某船燃气轮机动力涡轮转速不稳故障分析_邱虎.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n质量与检修某船燃气轮机动力涡轮转速不稳故障分析邱 虎(青岛前进船厂,山东 青岛 2 6 6 0 0 1)摘 要:为解决某船燃气轮机动力涡轮转速不稳故障,分析推进遥控系统对燃气轮机油门的闭环控制流程,进一步对燃油作动器、燃气发生器转速传感器、动力涡轮转速传感器、燃机电子柜的电气连接进行检查,与经验数据进行比对,并对重点部位的电气连接件进行拆检。最终结果表明,该燃气轮机动力涡轮转速不稳的原因是箱装体底部电连接器接插件瑕疵,造成接触不良。关键词:燃气轮机;动力涡轮;转速不稳;接触不良 中图分类号:T K 4 7 9 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 3 1-0 3A n a l y s i so fU n s t a b l eS p e e dF a u l t o fP o w e rT u r b i n eQ i uH u(Q i n g d a oQ i a n j i nS h i p y a r d,S h a n d o n gQ i n g d a o2 6 6 0 0 1)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v e t h eu n s t a b l es p e e do f t h ep o w e r t u r b i n eo fas h i p sg a st u r b i n e,t h ec l o s e d-l o o pc o n t r o lp r o c e s so f t h eg a s t u r b i n e t h r o t t l eo f t h ep r o p u l s i o nr e m o t e c o n t r o l s y s t e mw a s a n a l y z e d,a n d t h ee l e c t r i-c a l c o n n e c t i o n so f t h e f u e l a c t u a t o r,g a sg e n e r a t o r s p e e ds e n s o r,p o w e r t u r b i n e s p e e ds e n s o r a n dg a s t u r b i n e e l e c-t r o n i cc a b i n e tw e r e f u r t h e r c h e c k e d,c o m p a r e dw i t h t h e e m p i r i c a l d a t a,a n d t h e e l e c t r i c a l c o n n e c t i o n s o f k e yp a r t sw e r ed i s m a n t l e da n dc h e c k e d.T h e f i n a l r e s u l t ss h o wt h a t t h eu n s t a b l es p e e do f t h ep o w e rt u r b i n e i sc a u s e db yt h ed e f e c t so f t h ee l e c t r i c a l c o n n e c t o ra t t h eb o t t o mo f t h eb o xb o d y,r e s u l t i n g i np o o rc o n t a c t.K e yw o r d s:G a s t u r b i n e;P o w e r t u r b i n e;U n s t a b l es p e e d;P o o rc o n t a c t作者简介:邱虎(1 9 8 2),男,山东高密人,汉族,中级职称(工程师),工学学士,研究方向:主要从事船舶柴油机监控系统、燃气轮机监控系统、船舶主推进装置遥控系统维修与调试研究。1 前言燃气轮机功率大、重量轻、自动化程度高、操作简单、工作可靠、维护方便等优点,已被人们从航空喷气发动机的飞行实践中认识,也被人们从舰船应用燃气轮机推进的现实效果中所领悟。LM 2 5 0 0系列燃气轮机是美国通用动力公司于上世纪六十年代以T F 3 9涡轮风扇发动机为蓝本研制的航改式燃气轮机。该系列燃气轮机有着非常广泛的用途,可应用于船舶动力、发电、石油开采等多种目的。本文所涉及的LM 2 5 0 0燃气轮机及其监控系统设计紧凑,各传感器、执行器、机带电缆、监控电子柜之间没有使用接线盒、接线箱等连接形式,而是采用了电连接器形式相接,这就使得在燃气轮机运行过程中进行在线测量变得非常困难。为了分析解决故障,在对燃气轮机油门控制流程进行梳理的基础上,对相关电气组件及其线路进行了大量静态测量,平时修理调试过程中积累下来的经验数据发挥了巨大作用,最后对箱装体周边重点部位的电气连接件进行了分解检查。2 系统简介2.1 推进装置概述某船采 用 双 轴 双 桨 柴 燃 交 替 使 用 联 合 推 进 装 置(C o m b i n e dD i e s e lO rG a s t u r b i n e-C O D O G)。双轴对称配置,所用设备完全相同或对称,主要包括以下设备:两台燃气轮机,安装在箱装体内,作为加速主机使用,通过高速联轴节与齿轮箱连接。两台柴油机,安装在箱装体内,作为巡航主机使用,通过液力偶合器和万向联轴节与齿轮箱连接。两套可调螺距螺旋桨(简称调距桨),通过轴系与齿轮箱连接。柴燃交替工作的含义是:柴油机带螺旋桨作巡航运动时,燃气轮机必须自动脱开;燃气轮机带螺旋桨作加速航行时,柴油机必须自动脱开。这种自动离合的切换是在轴系有一定转速和负载下进行的,即切换过程不影响当前工况。