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LM2500舰用燃气轮机使用维修特点分析及启示

2017-7-2 19:10| 发布者: admin| 查看: 71| 评论: 0

摘要: 分析LM2500舰用燃气轮机使用和维修特点,提出我国舰用燃气轮机使用和维修体系建设意见。

当前舰用燃气轮机已经成为我海军水面舰艇动力的核心,可以预见,2020年前海军舰用燃气轮机的装备数量将出现阶跃式增长,届时随着燃气轮机装备数量增多,对燃气轮机的维修需求也将更为急迫,特别是当前我国舰用燃气轮机使用经验还不足、可靠性水平还不高的情况下,尤其如此。因此应该充分分析借鉴国外舰用燃气轮机成熟的使用维护经验,促进我国舰用燃气轮机有效使用和维修保养。


LM2500是美国GE公司研制的一型航改舰用燃气轮机,自20世纪70年代装备美国海军后,到目前为止,已有700余台LM2500发动机在美国海军170余艘各类舰船中使用。在全世界范围内,LM2500被用于30多个国家海军的推进系统,目前,总计已有2500余台LM2500系列发动机用于船用和工业应用。LM2500舰用燃气轮机作为美国第一型广泛装备的燃气轮机,对其使用特点的认识及维修策略也几经变化,因此,分析LM2500舰用燃气轮机的使用特点和维修策略,对于我海军舰用燃气轮机的使用和发展具有重要的借鉴意义。


1 LM2500舰用燃气轮机的使用及维修特点分析

自20世纪70年代LM2500舰用燃气轮机首次批量装备“斯普鲁恩斯”驱逐舰佩里”级护卫舰以来,美国海军对大功率航改舰用燃气轮机的使用经验从无到有,对舰用燃气轮机使用特点和规律的认识逐步深人。总体来看,LM2500舰用燃气轮机的使用及修理特点主要包括以下几方面:


1)低工况使用时间长、变工况频繁。LM2500舰用燃气轮机是全工况机组,美海军采用每船2台或4台的布置,与之前认为燃气轮机大多要运行在高工况相比,LM2500舰用燃气轮机50%以上的服役期都运行在16000马力功率以下,低工况使用时间长;由于舰船机动性要求导致工况变化多,平均每4个运行小时就要变工况一次,与工业机组及航空发动机相比变工况更加频繁。这种低工况下的多变工况给LM2500舰用燃气轮机带来了之前没有预料到的磨损特点,这些磨损显著影响了该燃气轮机的可靠性。


2)振动超标成为影响该燃气轮机可靠性的重要因素。80年代中后期,美海军发现LM2500燃气轮机陆续出现了比较严重的振动问题,经评估分析,这些振动会严重影响该燃气轮机的可靠性,将使燃气轮机的大修寿命从约30000h降低到约10000h。其主要原因LM2500燃气轮机是从CF6-6及TF39等航空发动机改型而来,其核心设计理念是重量轻、功率大,相应的在设计方面会减少主轴承数量以及采用轻量化的转子和结构件等,这会导致特有的振动问题。


30年来,GE公司及美国海军为降低LM2500燃气轮机振动做了大量工作,尽管如此,一些服役时间较长燃气轮机的振动问题仍不能得到有效解决,而且新加人的振动监控系统由于缺少充分的试验验证,导致频繁出现误报警和停机。


3)采取积极稳妥的平均出舱时间(MeantimeBetweenRemoval,MTBR)增长策略。MTBR是影响燃气轮机使用可靠性和维修经济性的重要指标,表征舰员级维修无法解决、必须出舱维修的故障间隔时间。美海军对LM2500燃气轮机MTBR的增长采用了积极稳妥的策略,主要是首先设定一个比较现实的初始值,然后根据实际使用情况和燃气轮机改进情况逐步提高这一指标,在LM2500初始装备斯普鲁恩斯级驱逐舰及佩里的护卫舰时,其MTBR的预期值为6000h,在使用过程中通过定期内窥镜检查确保燃气轮机状态良好的前提下,逐步提高了这一指标。目前根据统计,燃气轮机发生器的MTBR已经达到约24000h,动力涡轮MTBR已经达到约28000h。


