1、【46】第45卷 第02期 2023-02收稿日期：2021-02-01作者简介：侯宝（1982-），男，河北人，高级工程师，学士，研究方向为发电厂管理等。通讯作者：康洪（1991-），男，重庆忠县人，助理工程师，硕士，研究方向为设备故障诊断。应力波技术在某大型燃气轮机组机械故障监测中的应用Application of stress wave technology in mechanical fault monitoring of a large gas turbine unit侯 宝1，康 洪2*，韩 洋1，阴 悦1，于小铁1HOU Bao1，KANG Hong2*，HAN Yang1，YI
2、N Yue1，YU Xiao-tie1（1.北京京桥热电有限责任公司，北京 100067;2.重庆川仪软件有限公司，重庆 401121）摘 要：燃气轮机作为一种将热能转换为机械能的动力传输装置，在能源、航空、航海、交通运输等各行各业发挥着不可替代的关键作用；但由于其工作过程中工况多变、结构复杂以及工作环境恶劣，常常导致燃气轮机关键部件发生故障，所以对燃气轮机进行机械故障诊断与监测至关重要。采用了先进的应力波技术对某大型燃气轮机压气机轴承、燃烧室、燃气涡轮轴承等三关键部件进完成了在线监测，监测结果显示基于应力波技术的设备状态监测系统能够有效反映出燃气轮机内部运行状态的实时变化，能够准确监测出燃气
3、轮机内部机械故障。关键字：燃气轮机；机械故障诊断与监测；应力波中图分类号：TH17 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0046-050 引言燃气轮机由于功率密度大、启动速度快、噪音低频分量低、排放污染较小等优点，被广泛用于航空航天、能源、船舰等各个行业，使之成为一个国家的国民经济以及国防工业持续向前发展不可或缺的一项特种装备1。但是由于燃气轮机结构复杂，加上极其特别的工作环境导致燃气轮机的核心部件在工作过程中存在较大的故障率，一旦关键部件发生故障，必将带来不可估量的经济损失，这也是在燃气轮机发展史上世界各国需要共同面对的一个历史性难题。特别是在现代制造业持续发展的前
4、提下，对燃气轮机的整体性能及工作条件提出了更高的要求，所以通过采用先进技术对燃气轮机关键部件进行持续性在线监测并故障预测分析来提高燃气轮机的使用寿命及可靠性，显得尤为重要2,3。对燃气轮机进行持续性在线监测与故障预测分析能够及早的发现燃气轮机运行中的早期故障，并给出合理的检维修建议及故障的发展趋势，及时对燃机的运行状态做出评估，进行燃机的预测性维护，最终能够使得燃气轮机超期服役并对其进行科学管理。目前，国内外一些学者也在燃气轮机的故障诊断与监测方面取得了重要的成果，Mohammadi等4提出一种利用动态神经网络进行燃气轮机发动机故障检测的新方法，并应用于双轴涡扇发动机的异常故障检测；Kyria
5、zis A5等提出了一种将快速响应和性能数据相结合的两步信息融合技术，用于改进燃气轮机故障诊断程序；刘隆波等6为了对异常的燃气轮机进行准确的故障诊断，提出了基于小波变换及BP神经网络的故障诊断方法。本文以发电用燃气轮机为例，基于先进的故障诊断监测技术应力波技术，完成了对燃气轮机的实时在线监测与机械故障诊断。1 燃气轮机的基本结构及工作原理工业用燃气轮机是一种将天然气等一些燃料的热能通过燃烧的形式转换为机械能，并以此来驱动涡轮旋转从而输出动力的一种工业设备，它一般由三大部件组成，分别是燃气涡轮机（或者透平）、燃烧室、压气机（如图1所示）7，其中燃气涡轮和燃烧室在设备运行过程中需要承受高温高压以及
