的正常停機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的主要停機(jī)類型，用于保證燃?xì)廨啓C(jī)的均勻冷卻。

手動緊急停機(jī)指在必要的情況下需要燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行人員立刻停機(jī)，如當(dāng)維護(hù)人員有危險時、發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)非正常工作的噪聲時、有燃油或者滑油大量泄露時、在工作的燃?xì)廨啓C(jī)上不可能滅火時等突發(fā)情況，手動緊急停機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)在任意工況，且在沒有空負(fù)荷工況冷卻的情況下快速停機(jī)。

故障保護(hù)停機(jī)指當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)某一指標(biāo)不滿足運(yùn)行要求出現(xiàn)安全隱患時，為了保護(hù)機(jī)組的安全，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行故障停機(jī)保護(hù)，如起動過程滑油回油壓力低停機(jī)保護(hù)、起動過程燃?xì)獬瑴赝C(jī)保護(hù)、起動過程點(diǎn)火失敗停機(jī)保護(hù)、工況運(yùn)行后動力渦輪超速停機(jī)保護(hù)等情況，故障停機(jī)保護(hù)也是燃?xì)廨啓C(jī)在任意工況下，且在沒有空負(fù)荷工況冷卻的情況下快速停機(jī)。

正常停機(jī)是使用最多的停機(jī)方式，在燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，出現(xiàn)過包含起動過程中的故障保護(hù)停機(jī)、工況運(yùn)行中的故障保護(hù)停機(jī)在內(nèi)的多次案例，故障保護(hù)停機(jī)是出現(xiàn)過最多的非正常停機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)長時間高工況運(yùn)行時，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)停機(jī)故障，如故障保護(hù)停機(jī)或人為手動停機(jī)時，燃?xì)廨啓C(jī)外機(jī)匣與大氣接觸散熱快，而內(nèi)部高壓渦輪、低壓渦輪等旋轉(zhuǎn)熱部件散熱較慢，如果不做任何處置，熱脹冷縮作用將會造成內(nèi)部旋轉(zhuǎn)熱部件與機(jī)匣接觸，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯現(xiàn)象，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子熱彎曲。因此，在各類停機(jī)中，燃?xì)廨啓C(jī)高工況運(yùn)行突發(fā)緊急停機(jī)破壞性最大，嚴(yán)重影響到機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。針對燃?xì)廨啓C(jī)動靜碰磨問題，文獻(xiàn)[2]以M701F燃?xì)廨啓C(jī)為對象進(jìn)行了詳盡的分析。

1 高工況運(yùn)行突發(fā)停機(jī)故障案例

1.1 故障現(xiàn)象

某臺燃?xì)廨啓C(jī)在1.0工況運(yùn)行十余個小時后監(jiān)控系統(tǒng)突發(fā)動力渦輪超速保護(hù)報警，燃?xì)廨啓C(jī)執(zhí)行停機(jī)程序。停機(jī)后運(yùn)行人員查詢歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，動力渦輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，如圖1所示，動力渦輪轉(zhuǎn)速超出停機(jī)限值。動力渦輪拖動的水力測功器轉(zhuǎn)速與動力渦輪轉(zhuǎn)速顯示一致，也出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動的現(xiàn)象。在停機(jī)過程中，高壓轉(zhuǎn)子及低壓轉(zhuǎn)子平穩(wěn)下降。

圖1 動力渦輪轉(zhuǎn)速變化圖

1.2 故障分析及處置

上述停機(jī)后，運(yùn)行人員進(jìn)行了以下分析及處置：

(1) 根據(jù)故障現(xiàn)象，針對動力渦輪轉(zhuǎn)速及其所拖動的水力測功器轉(zhuǎn)速均未出現(xiàn)波動，且兩者轉(zhuǎn)速一致，排除動力渦輪轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)出現(xiàn)故障。動力渦輪實(shí)際轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了超速現(xiàn)象，以致觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪超速停機(jī)保護(hù)。