4)强化数据收集分析,充分了解燃气轮机故障分布特点。美军非常重视对LM2500燃气轮机出舱故障原因的整理和分析。总体来看,根据统计,从1975〜1989年,燃气发生器MBTR为约9000h,出舱故障次数由多到少依次是压气机喘振及损坏、振动超标、燃滑油泄漏、轴承故障以及高压涡轮叶片故障等;从1990~1999年,燃气发生器MTBR为约21000h,出舱故障次数由多到少依次是燃滑油泄漏、压气机喘振及损坏、指令性出舱维修、高压涡轮叶片失效、振动超标以及高压涡轮性能退化等;从2000〜2010年,燃气发生器MTBR约为33000h,出舱故障次数由多到少依次是振动超标、压气机喘振及损坏、燃滑油泄漏、高压涡轮性能退化、燃烧室损坏、高压涡轮叶片损坏等。动力涡轮出舱的原因与燃气发生器不同,从1975~1989年,动力涡轮MBTR为约11000h,出舱故障次数由多到少依次是动叶片Z型叶冠接触面磨损、静叶片导槽磨损等;从1990〜1999年,动力涡轮MB-TR为约23000h,出舱故障次数由多到少依次是静叶片导槽磨损、指令性维修、叶面损伤、叶冠接触面模块等;从2000~2010年,动力涡轮MBTR为约34000h,出舱故障次数由多到少依次是静叶片导槽磨损、指令性维修、叶面损伤、叶冠接触面模块等。


5)针对故障问题,实施专项升级计划。美军针对LM2500燃气轮机使用中出现的问题,通过设立部件提高专项推出部件升级套件解决存在的问题,比如早期轴承为易损坏部件,通过部件提高项目极大提高了轴承的可靠性。从20世纪70年代算起,共有近400台LM2500燃气轮机采用了这种升级套件,主要包括振动监测系统升级、可转导叶臂升级、润滑油管升级、机载润滑油供油及抽取油泵升级、可转导叶控制规律的修改等。


2 LM2500舰用燃气轮机的维修策略分析

由于LM2500舰用燃气轮机出舱维修时间长、代价大,因此其维修策略也几经调整,主要如下:

1)从定期维修到视情维修。在LM2500舰用燃气轮机装备初期,由于机器不是很成熟,所以会经常出现轴承损坏、叶片断裂等重大故障,所以,初期采用定期维修策略,即到了规定的维修时间,无论燃气轮机是否有故障,都要出舱拆解大修;后期随着LM2500燃气轮机逐步成熟,出现重大故障的几率大幅下降,此时定期维修不经济、代价大的缺点凸显,因此逐步改为采用视情维修策略,即出现故障后再修,鉴于LM2500在美舰艇上每船2台或4台的配置方案,即使1台燃气轮机出现问题,不会影响全局,所以这种维修策略经济可行。


2)从部分维修到标准维修。为了降低费用,前期LM2500燃气轮机维修策略是只修理故障件,但是美海军通过后续使用情况分析发现,那些不在维修范围内的部件性能和可靠性等在该燃气轮机其他部件修理后出现剧烈下降,因此,美海军在20世纪90年代中期提出并执行了一套标准维修程序'即所有LM2500燃气轮机的出舱维修均按该程序执行。为验证这套标准修理程序的效果,美海军对采用标准维修程序的GGA-180号LM2500燃气轮机和采用部分维修的GGA-541号LM2500燃气轮机性能情况进行了对比分析,结果发现,GGA-180所有指标均达到或超过了美海军的大修指标要求,而GGA-541仅输出功率满足维修要求,点火报警温度和燃油流量等重要指标均不满足要求,GGA180的修理费用仅比GGA-541高13.4%。


