燃氣輪機渦輪出口溫度受感部故障分析與改進設(shè)計

閆久坤

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

燃氣輪機渦輪出口溫度受感部故障分析與改進設(shè)計

閆久坤

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

詳細介紹了某型燃氣輪機低壓渦輪出口溫度受感部設(shè)計、技術(shù)改進和隨機驗證等情況。通過對受感部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、故障、使用環(huán)境等進行分析，給出了影響受感部壽命的重要因素，并提出燃氣輪機長壽命受感部的改進設(shè)計方法。結(jié)果表明：改進設(shè)計的低壓渦輪出口受感部的使用壽命由原幾十小時延長至上萬小時。

燃氣輪機；渦輪出口溫度；測試；受感部設(shè)計；故障分析；使用壽命

0 引言

監(jiān)視渦輪出口溫度受感部的壽命和測試數(shù)據(jù)的可靠度是燃氣輪機正常運行的技術(shù)保證。某型燃氣輪機低壓渦輪出口安裝了8支受感部（以下稱T4*受感部），用于監(jiān)測該截面總溫，間接反映主機渦輪前溫度。T4*受感部一旦出現(xiàn)異常，燃氣輪機輕則遭受臨時報警停車和機械損傷，嚴重時將造成電網(wǎng)壅塞，并引發(fā)事故。因此，研制可適應(yīng)于長期監(jiān)測要求的長壽命T4*受感部是某型燃氣輪機的主要設(shè)計目標(biāo)之一，其技術(shù)難點在于達到受感部的熱電特性、機械特性等的長期穩(wěn)定性指標(biāo)。

首批裝機的T4*受感部在使用中先后出現(xiàn)偶絲斷開等故障，其壽命僅為幾十小時。經(jīng)模擬試驗和資料分析查明，發(fā)生該故障的主要原因是鎳鉻-鎳硅受感部存在“硫蝕”問題。采用鎧裝、變徑、受感部自成體系、冷端遠置等技術(shù)措施后，全新結(jié)構(gòu)的T4*受感部裝機應(yīng)用取得良好效果，在探針防腐、防爆、防濺射、耐高溫以及響應(yīng)等方面的性能和可靠性顯著提高。使用壽命延長至上萬小時，實現(xiàn)了長壽命T4*受感部的設(shè)計目標(biāo)。

1 原設(shè)計方案和故障現(xiàn)象

根據(jù)測溫范圍和測試精度等要求，選定感溫元件為鎳鉻-鎳硅K型熱電偶。受感部由感溫元件、外部殼體、安裝座、尾部引出線構(gòu)成，頭部采用帶罩開式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

按原方案設(shè)計加工的T4*受感部，大部分在使用一段時間后出現(xiàn)示值大幅跳動，使用中故障頻發(fā)；經(jīng)停車重新起動后可能恢復(fù)正常，但使用不久仍會出現(xiàn)同樣問題，直至最終失效。對熱電偶進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)通電阻不一致，有的導(dǎo)通電阻正常，有的為開路；此外沒發(fā)現(xiàn)任何異常。

2 故障分析與模擬試驗研究

2.1 初步故障分析和分解檢查

根據(jù)故障現(xiàn)象，初步分析T4*熱電偶故障主要是因其回路中存在斷點而引起的。一般斷點出現(xiàn)在溫度較高的測量端；然而，T4*熱電偶失效時，其外觀狀態(tài)正常，測量端完好，并未發(fā)現(xiàn)斷開或損壞痕跡。在對6支出現(xiàn)故障的熱電偶進行檢查時，其中的5支測量端連接牢固，僅有1支在測量端處損壞。對此，初步判斷熱電偶故障并非溫度過高所致。

為查明內(nèi)部故障點，對5支失效的熱電偶進行了分解剖析。結(jié)果表明，不論是否有導(dǎo)通電阻，熱電偶均在安裝座附近斷開（圖1中的A處），且均在熱電偶的負極。觀察斷開處，偶絲表面發(fā)黑，斷點處變尖，稍用力按，即可壓成粉末，如圖2所示。

根據(jù)斷點呈現(xiàn)的狀態(tài)以及熱電偶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和環(huán)境情況，受感部失效的原因排除了機械振動和偶絲質(zhì)量等問題，初步推斷可能是由化學(xué)腐蝕而引起。為此，對有關(guān)材料、燃氣環(huán)境和組合作用進行了試驗分析。

2.2 斷點處偶絲表面成分分析

據(jù)文獻[1]介紹，鎳基合金在含硫的氣體中很快會被腐蝕。而熱電偶偶絲材料是鎳鉻-鎳硅，正負極材料也均為鎳基合金。因此，需要確定在斷點周圍環(huán)境中是否存在硫元素。

