防止某型号燃气轮机叶片断裂的措施

防止某型号燃气轮机叶片断裂的措施

一概述

燃气轮机发电机机组具有起、停快,负荷调节灵活,为电网提供电源和调峰.MS6001B型燃气轮机发电机组在我国燃机电厂中是比较多类型机组,由于新设备技术新,没有足够的运行、维护检修经验和相应的技术措施,在燃气轮机运行中,曾经发生了一些非正常故障和叶片断裂事件,增加了机组的运营成本,也影响了企业的经济效益和社会效益.

透平动叶是燃气轮机的重要部件,引起透平动叶断裂的主要因素有:

(1)可调进气导向叶片(IGV)卡涩,转动失灵,造成压气机喘振;致使透平动叶断裂.

(2)透平叶片因腐蚀,蠕变产生的断裂.

二压气机进气导向叶片(IGV) 的合理间隙

燃气轮机在运行过程中, IGV叶片是以燃机的转速信号和透平排气温度为控制基准，由电液伺服阀控制其开度，最小开度为32°,最大开度84°, IGV 叶片在此范围内连续可调. 叶片在燃汽轮机起停机等低转速过程中是防止压气机喘振的重要机构之一.

燃气轮机在低速运行时,空气容积流量低,压气机前12级容易发生气流旋转脱离现象,进一步发展会形成喘振,其表现为压气机空气流量、压力出现脉动,时高时低,严重时出现压气机气流倒流的现象,同时还会发生低频的怒吼声,机组伴随强烈的震动.由于叶片受到变速的强烈振动,易产生疲劳甚至共振断裂,造成机组灾难性的事故.因此, IGV叶片的安全可靠性,对于燃气轮机至关重要.而IGV叶片的安全可靠性主要取决于其是否卡涩；转动是否失灵，叶顶与进气内缸的间隙、叶根与进气外缸间隙是否超过规范，详见图1、图2。

机组在经过多次起停、水洗等过程后，叶片叶根转轴的铜质垫片A可能会产生腐蚀或锈蚀，尤其是在燃机水洗时，带有污垢的水可能会残留在叶根转轴的台阶孔和垫片A之间，这种残留物会导致垫片A锈蚀变形，进而导致IGV叶片沿转轴孔向叶顶径向移动，于是，叶片叶顶与进气内缸的间隙X1变小。通常该情况主要表现在进气缸的下半缸，因为下半缸中叶根转轴的台阶孔和垫片A之间的间隙容易残留水洗时带来的污垢。（图3）

与此同时，下半缸内缸叶顶转轴石墨衬套的松动，在重力的作用下，向下径向移动，使得叶片叶顶与进气内缸的间隙X1变小更成为可能，严重时，IGV叶片叶顶切入到石墨衬套，石墨衬套破损，叶片发生卡涩，使叶片转动失灵，叶片甚至翘曲变形或断裂，严重影响机组运行的安全性。某电厂就因石墨衬套脱落被IGV叶片切成碎片吸入压气机，酿成压气机叶片外物损坏（FOD）的严重事件。

三透平动叶膨胀间隙的要求

由于燃气轮机透平转子在高温高压燃气的环境中运行，透平动叶必定产生一些膨胀，即透平动叶叶根部分在冷态下（停机状态）需保留一定的间隙（如表1），才能是透平叶片在高温状态下运行时膨胀后处于正常的工作状态。透平一、二、

三级动叶的长柄叶根和二三级叶片叶冠的间隙如图4所示。

表1 透平动叶的叶根和叶冠间隙规范

动叶的级数位置间隙规范(mm)