6、燃气轮机在启停瞬间因内部温度变化产生的热冲击，所以这两部件工作条件极其恶劣，从某种意义上涡轮和燃烧室的的寿命就直接决定了燃气轮机的寿命，所以在燃气轮机的故障诊断与监测领域主要以涡轮和燃烧室为重点。当然，一台完整的燃气轮机除了这三个部件以外，还必须包含一些启动装置、燃料系统、控制系统、润滑系统等附属系统及相关设备。燃气轮机在工作过程中，首先通过压气机将大气持续吸入并将其压缩，然后通过大气管道进入燃烧室，并在燃烧室与通过燃料管道进入燃烧室的燃料混合后，进行充分燃烧，随即成为高温燃气，进入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶片带着压气机叶片同时旋转，从而实现了由燃料数字信号处理第45卷 第02期 2023
7、-02【47】的热能转换为涡轮的机械能；总之，燃气轮机工作过程主要包含了进气、加压、混合燃烧、排气做功等四个阶段，整个过程与汽车发动机工作过程基本一致，只是燃气轮机这四阶段是持续性的，而汽车活塞发动机工作四阶段是间断的1。图1 燃气轮机结构图2 应力波技术原理2.1 应力波的产生基于应力波技术的设备状态监测与诊断系统是一种先进的状态监测系统。机械结构中轴承或齿轮等具有相对运动或者相互接触的部件在外加载荷的作用下，会产生内应力（内部变化）或者表面与表面之间相对运动，那么此时结构内部状态的变化将会以波的形式向外传播，这种波就称为应力波8，它是应力应变扰动的传播形式，将扰动区域与未扰动区域的界面称为
8、波阵面，波阵面的传播速度称为波速（C）。应力波本质上也是一种超声波脉冲群（如图2所示），它与结构材料的固有频率相关，且它可在固态、液态以及气态等各种介质中进行传播，在传播过程中如水的波纹一样（如图3所示）向四周发散。因为应力波是一种弹性波，对于线弹性材料，在介质中传播传播时也遵循应力应变的本构关系，在动载荷作用下应力与应变满足=()关系，由质量以及动量守恒定律得到以位移u(X,t)为未知量的波动方程：0uu22222=XCt (1)其中表2101=ddC，0为材料的初始密度，u为位移，X为坐标中波阵面沿其传播方向的位置，t为时间。在求解应力波在介质中的传播问题，主要也是在初始条件和边界条件的前
9、提下，求解波动方程(1)，目前常用的方法有线差分法、有限元法和特征线法。对于各向同性线弹性材料，因为d/d不变，所以线弹性材料的波速为定值，而对于一维纵力波波速为：()2100/EC=(2)其中E为弹性模量。对于侧向受限的一维应变纵波波速为：()21011/EC=(3)()()21113421+=+=+=EKE (4)其中E1为侧限弹性模量，、为拉梅系数，K为体积压缩模量，v为泊松比。对比横波波速的求解，只需要把位移u、应变、应力、弹性模量E更换为横波质点位移、剪应变、剪应力和剪切模量G，则可求得横波波速。图2 应力波脉冲 图3 应力波传导2.2 应力波监测与分析系统由于应力波监测的是结构固有
10、的超声波能量，它与传统的基于振动的监测方法不同，它不要求结构的外表面振动或运动。相反，它关注的是设备内部的摩擦与冲击信号，它能够过滤掉一些明显的低频信号，“听”结构内由摩擦和冲击事件产生的高频应力波脉冲群。所以应力波监测与分析系统主要包括应力波传感器、信号处理单元、控制显示系统，其主要的信号处理流程如图4所示，由机械设备内部存在损伤的区域在运转过程中的摩擦与冲击发出应力波信号，通过应力波传感器采集高频信号并将其转换为电信号，然后在模拟信号调制器中通过帯通、放大、高通以及包络等一系列信号处理后输出应力波脉冲群，接着在数字处理器中完成AD转换及计算应力波能量值，最终得到应力波能量图、频谱图以及直方
11、图。图4 应力波信号处理流程2.3 应力波分析工具应力波经过信号处理完成后，在控制和显示界面得到了应力波分析的三种有效工具：应力波能量图、应力波频谱图、应力波直方图。【48】第45卷 第02期 2023-021）应力波能量图应力波能量是应力波振幅在时域的积分计算，其中应力波振幅是设备内部某单一摩擦和冲击事件强度的函数，而应力波能量在计算过程中考虑了积分域上所有的冲击和摩擦事件以及每次冲击和摩擦的速率、持续时长、冲击深度、幅值大小等，所以我们可以通过应力波能量来量化机械系统中存在的损伤。健康状态下的机械设备开始投入运行时，应力波能量处于低位且相对平稳，当设备出现微小故障时，应力波能量呈现上升趋势