(2) 運(yùn)行人員遙控操作水力測功器進(jìn)水閥門隨指令動作情況，檢查發(fā)現(xiàn)水力測功器進(jìn)水閥門在40°指令時，實(shí)際閥門在35°～45°的開度區(qū)間來回波動，依據(jù)該現(xiàn)象，運(yùn)行人員判斷在上述1.0工況時，由于進(jìn)水閥門處于40°的開指令，而進(jìn)水閥門實(shí)際開度存在波動現(xiàn)象，當(dāng)進(jìn)水閥門實(shí)際開度小于40°時，水力測功器進(jìn)水量減少，從而造成動力渦輪轉(zhuǎn)速升高，當(dāng)動力渦輪轉(zhuǎn)速超過4 200 r/min的停機(jī)保護(hù)值時，觸發(fā)了動力渦輪超速停機(jī)保護(hù)。因此該故障判斷為水力測功器進(jìn)水閥門開度異常，導(dǎo)致動力渦輪轉(zhuǎn)速波動超限停機(jī)。

(3) 低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平滑下降，運(yùn)行人員判斷低壓渦輪及高壓渦輪在停機(jī)過程中與燃?xì)廨啓C(jī)外機(jī)匣尚未發(fā)生動靜接觸的現(xiàn)象，同時本次1.0工況觸發(fā)緊急停機(jī)是因?yàn)樗y功器進(jìn)水閥門開度異常引起，因此可緊急起動燃?xì)廨啓C(jī)至空負(fù)荷工況。

(4) 運(yùn)行人員完成規(guī)定起機(jī)檢查后，第一時間再次啟動燃?xì)廨啓C(jī)。高工況停機(jī)下的燃?xì)廨啓C(jī)沒有空負(fù)荷工況的冷卻，燃?xì)鉁囟热暂^高，若不采取措施，在起動燃?xì)廨啓C(jī)過程中將會出現(xiàn)燃?xì)獬瑴噩F(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)起動過程燃?xì)獬瑴赝C(jī)故障，將再次觸發(fā)故障停機(jī)保護(hù)。為避免出現(xiàn)起動過程超溫停機(jī)保護(hù)，運(yùn)行人員通過手動燃料劇減按鈕，拉低油門來減少燃油供應(yīng)量，啟動過程燃油壓力及燃?xì)鉁囟热鐖D2、圖3所示。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)緊急啟動燃油圖

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)緊急啟動燃?xì)鉁囟葓D

起動過程合理地控制燃油量，燃?xì)廨啓C(jī)順利進(jìn)入空負(fù)荷工況，空負(fù)荷工況運(yùn)行20 min后正常停機(jī)，從而避免了高工況停機(jī)后由于高壓渦輪、低壓渦輪及外機(jī)匣冷卻不均勻，造成動靜接觸、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)卡滯的故障。

2 突發(fā)停機(jī)故障分析及處置策略

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生高工況停機(jī)后，為保護(hù)機(jī)組，應(yīng)正確處置高工況停機(jī)故障，如果處理不當(dāng)，不僅不能避免轉(zhuǎn)子卡滯的故障，而且可能給機(jī)組帶來二次故障損害。依據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)原理、起動供油原理、運(yùn)行原理，并結(jié)合多次燃?xì)廨啓C(jī)高工況突發(fā)停機(jī)處置成功的案例分析，當(dāng)故障發(fā)生時，應(yīng)進(jìn)行以下分析處置：

(1) 關(guān)注停機(jī)過程低壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子惰轉(zhuǎn)時間是否減少，監(jiān)聽燃?xì)廨啓C(jī)是否有異常刮擦雜音。

(2) 迅速判斷燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)原因，是否可以快速排除故障，是否具備再次緊急起動的條件，是否可以適當(dāng)改變以滿足起動連鎖使之具備起動條件，比如當(dāng)發(fā)生冷卻空氣擋板或通風(fēng)擋板關(guān)閉造成的燃?xì)廨啓C(jī)高工況突發(fā)停機(jī)，可第一時間將冷卻空氣擋板或通風(fēng)擋板控制方式由遙控切到手動，手動打開，為再次緊急起動創(chuàng)造條件。