（1）分析方法：截取偶絲試樣，采用能譜分析法對其表面成分進行分析。

（2）截取試樣：在發(fā)生故障的6支受感部測量端附近取樣，其中包括測量端損壞的試樣和完好測量端試樣；在斷點處取樣。

（3）分析結(jié)果：在斷點處、完好測量端、斷開測量端取樣的分析結(jié)果分別見表1～3。

表1 偶絲斷點附近表面成分 w%

表2 完好測量端表面成分w%

表3 燒斷測量端表面成分w%

根據(jù)上述結(jié)果，作出以下推斷：

（1）測量端斷開與氧化有關(guān)。從分析結(jié)果看，無論測量端是否燒斷，偶絲表面附著物中硫的質(zhì)量分數(shù)分別為0.12和3.35，均很低，而氧的質(zhì)量分數(shù)卻較高，分別為25.74和31.36。由此可以推斷，測量端斷開因氧化所致。

（2）偶絲內(nèi)部斷點與硫侵蝕有關(guān)。大多數(shù)在殼體內(nèi)部斷開的偶絲表面的化學(xué)成分中硫的質(zhì)量分數(shù)均較高，達到21.52，遠遠大于測量端附近的。因此，殼體內(nèi)偶絲斷點可能與硫的侵蝕有關(guān)。

2.3 硫元素來源試驗

硫元素主要來自受感部偶絲接觸到的周圍物質(zhì)，包括燃氣和熱電偶內(nèi)部材料，以及密封水泥和陶瓷。

模擬受感部內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)，進行硫元素來源試驗。

進行偶絲與密封水泥組合加溫試驗，以確定偶絲外的密封水泥在工作溫度下是否產(chǎn)生硫。模擬受感部內(nèi)部結(jié)構(gòu)制作試驗件，并將試驗件置于熱源內(nèi)加熱，加熱溫度參照受感部斷點處的環(huán)境溫度，保溫時間參照T4*受感部失效時的工作時數(shù)，分別為7、14、24和30h。

對試件剖開檢查，偶絲表面光滑,沒有顏色和材質(zhì)的變化，30h偶絲試件表面化學(xué)成分分析結(jié)果見表4。

表4 偶絲表面成分分析結(jié)果 w%

從表4中可見，其化學(xué)成分與測量端燒斷的偶絲表面成分相近，但沒有硫，表明密封水泥在加熱環(huán)境下不會產(chǎn)生硫。

（2）進行偶絲與陶瓷管組合加溫試驗，以確定陶瓷加熱是否產(chǎn)生硫。用試驗件偶絲直接接觸陶瓷管，試驗方法同（1）。試驗結(jié)果表明，偶絲表面未發(fā)現(xiàn)硫的成分，分析結(jié)果見表5。說明陶瓷管加熱也不會產(chǎn)生硫。

表5 偶絲表面成分分析結(jié)果 w%

上述2項試驗表明，受感部內(nèi)部材料在其工作溫度下不會產(chǎn)生硫元素。因此，其材料不會引起偶絲發(fā)生硫腐蝕。由此斷定，硫主要來自于燃氣。通過上述試驗還可得到1點啟示，即在沒有硫的作用時，鎳鉻-鎳硅偶絲在650℃左右不會失效，且狀態(tài)良好。為了證實這一結(jié)論，進行了偶絲在天然氣火焰上的加溫試驗。加溫后，偶絲表面發(fā)黑，但沒有變軟、變粉的現(xiàn)象，且偶絲狀態(tài)良好。表面成分分析結(jié)果表明：Φ0.3、Φ1的偶絲表面硫的質(zhì)量分數(shù)分別為0.57和0.13，幾乎為零。而氧的質(zhì)量分數(shù)，在偶絲斷點處、Φ0.3、Φ1的偶絲表面分別為14.48、11.13和18.30，與現(xiàn)場用過的受感部斷點處的相近。

上述試驗表明，鎳鉻-鎳硅受感部在不含硫的天然氣環(huán)境中，即使氧的質(zhì)量分數(shù)較高，也可承受900℃的高溫，從而不會因氧化被損壞。該試驗結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 熱電偶斷點處環(huán)境溫度測量

在燃氣輪機處于基本負荷狀態(tài)下，測量熱電偶斷點處的溫度，測量位置如圖3所示。測量結(jié)果表明，T4*受感部測量端溫度基本為650～750℃。受感部周向位置編號如圖4所示。工作狀態(tài)下各受感部測量端溫度見表6。

2.5 鎳鉻-鎳硅受感部的硫蝕問題

該型燃氣輪機使用的燃料為天然氣，其中含有硫雜質(zhì)，雖經(jīng)脫硫處理，但仍有殘余的硫存在。尤其在650～800℃的溫度區(qū)域內(nèi)，該電偶的負極容易出現(xiàn)嚴重的晶間腐蝕，導(dǎo)致脆斷，即所謂的硫蝕。

表6 8支T4＊受感部測量端溫度 ℃

2.6 分析結(jié)果

（1）T4*受感部內(nèi)部材料不會產(chǎn)生硫元素。

（2）在不含硫的氧化性環(huán)境中，即使是絲徑較細的偶絲最高使用溫度也可達到900℃以上。所以，在600℃左右可長期使用，不會出現(xiàn)短期失效。

（3）T4*受感部測量端斷開是由硫的腐蝕而引起的。

3 T4*受感部改進設(shè)計

3.1 主要技術(shù)措施

T4*受感部的改進設(shè)計主要目標(biāo)是提高可靠性和使用壽命。對于受感部前部防腐、耐溫的技術(shù)關(guān)鍵問題，既要有足夠的時間響應(yīng)，又要保證具有良好的可靠性。對此采取以下具體技術(shù)措施：

