燃气轮机可靠性技术

燃气轮机可靠性技术

李衎

（哈尔滨电气集团公司黑龙江150028）

摘要：燃气轮机的可靠性一直是设计师、制造商和用户所关注的重要指标。随着燃气轮机在工程领域中应用范围的不断扩大，尤其是在航海和航空领域中的应用，使得燃气轮机的可靠性不仅是机组本身持续工作能力的体现，更是关系使用者人身安全的大事。因此，对燃气轮机可靠性的研究越来越为国内、外的科研院所和承制厂商所重视，成为决定型号研制发展成败的关键因素之一。

关键词：燃气轮机；可靠性

1.概述

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种集气体动力学、燃烧学、材料力学、控制与测试等诸多学科于一身，且对可靠性、寿命等要求又极高的复杂设备，被誉为制造业“皇冠上的明珠”，是超级大国综合实力的重要体现。

燃气轮机经常在高温高压的环境中以高转速运转，所受的载荷复杂多变，且由于应用领域的不同，还要承受不同周边环境因素的影响。航空型燃气轮机不仅要在空气稀薄、低温的环境中工作，还要在较大的功率范围内进行转换，以帮助飞行器做出各种机动动作；航海型燃气轮机不仅要在潮湿的环境中工作，还要经受剧烈颠簸和盐雾腐蚀的考验；工业发电型燃气轮机的工作环境相对而言比较稳定，但是其数万小时的连续运行寿命要求，也是对燃气轮机可靠性的一大挑战。由于燃气轮机自身结构、技术的复杂性，工作环境的苛刻性，各应用领域用户要求的多样性，导致燃气轮机出现的故障模式多，故障出现的几率高，故障的危害大，因此，燃气轮机的可靠性是衡量燃气轮机使用寿命的重要指标，是设计时必须考虑的重要因素。

2.可靠性的定义和发展

2.1可靠性的定义

燃气轮机的可靠性是指燃气轮机在设计时间内、设计条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性，主要包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。

2.2可靠性的起源和发展

最早提出可靠性理论的是德国的科学人员，德国在V-1火箭的研制中，提出了火箭系统的可靠性等于所有元器件可靠度乘积的理论，即把小样本问题转化为大样本问题进行研究。经过数十年的发展，可靠性技术发展之迅速、应用之广泛，远非一般应用科学可以比拟。美国的E•Henley和日本的H•Kumamoto指出，在过去的很长一段时间内，除环境科学和计算机技术以外，没有任何一门应用科学可以像可靠性分析那样得到惊人的发展和推广，如今商家要想取得产品的成功，必须将可靠性同产品的性能同等看待。

3.燃气轮机可靠性的判定指标

判定燃气轮机可靠性的指标有很多，但是它们多是以时间计量，或是以时间的函数关系进行体现，常见的判定指标有平均故障间隔时间、平均维修时间、可靠度、故障率和耐久性等。

3.1平均故障间隔时间

燃气轮机是一种非常复杂的机械设备，包含数千种上万个零组件，而平均故障间隔时间是对整个燃气轮机质量的综合考验，任何一个零组件出现故障都会对平均故障间隔时间造成较大的影响，因此，燃气轮机的平均故障间隔时间是一个非常重要的可靠性参数。

3.2平均维修时间

燃气轮机的平均维修时间是指产品发生故障后，若干次维修时间的平均值，是一批次燃气轮机整体可靠性的重要表征。

3.3可靠度

燃气轮机的可靠度是指燃气轮机在设计条件下、设计寿命内完成规功能的概率，是用概率计量的判定指标，是时间的函数，其值在0与1之间。如以R（t）代表燃气轮机可靠度，当t＝0时，R（t）＝1，则表示燃气轮机完全可靠。

3.4故障率

燃气轮机的故障率也称失效率，是燃气轮机在时刻t尚未出现故障，在t+△t的单位时间内发生故障的条件概率。即它反映t时刻燃气轮机发生故障的速率，也称为瞬时故障率。

4诊断监控技术与可靠性的关系及其现状

应用于电力、石油、化工、机械等部门的燃气轮机由于运行或制造等原因，使机组强迫停车事故经常发生，影响了燃气轮机可靠性，已引起有关部门的重视。国外资料表明，采用监控与诊断技术可获得很大的经济效益，因为这样可以增加机组安全性，避免严重事故发生；可早期发现故障，实现有目的有计划检修，缩短检修时间，降低维修费用；可改进维修方式，使之从定期维修向预检修或视情维修方式发展。