为此,在齿轮箱中,柴油机和燃气轮机的输入轴上装有同步自换挡离合器。2.2 燃气轮机转动轴、固定在轴上的转子、安装在转子上的动叶片构成转动部分;其它部件安装在机壳上是静止不动的。转动轴分成两段:燃气发生器和动力涡轮。两个转动部分没有机械联系,因此工作时转速是不同的。燃气发生器的功用是将新鲜空气压缩,喷油、点火燃烧产生具有一定能量的燃气,所以称为燃气发生器(G a sG e n e r a t o r G G)。G G生成的燃气在动力涡轮中膨胀做功,推动动力涡轮旋转,带动螺旋桨工作,它是输出动力的部件,所以称为动力涡轮(P o w e rT u r b i n e P T)。G G与P T装在同一箱装体中总称为燃气轮机(G a sT u r b i n e G T)。2.3 遥控系统该船的遥 控 系 统 称 为R C S-D O G(R e m o t eC o n t r o lS y s t e m-D i e s e lO rG a s t u r b i n e),可以用三种方式对主推进13DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0372 0 2 3年第8期装置进行控制:自动方式:这是R C S-D O G的基本操作方式,在这种方式下主推进装置由操纵手柄通过微机进行全自动控制。有主控权的手柄位置对应一个航速命令,微机接到车令后,根据当时主推进装置要求的工况(单轴或双轴工作、正常航行或低噪声航行、单手柄控制双轴或手柄只控制本轴、柴油机工作或燃气轮机工作等)执行车令。根据车令要求的航速查出在这种工况下应当用多大的轴转速和螺旋桨螺距相配合来满足车令要求,然后按要求的轴转速控制柴油机或燃气轮机改变转速,同时按螺距要求控制螺旋桨改变螺距。可见每种工况必须有一个相对应的轴转速和螺距与航速的关系曲线预先存入微机的存储器中供微机执行车令时查询,这种曲线称为该工况下的推进曲线。半自动方式:当自动控制故障时可选用半自动方式控制。这时通过按钮来控制主机加、减速和螺距的增减,操作时必须与显示仪表配合,达到规定的转速值和螺距值。任何时候都可转为半自动方式。机旁方式:这时对推进装置的每个部件都必须在机旁进行控制,分为柴油机机旁控制方式和燃气轮机机旁控制方式。3 故障现象自动控制方式下,舰船以柴油机方式推进,随后启动两舷燃气轮机,准备转换为燃机推进方式。左舷燃机启动程序完成后,以慢车转速空载运行,燃气发生器转速约5 0 0 0 r/m i n,动力涡轮转速约1 7 0 0 r/m i n,其它各项参数正常。自动同步离合器啮合后,燃气轮机带轴运行,燃油作动器实际位置出现漂移现象,燃气发生器转速与动力涡轮转速不稳,动力涡轮转速在1 9 0 0 r/m i n至2 5 0 0 r/m i n区间内无规律的变化。经过进一步观察发现,每一次燃气发生器转速的漂移,总是跟随动力涡轮转速漂移而出现。4 故障分析根据故障现象,燃气轮机油门位置和转速发生了实际变化,分析的思路是,按燃气轮机油门闭环控制的基本流程,从三个方面查找可能的故障原因。第一方面是指令,检查推进遥控系统是否向燃气轮机电子柜发送了稳定的油门指令,其中包括车钟手柄输出和R C S-D O G遥控站输出是否稳定;第二方面是执行,检查燃气轮机电子柜是否收到稳定的油门指令,油门指令经燃气轮机电子柜处理后,是否稳定输出至燃油作动器(P L A)去控制供油量,燃油作动器(P L A)是否能根据给定输入执行正确的动作;第三方面是反馈,检查燃油作动器(P L A)是否能正确反馈油门变化速率和当前油门位置,燃气发生器转速传感器和动力涡轮转速传感器是否能准确测得转速信号,转速信号是否能稳定无误的送入燃气轮机电子柜。4.1 指令4.1.1指令环节的流程大致如下:操纵车钟手柄时,通过电位器的阻值变化,将手柄位置信息传入推进遥控系统(R C S-D O G)内的模拟量输入板D L3-0 1。遥控系统根据船船当前航行工况,选定适用的推进曲线;根据当前手柄位置,计算得出所期望的燃气轮机油门指令值。油门指令值通过内部通讯总线传送至遥控系统板R C S5-0 1。R C S 5-0 1板将油门指令值从1 2位二进制数值的形式转换为4-2 0 mA电流输出,送至燃气轮机电子柜,从而遥控燃气轮机转速。4.1.2转速不稳故障发生后,分别使用不通操纵部位的车钟手柄对燃气轮机进行控制,故障现象未能消除,表明当前故障与车钟手柄本身无关。另外,在遥控系统(R C S-D O G)内,车钟手柄位置数据被同时用于柴油机调速、燃气轮机调速、调距桨桨角控制。由于燃气轮机发生转速不稳故障时,调距桨工作状态稳定,因此也可以表明车钟手柄输出状态正常。4.1.3故障发生的过程中,将遥控系统由自动方式转为半自动方式,意味着航速指令不再由手柄提供,而是由按钮来控制主机加、减速和螺距的增减。继续观察,故障现象依旧。由此可以初步判断故障与操纵手柄及其与遥控系统的连接无关。4.1.4借助专用人机对话装置,查看R C S5-0 1板中代表油门指令的1 2位二进制数值,结果发现数值稳定,但对应的输出电流,现场并不具备测量条件。因此尚不能排除油门指令电流值不稳的可能性。4.2 执行4.2.1执行环节的流程大致如下:遥控系统(R C S-D O G)输出的燃气轮机油门指令(4-2 0 mA),经过燃机电子柜4 5号航空插头(P L UG 4 5)接至燃气轮机监控板G TM1-0 1,现场不具备测量该电流值的条件。燃机电子柜对油门指令进行处理计算后,向燃油作动器(P L A)输出驱动信号,同时接收燃油作动器(P L A)提供的油门变化速率反馈信号和油门位置反馈信号。4.2.2燃油作动器(P L A)由三个主要部件组成:执行电动机、速率反馈发讯器、位置反馈电位器,三者联动。驱动电机、速率反馈发生器连接至功率控制板P CM1-0 1,位置反馈电位器连接至燃气轮机监控板G TM1-0 1。燃油作动器(P L A)电气原理如图1所示。图1 燃油作动器(P L A)电气原理图4.2.3燃