12、，如果此时不加以控制，就会导致诸如温度上升或者振动过大等摩擦与冲击的二阶响应，并且应力波能量值也会出现持续上升，最终直至设备完全失效（如图5所示）9。因此，对机械设备进行持续性在线监测，并时刻关注机械系统产生应力波的变化趋势是专注于设备早期故障诊断与检测的一种有效方法。图5 应力波能量曲线2）应力波频谱图应力波频谱图表征在应力波时域信号的基础上通过傅里叶变化得到的应力波脉冲电压值与频率的相对关系，由于应力波分析滤掉了机械动力学中一些固有的低频信号，只检测能激发应力波传感器的高频冲击与摩擦事件，所以健康状态下的应力波频谱图是一条相对平缓的水平线如图6(a)所示，此时设备内部不存在明显的异常冲击与
13、摩擦；当设备内部缺陷相互接触且产生相对运动时，就会产生周期性冲击事件，此时就会在频谱图上得以体现，且周期频率对应得电压幅值明显较高，如图6(b)所示，对于类似轴承或者齿轮等部件，可以通过频谱图对其内部故障进行准确定位。(a)健康状态时应力波频谱图(b)发生周期性冲击事件时应力波频谱图图6 应力波频谱图3）应力波直方图应力波直方图是对应力波时域曲线的高斯密度函数的统计，如图7所示，其中横坐标表示在时间域内单个摩擦与冲击的电压幅值，纵坐标表示电压幅值出现的次数。应力波直方图主要统计在时间域上每次摩擦与冲击的电压幅值的分布情况，设备正常运行情况下，直方图呈窄基底的正态分布，且靠近电压的低值端，如图7
14、(a)所示；当设备处于异常摩擦事件时，越来越多高幅值的电压信号出现，最终直方图呈“偏态分布”，如图7(b)所示。(a)正常运行时应力波直方图(b)发生异常摩擦事件时应力波直方图图7 应力波直方图3 应力波技术在燃气轮机故障诊断的运用3.1 燃气轮机常见故障1）压机机、涡轮叶片故障压气机、涡轮叶片故障主要包括叶片磨损、叶片裂纹、叶片积垢；燃气轮机在运行过程中，会随着空气或者燃气进入一些细微的杂质，由于压气机和涡轮叶片都在超高第45卷 第02期 2023-02【49】速旋转，久而久之，微小的杂质将在叶片表面形成划痕或者促使叶片非正常磨损、产生裂纹、叶片积垢，从而导致叶片在旋转过程中阻力增大，降低燃
15、气轮机的工作效率10,11。由于叶片在高速旋转时出现了磨损、裂纹或者积垢，那么叶片与气体之间就能够产生超声波能量，根据应力波技术的原理，应力波技术能够在早期发现叶片问题。由于该技术的灵敏性，可以在叶片造成严重损坏之前检测到叶片异常情况。2）压气机、涡轮轴承故障压气机、涡轮轴承故障主要包括润滑问题、磨损、疲劳损失、气蚀、油膜振荡/涡动；如果燃气轮机轴承出现了以上问题，那么一定会导致轴承出现了异常的摩擦，根据应力波对微弱异常摩擦信号的高度灵敏性，应用应力波技术能够及早的发现轴承运行状态的变化。3）其他故障其他故障主要包括燃烧不稳定、燃烧室瓷砖松动、转子弯曲等；应力波技术能够显示启动过程中转子存在弯
16、曲，如果严重可能会导致振动量超标，涡轮内部出现结构问题；通过监测每次启动过程中应力波能量，可以绘制出随时间变化的能量趋势图；如果燃烧室存在瓷砖松动或燃烧不稳定，可通过涡轮机燃烧段周围的应力波传感器采集的总应力波能量的上升来反应。3.2 应力波测点布置根据燃气轮机的结构、应力波技术原理及在设备内部的传播方式，在压气机轴承、涡轮轴承外面分别安装一个应力波传感器，在燃烧室外面均布两个应力波传感器，故在燃气轮机上布置了四个应力波传感器，如图8所示。(a)压气机轴承测点 (b)涡轮轴承测点(c)燃烧室测点*2图8 测点布置3.3 监测结果分析为了便于结果对比分析，选择了1#燃机的四个测点和2#燃机的压气机轴承和涡轮（透平）轴承测点，最终显示六测点的应力波能量如图9所示，其中通道1.1-1.4为1#燃机测点、通道2.1和2.4为2#燃机测点。从图中可以发现燃烧室测点（通道1.2和1.3）应力波能量波动较大，主要由于燃烧室内部燃烧工况的变化引起；对比1#燃机和2#燃机轴承测点可以看出，2#燃机测点应力波能量比较稳定，1#燃机应力波能量波动明显，主要由于1#燃机检修后更换叶片导致燃机两端轴承处于磨合期