(3) 若停機(jī)過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況未發(fā)現(xiàn)異常，同時具備再次起動條件，應(yīng)在停機(jī)過程中，抓住時機(jī)完成備車條件，當(dāng)起動連鎖條件通過后，立即起動燃?xì)廨啓C(jī)。高工況停機(jī)由于機(jī)體未經(jīng)過冷卻，停機(jī)后燃?xì)鉁囟却嬖谳^高的情況，如果措施不當(dāng)，起動過程極易出現(xiàn)燃?xì)獬瑴毓收媳Ｗo(hù)停機(jī)，給機(jī)組帶來二次損傷。燃?xì)廨啓C(jī)緊急起動控制系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)火指令、燃油閥開指令后，由于機(jī)組內(nèi)部過熱，因此燃油極易著火。點(diǎn)火成功后，會出現(xiàn)燃?xì)鉁囟瓤焖偕叩默F(xiàn)象，此時應(yīng)密切關(guān)注燃?xì)鉁囟壬仙俾剩ㄟ^手動按下燃料劇減按鈕，油門控制系統(tǒng)快速拉低油門，來減少燃油供應(yīng)量以減緩燃?xì)鉁囟瓤焖偕仙厔荩鐖D3所示，當(dāng)燃?xì)鉁囟冗_(dá)到峰值開始下降后，為保證燃?xì)廨啓C(jī)順利進(jìn)入空負(fù)荷，此時應(yīng)手動取消燃料劇減控制方式，恢復(fù)原燃油供應(yīng)。順利起動進(jìn)入空負(fù)荷工況的燃?xì)廨啓C(jī)，在空負(fù)荷工況運(yùn)行正常停機(jī)程序規(guī)定的冷卻時間后正常停機(jī)，從而消除了高工況突發(fā)停機(jī)后可能造成的轉(zhuǎn)子卡滯故障。在起動過程中，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視轉(zhuǎn)子升速，若出現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常降低，可判斷為轉(zhuǎn)子出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，此時應(yīng)手動緊急停機(jī)，終止起動，處置流程如圖4所示。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)高工況突發(fā)停機(jī)故障處置流程

(4) 若燃?xì)廨啓C(jī)高工況停機(jī)后，不具備再次起動條件，應(yīng)立即對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行兩次工藝?yán)浯甸L時間冷卻通流部分，同時冷吹過程密切關(guān)注轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否比正常轉(zhuǎn)速偏低，是否有異常噪聲，若出現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯現(xiàn)象應(yīng)立即緊急停機(jī)。若燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子卡滯后，應(yīng)保持機(jī)組滑油循環(huán)的正常工作，保證滑油循環(huán)冷卻轉(zhuǎn)子軸承。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般卡滯幾個小時后，檢查低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子能否正常手動盤車。當(dāng)轉(zhuǎn)子可以盤動后，應(yīng)密切關(guān)注是否存在葉片與機(jī)匣刮擦聲，若有刮擦聲，應(yīng)確保機(jī)組繼續(xù)自然冷卻。若轉(zhuǎn)子盤車恢復(fù)正常，應(yīng)進(jìn)行兩次冷吹，關(guān)注低壓、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及惰轉(zhuǎn)時間是否正常。當(dāng)滑油中無金屬屑、燃?xì)廨啓C(jī)出口滑油溫度不超限、冷吹情況正常等檢查確認(rèn)后，方可再次起動燃?xì)廨啓C(jī)。

高工況停機(jī)故障，故障具有非預(yù)期性。當(dāng)故障發(fā)生時，處置故障路徑應(yīng)明確，故障點(diǎn)應(yīng)定位準(zhǔn)確，以在最短的時間內(nèi)快速排除故障，維護(hù)燃?xì)廨啓C(jī)可靠運(yùn)行。同時為避免故障的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防性維護(hù)工作[3-4]。