（1）將頭部做成閉式結(jié)構(gòu)。這一措施即可以解決熱電偶的防腐蝕，又可以提高頭部的機械強度，同時提高受感部的可靠性。

（2）采用變徑設(shè)計。在測量端采用較細的鎧偶形式，引線部分直徑變粗。這樣可以滿足時間響應(yīng)。

（3）冷端遠置。將鎧裝結(jié)構(gòu)引至常溫環(huán)境，以提高受感部尾部引線和接線端的可靠性。

3.2 改進設(shè)計

（1）氣動設(shè)計。用于燃氣輪機、發(fā)動機測試的受感部，一般處于氣流中，主要受氣動力（氣動阻力）的作用。氣動設(shè)計主要包括強度設(shè)計和剛性設(shè)計。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)氣動設(shè)計結(jié)果及使用技術(shù)要求，改進后的受感部主要由變直徑鎧裝頭部、尾部和安裝構(gòu)件組成；根據(jù)測溫范圍選擇鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）偶絲作為感溫元件；受感部殼體材料為高溫合金，密封和絕緣材料具有良好的物理化學(xué)性能；受感部與安裝座采用分體結(jié)構(gòu)，便于維修和更換；尾部鎧裝結(jié)構(gòu)直接與臺架接線端相接。

4 裝機驗證

4.1 安裝情況

改進后的T4*受感部如圖5所示。在測試截面周向安裝了8支受感部，其尾部借助燃氣輪機機匣安裝邊環(huán)形固定1周，如圖6所示。

4.2 改進效果

（1）結(jié)構(gòu)簡單。改進后的受感部結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量大為減少；尾部結(jié)構(gòu)大為簡化；用簡單有效的封裝工藝代替了原來的復(fù)雜工藝；尾部的支撐形式得到簡化，為現(xiàn)場維護提供方便。

（2）可靠性顯著提高,壽命明顯延長。鎧裝形式有效地起到了防止有害物質(zhì)進入受感部內(nèi)部的作用，避免了腐蝕的發(fā)生，受感部的可靠性大大提高，壽命明顯延長。由于插入氣流部分的受感部殼體采用封頭結(jié)構(gòu)，使得支桿與測量端的機械強度得到改善，受感部的核心部件——測量端及偶絲的使用壽命延長，可靠性也大為提高。改進后尾部的耐溫上限由原來的260℃提高到700～800℃，使得整支受感部的耐高溫性能和可靠性顯著提高。結(jié)構(gòu)及封裝工藝的改進，提高了受感部抗潮濕能力，減小了由于吸潮所帶來的附加測量誤差，使受感部的性能進一步提高，使用可靠性大為提高。

（3）滿足響應(yīng)要求。對改進后的T4*受感部進行了時間響應(yīng)試驗。改進前、后2種受感部的響應(yīng)時間曲線如圖7所示。結(jié)果表明，受感部改進后的響應(yīng)比改進前的稍快，說明改進后的受感部可滿足時間相應(yīng)要求。

（4）制造成本降低。改進后的T4*受感部結(jié)構(gòu)大為簡化，生產(chǎn)加工工時減少，原材料費用大幅下降。與改進前的成本相比，其成本降低近50%。

（5）外部布局合理規(guī)范。改進前，受感部安裝復(fù)雜，每支受感部尾部單獨設(shè)立支架支撐，引線凌亂，如圖8所示；改進后，安裝簡單，8支受感部尾部借助燃氣輪機機匣安裝邊環(huán)形1周固定，布局規(guī)范（圖6）。

（6）使用壽命延長。如前所述，改進后的受感部已隨燃氣輪機累計運行了10000h以上，與原受感部相比，其使用壽命延長幾百倍。

5 結(jié)束語

使用天然氣作為燃料的燃氣輪機的受感部設(shè)計應(yīng)注意防腐，鎳鉻—鎳硅熱電偶應(yīng)注意“硫蝕”問題。

本文介紹的受感部設(shè)計技術(shù)可廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機受感部設(shè)計，并可用于腐蝕環(huán)境下的長壽命受感部設(shè)計。

[1]西北工業(yè)大學(xué).航空發(fā)動機氣動參數(shù)測量[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980.

[2]王魁漢.溫度測量實用技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

Failure Analysis and Improved Design of Turbine Outlet Temperature Probe for Gas Turbine

YAN Jiu-kun
（AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China）

The design,technology improvement and random validation of the LPT outlet temperature probe for a gas turbine were introduced in detail.The key factor that affect the probe life was obtained by analyzing the internal structure,failure and ambient,et al.The improved design method of long life probe for gas turbine was proposed.The results show that the life of LPT outlet probe can be improved from dozens of hours to about ten thousand hours.

gas turbine;turbine outlet temperature;test;probe design；failure analysis;life

閆久坤（1957），女，自然科學(xué)研究員，從事航空發(fā)動機氣動參數(shù)測試工作。