从实际效果看,采用这套标准程序后,LM2500燃气轮机的MTBF每年能以10%的增速递增,而且由于修理范围已事先确定,修理的周期、费用、效率等均得到了有效控制,出舱维修周期从275d压缩到平均133d。


3)从更换策略到延寿策略。高压涡轮叶片因结构复杂、工作环境恶劣,20世纪90年代前,LM2500燃气轮机的高压涡轮叶片是每次出舱大修时整体换装新的叶片,效费比较差。从20世纪90年代早期,美海军开始研究通过采用热障涂层重新涂装这些高压涡轮叶片从而继续使用的可能性,并开展了大量的涂层对比试验研究和跟踪,从而初步确定了涂层的类型,从1999年开始,在LM2500燃气轮机出舱维修中推行这一维修策略,显著提高了维修的经济性。


4)出舱维修与在舰维修并重。美海军对LM2500燃气轮机虽然通过采用标准修理程序,大大提升了修理整体效果,但是出舱维修的费用仍然非常高昂,尤其随着燃气轮机使用时间增长,振动超标成为出舱维修的主要原因,美海军提出了一套在舰的配重调整平衡方法,通过加装配重,实现转子平衡解决振动超标问题;还针对占出舱维修原因较大比重的压气机叶片损坏问题,提出了在舰更换损伤压气机叶片的方法;并通过加载ICAS和LEMS等数据采集和存储系统加强对LM2500燃气轮机的远程振动监控,避免振动问题的进一步恶化。


3 启示与建议

舰用燃气轮机是高技术产品,维修周期长,费用高昂,国内经验少,基础差。当前,随着我海军对舰用燃气轮机装备需求的阶跃式增长,对燃气轮机修理能力需求也必然会随之增长,当前采用返厂修理的这种方式,必然导致生产和修理交叉,可以预见,修理资源紧张将成为制约我舰用燃气轮机后续使用的重要因素,因此,应当对燃气轮机的维修问题高度重视,提前谋划,提前启动维修的软硬件建设,避免临时抱佛脚,影响舰船装备的作战使用。通过分析美国LM2500燃气轮机的使用和维修经验,对我国舰用燃气轮机的维修和使用提出如下建议:


1)加快推进舰用燃气轮机区域修理能力的建设。目前采用舰用燃气轮机返厂维修时间长、代价大,随着燃气轮机维修需求的增长,应该针对燃气轮机的主要使用方向,依托现有修理条件,加快燃气轮机区域修理能力建设,培养专业维修队伍,燃气轮机按照就近原则进厂维修。


2)合理确定燃气轮机出舱时间。应该根据我国现有燃气轮机的实际使用情况,估算一个相对合理的MTBR时间,经实际使用充分验证后,再逐步提高该指标;在具体维修策略上,前期可采用定期出舱维修策略,当燃气轮机逐步成熟可靠性提高后,再采用视情维修策略。


3)系统全面地开展燃气轮机数据收集和分析。目前燃气轮机使用数据缺少有效的收集手段,建议加装在线数据采集和诊断系统,实时收集燃气轮机的运行数据,加强运行数据分析,预判可能出现的故障;燃气轮机维修数据目前主要散落在相关设备供应商手中,建议建立统一的数据中心,收集、管理、分析设备的维修数据,支撑后续维修工作。


4)具体分析燃气轮机使用特点,加强典型工况的试验考核。针对燃气轮机的不同应用场合,分析其使用特点,理清需要重点考核的工况,在研制阶段或改进提高阶段,重点开展相应工况的考核试验,充分暴露问题,并采取措施提高其可靠性。


5)结合燃气轮机改进提高项目,持续开展部组件的改进提高。根据燃气轮机使用过程中暴露的问题,持续不断地开展部组件的改进提高,不断提高燃气轮机的整体性能水平,对于影响燃气轮机的可靠性的重大问题,开展专项攻关,从根本上提高燃气轮机的可靠性。



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