3 預(yù)防突發(fā)停機(jī)故障維護(hù)策略

在燃?xì)廨啓C(jī)高工況運(yùn)行中，主要有燃油壓力低停機(jī)保護(hù)、滑油壓力低停機(jī)保護(hù)、動力渦輪超速停機(jī)保護(hù)、燃?xì)獬瑴赝C(jī)保護(hù)、冷卻空氣擋板關(guān)閉高工況停機(jī)、通風(fēng)擋板關(guān)閉停機(jī)保護(hù)。為預(yù)防燃?xì)廨啓C(jī)高工況突發(fā)停機(jī)故障，應(yīng)對可能造成燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)的方面加強(qiáng)維護(hù)。

(1) 為預(yù)防滑油壓力低、燃油壓力低停機(jī)故障，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行巡視：確保各油道管線無泄漏點(diǎn)，保證滑油箱、燃油箱液位在規(guī)定區(qū)間；密切關(guān)注機(jī)組進(jìn)口燃油壓力調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)，防止調(diào)節(jié)閥工作異常，以致燃油壓力過低造成停機(jī)；關(guān)注油濾污染情況，當(dāng)濾器前后壓差較大時，應(yīng)及時更換。

(2) 動力渦輪周向設(shè)有三根轉(zhuǎn)速傳感器，任何一個轉(zhuǎn)速測量超限均會造成停機(jī)。為防止轉(zhuǎn)速測量故障，應(yīng)定期對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性檢查，如轉(zhuǎn)速傳感器處端子接線情況及轉(zhuǎn)速信號傳輸線路情況檢查[5]。關(guān)注動力渦輪負(fù)載狀態(tài)，如水力測功器進(jìn)出水閥門異常均會導(dǎo)致進(jìn)出水流量的變化，從而影響動力渦輪轉(zhuǎn)速變化。定期對進(jìn)出水閥門系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確保進(jìn)出水閥門工作的穩(wěn)定性，當(dāng)運(yùn)行過程中進(jìn)出水閥門出現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時降工況，排除故障后方可恢復(fù)高工況運(yùn)行。

(3) 為防止燃?xì)鉁囟瘸?，運(yùn)行時應(yīng)注意嚴(yán)禁超負(fù)荷運(yùn)行；當(dāng)夏季環(huán)境較高時，在燃?xì)鉁囟仍试S的條件下保證使用功率的輸出；定期對熱電偶測溫系統(tǒng)進(jìn)行檢查，防止溫度測量故障造成停機(jī)。

(4) 為保護(hù)箱裝體內(nèi)機(jī)組及各控制零部件的冷卻，設(shè)有通風(fēng)擋板、冷卻空氣擋板關(guān)閉停機(jī)保護(hù)。應(yīng)定期對通風(fēng)擋板系統(tǒng)、冷卻空氣擋板系統(tǒng)進(jìn)行檢查，每次開機(jī)前務(wù)必操作試驗(yàn)開、關(guān)情況。根據(jù)以往故障案例，運(yùn)行過程中應(yīng)關(guān)注擋板工作所需的壓縮空氣氣壓，避免氣管泄露造成氣壓意外降低，同時對擋板開位置反饋信號線路進(jìn)行定期維護(hù)檢查，防止線路松動給運(yùn)行帶來安全隱患。

4 總結(jié)

本文從某型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行原理和長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對機(jī)組出現(xiàn)的高工況突發(fā)停機(jī)故障進(jìn)行總結(jié)分析，為燃?xì)廨啓C(jī)高工況突發(fā)停機(jī)故障提出了處置策略。同時對燃?xì)廨啓C(jī)高工況運(yùn)行中可能造成突發(fā)停機(jī)的因素進(jìn)行分析，并提出了相關(guān)處置措施，可通過相關(guān)維護(hù)策略來避免停機(jī)故障的發(fā)生，對燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)防故障發(fā)生、維護(hù)可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有建設(shè)性意義。