一级动叶叶根 0.20~0.30

二级动叶叶根 0.30~0.50

叶冠 Dmin=2.10;Emin=1.00

三级动叶叶根 0.30~0.50

叶冠 Dmin=4.66;Emin=1.75

在实际使用中，燃气轮机的第一、第二级动叶叶身内部都有径向冷却空气孔，防止运行时高温燃气（1090°C）对动叶的烧蚀和使动叶发生蠕变变形。旧型的一级动叶叶身内部设计了12个光滑冷却空气孔，而该进型一级动叶则设计了16个冷却空气孔（3个光滑孔，13个喘流孔），且沿叶片外缘呈二排分布（如图5），这样增加了气流在冷却空气孔内的摩擦、传热面积和滞留时间，显著提高了径向冷却孔的传热性能，更加降低了使叶身镍基合金基材的温度；二级动叶因遭受的燃气温度相对一级动叶要低一些，冷却空气孔的数量要少些。旧型的二级动叶叶身内部设计了4个光滑冷却空气孔，而改进型的二级动叶则设计了7个冷却空气孔（2个光滑孔，5个喘流孔），同样也提高了径向冷却孔的传热性能，降低了叶身镍基合金基材的温度。

燃气轮机转子经过长期高温运行后，一些氧化物、积垢或积炭等会沉积在动叶的长柄叶根和“Z”型叶冠的间隙处，堵塞部分冷却空气孔，特别是燃烧重油燃料后，积垢更甚，这些积垢什物沉积在间隙中会严重影响透平动叶在运行过程中的不正常膨胀，使叶片产生应力；部分冷却空气孔堵塞降低了冷却效果，这些因素形成了事故的隐患。

四透平动叶的寿命评估

透平动叶状况的好坏及蠕变变形直接关系到燃机运行的经济性和安全可靠性，动叶状况取决于所选用的燃料和运行方式，其当量运行小时和实际运行小时的关系如下：

t = a1n1+a2n2+ft1

t为当量运行小时；

a1为10，起动因子；

n1为起动次数；

a2为10，跳闸因子；

n2为跳闸次数；

f = 1(天然气)；1.5（轻柴油）；2.0~3.0(重油)，燃料因子；

t1＝基本负荷运行小时。

在运行中，对于 MS6001B型燃气轮机而言，动叶的实际使用寿命还受到叶片的制造工艺与结构、燃料品质、运行环境（如海边）、运行方式、透平的进口温度T3、燃烧温度场的均匀度、外物损伤、振动应力等诸多因素的影响，动叶的实际使用寿命一般难以达到原制造商（OEM）给定的推荐使用寿命。对于动力的使用寿命一般是难以准确估算的，尤其第一级动叶更是如此，但是对于第二级、第三级动叶一般则可以通过动叶叶冠的高差变化速率来大致估算其残余使用寿命（如图6）。

透平动叶在长期经过高温高压运行后,同级叶片会沿叶高方向产生不尽相同的增长现象,明显表现为动叶叶冠之间高低参差不齐.这是因为转子经过多次起停运行,叶片材料遭受高温高速的气流冲刷和急剧变化的热应力冲击的影响,同时各叶片材料的抗蠕变性、延伸性等物理特性又各不相同,因此造成了相邻两个叶片叶冠之间的高差现象,透平叶片的蠕变曲线如图7.

根据透平动叶的蠕变曲线可知,透平动叶受工作现场各种因素的影响,蠕变初始阶段在短时间内发生(约0~4000h)在此阶段后期叶片开始出现高差;紧随发生二重蠕变,以固定的速度缓慢进行(约4000~48000h);三重蠕变表现为蠕变速率加快,如果材料的应力超过其破裂延伸性,叶片开始出现裂纹,最终导致叶片失效断裂.

从图6可知,其中Tk为叶片的叶冠温度,S为两个相邻叶片之间的高度差,E为两个相邻叶片高差变化的最小允许差值(约 1.27mm),则说明该叶片到期了(理论寿命为48000h).根据公式E=Tk-S,E值越小,则该叶片的使用寿命越长.

因此,作为燃机用户,为了确保设备的安全可靠性,在透平动叶的二重蠕变阶段,必须用孔探仪定期检查第二、三级动叶的叶冠错位程度,避免叶片三重蠕变阶段仍在运行.根据我们的经验,E值若小于Tk的50%,则该级叶片的使用寿命已远远超过该级叶片的理论使用寿命(48000h)的一半,此时就需对该级叶片的运行密切关注,以避免事故的发生.