故障诊断技术，也称作可靠性事中分析技术。根据机械设备发生的振动、音响、温升等信息，检查设备有无异常。常用的方法有：（1）振动法设备的故障经常会引起不正常振动，在检测异常的各种因素中，振动法是一种既快又准、方便又有把握的方法。振动法又分时域、频域及倒频域3种。许多实例记载表明，建立相应的振动监控系统，可对装置的正常工作性能下降和在某些情况下装置即将发生故障的早期迹象提供重要线索。人们意识到机械保护可防止可能发生的事故，所以，在近十儿年里动力装搜的振动监控已按指数规律增长。（2）油分析法此法是利用化学方法进行设备故障诊断。与振动法配介使用，能更有效地测定复杂的故障问题，它在航空发动机的故障诊断中已成为一种常规手段，具体有：油光谱法；铁谱法；磁塞检查法等。（3）声发射法该法可监视裂纹的发生和发展。（4）红外热成象技术利用该技术可找出电气设备、电机等的过热点，是检查和预防电气设备过热故障的有效方法。（5）无损探伤技术包括射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、涡流探伤以及色谱法、光谱法等。

5燃气轮机可靠性的提高途径

5.1设计可靠性

设计赋予了燃气轮机产品“先天优劣”的本质特性，决定了燃气轮机产品的固有质量特性（如：功能、性能、寿命、安全性和可靠性等），据不完全统计，设计对燃气轮机产品质量的贡献率可达70%以上，是提高燃气轮机可靠性水平的关键因素。

燃气轮机等机械产品相对电子产品有其自身的特点，其设计方法与电子产品也不尽相同，归纳起来，其可靠性设计应遵循传统设计与可靠性设计相结合、定性设计与定量设计相结合、机械可靠性与耐久性设计并行及系统与零部件可靠性设计并行等原则。在设计过程中，应充分考虑不同应用领域的燃气轮机的使用条件及合理地选择工作能力储备，并在相关部件验证试验的帮助下，尽可能全面的排除在燃气轮机正常使用中可能发生的意外情况，最终使燃气轮机在设计阶段就具有较高的可靠性水平。

5.2制造可靠性

燃气轮机产品的制造质量是设计可靠性能否得以全面体现的重要保证。根据不完全统计，就燃气轮机而言，加工制造原因所引起的故障约占总故障数的30%。燃气轮机由成千上万个零组件所组成，在每一个零组件的生产制造过程中，保证其自身的可靠性主要体现在制造设备的先进性、工艺路线的成熟性、制造过程的稳定性和质量检验的准确性等几个方面，只有做好每一个环节，方能保证最终成品——燃气轮机具有较高的可靠性水平。

5.3使用维护可靠性

不同的应用领域、不同的燃料形式和不同的功能需求等因素，使得各型燃气轮机的使用和维护操作规程也不尽相同。使用过程中的许多故障就是由燃气轮机使用或操作人员违反燃气轮机使用和维护操作规程造成的。同时，燃气轮机使用过程中各种监测手段所提供的数据，如压力、温度、流量等，经过处理分析，也可以较早地发现燃气轮机故障和设计、加工或装配的不正确性。

6结束语

燃气轮机可靠性判定指标、相关研究方法及提高可靠性需采取的措施及途径，为技术人员能够快速理解可靠性含义及深入开展燃气轮机可靠性增长研究打下良好基础。

参考文献：

［1］陈成春．基于条件规则的故障树分析法的研究与应用［J］．制造业自动化，2012，34（1）：82-85．

［2］陈军，李英．数控车床自动力架常见故障诊断与维修［J］．现代制造技术与装备，2012（6）：44-46．

［3］范小霞，古小平，李国志，等．压气站燃气轮机模糊故障树失效分析［J］．天然气与石油，2010，28（6）：10-14．