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航改型燃气轮机失稳问题 燃气轮机是一种将热能转换成机械能的旋转设备。航改型燃气轮机广泛应用于石油天然气行业，如燃烧天然气，驱动压缩机为管道天然气的传输加压；燃烧燃油或天然气，驱动发电机发电；还可以燃烧燃料作为动力，取代电动机驱动泵等被驱动机械，传输工艺介质等。其它工业也有应用，如用于大型轮船的动力。航改型燃气轮机的特点是高温、高压比，将航空发动机技术特别是最新冶金技术应用于现代工业，其效率可以高达 40%，可以连续运行。与重型陆地燃机不同，航改机的转子相对而言重转子、轻缸体，其转子的刚性较大，由轴流空气压缩机、燃烧室、动力透平等部分组成。不同厂家或者不同型号的燃机，结构相差可能很大。 一台新安装的燃气轮机，存在接近半倍频的疑似失稳、振动大的问题。该失稳现象会莫名其妙地出现和消失，没有任何逻辑、规律可循。基本工艺流程是燃油在燃烧室与由轴流空气压缩机压缩而来的空气点燃、燃烧。然后，燃烧产生的热膨胀气体通过一个2级动力涡轮机产生机械能，驱动燃机后面的负荷即压缩机工作。动力涡轮之前的部分称为气体发生器（GG）。动力透平部分简写为PT。燃机实物照片如图 1 所示。
图1，燃机转子照片 在空气压缩机最后一级叶轮后面有一圈径向孔，部分空气通过这些孔流入中空转子空腔，通过转子轴颈与轮毂间的间隙，最后从动力透平涡轮盘排出，对整个转子包括支承轴承、密封等处起到冷却作用。这个设计很重要，但即使有这个冷却设计，燃烧后的高温气体还是会导致轴承处轴颈的径向直径膨胀约5 mils，对转子的稳定性有很大的影响。 本案例是使用模态分析方法，并不是说常规的振动数据分析不合适，模态分析从来就不容易。构建这台机器的有限元模型非常复杂。如果仅对转子进行简单建模，则计算出的不平衡响应与实测的振动差别很大，也没有计算到转子的不稳定性。 因为航改机的壳体及其支撑结构相对于转子来说比较轻，因此根据其实际重量和刚度创建了一个如图2所示的分析模型。转子为多段式结构，中心转子起到惯通螺栓作用将各段固定在一起。壳体环绕转子。图中转子和缸体之间的有两个轴承，如图中从左到右的第1、4弹簧所在位置。其它弹簧是缸体与地面的支撑，密封位置也有表达。
图2，燃机转子、壳体模态分析模型 流体诱导失稳可以发生在滑动轴承内部的油膜涡动/振荡，本航改机的轴承就是滑动轴承；也有可能发生的位置是密封处的密封气涡动/振荡，特别是长密封，上图中的第2、3弹簧间就有一段这样的长密封。它的作用类似于滑动轴承，可能产生失稳。另外，动力透平的叶顶与缸体间也有可能产生流体失稳，因此在第二级叶片的转子处增加了对应的单元。 现场测试一组停机瞬态数据，数据来源于安装在燃机内部的压缩机和动力透平间的轴承处（2号轴承）的涡流传感器，图3是其Bode图。
图3，2号轴承水平方向探头测得的补偿后的1X振动矢量Bode图（停机阶段） 上图可以看到比较明显的两阶临界转速，第一阶临界转速大约 5500 RPM，第二阶临界转速大约 8000 RPM。 计算模型的正确与否，可以比较计算模型和实测数据的Bode图，看共振频率是否相近。 计算模型的Bode图如下图4所示。
图4，2号轴承处同步响应的计算Bode图 两者比较吻合，验证了模型的正确性。 但本案例的问题是失稳，再看看实测数据的级联图。如下图5所示。
图5，2号轴承处位移传感器测得的启机过程的级联图 图中很多组有意思的频率分量，但最重要的是当转速在10000RPM后出现的次同步接近0.5X的频率分量。这个分量的频率接近5500 rpm，即转子的第一阶临界转速。需要确认这个频率是否是精确的0.5X，以区分是流体诱导失稳还是摩擦所致。时域波形可以帮助我们识别。图6是在2号轴承处测得的Orbit图。
图6，2号轴承处的通频Orbit图 图中可以看到在10.3K rpm时出现次谐波，两张10.3K rpm转速下的Orbit图的键相位置不重合，说明失稳是存在的。当然方形Orbit说明可能存在轻摩擦，但大多数的失稳案例表明这样形状的Orbit图很少被证明实际存在摩擦，也就是说应该怀疑的是失稳。 失稳的位置通常来说是滑动轴承的油膜涡动/振荡，而消除其失稳最容易、也是最根本的办法是重新设计更合适的轴承。利用转子动力学模态分析技术的好处是模态参数修改的灵活性，以及计算机预测可能的效果。可倾瓦虽然能很好地消除油膜失稳问题，但原装轴承为三油楔轴承，而可倾瓦的轴承都比较厚，在不改变轴承箱的前提下，没法考虑可倾瓦。通过比较，满足特定几何参数要求，可能提高稳定性的轴承是压力坝轴承，考虑到2号轴承处转子会径向热膨胀5 mils，新轴承的顶隙必须至少11 mils。 比较了三种轴承，包括原装的三油槽轴承、改进的三油槽单压力坝轴承、改进的三油槽双压力坝轴承的稳定性。结果如图7所示。
图7，三种轴承的稳定性比较。 如前所述，直径间隙至少需要11 mils，原轴承在不稳定区，单压力坝轴承的稳定裕度很小，双压力坝比较理想。 选择新的三油槽、2压力坝轴承后，实测的启机级联图如下图8所示。从图中可以看到，几乎没有次同步振动分量。
图8，燃机2号轴承采用新轴承后启机振动级联图 改造后，机组迄今运行了近一年，振动问题消失。 |
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