燃氣輪機動力渦輪熱負荷機械運轉(zhuǎn)試驗方法

張三多，劉京春，王兆豐

(西安航空發(fā)動機(集團)有限公司，陜西西安710021)

燃氣輪機動力渦輪熱負荷機械運轉(zhuǎn)試驗方法

張三多，劉京春，王兆豐

(西安航空發(fā)動機(集團)有限公司，陜西西安710021)

闡述了利用工廠動力設(shè)備，在非專用試驗車臺上，進行兆瓦級大功率工業(yè)燃氣輪機動力渦輪工廠檢驗性試車的方法。采用空氣管路連接動力渦輪進氣口與排氣口，構(gòu)成密閉閉環(huán)回路，利用電動機驅(qū)動動力渦輪運轉(zhuǎn)，渦輪葉片攪動空氣使其升溫，實現(xiàn)了熱態(tài)空負荷機械運轉(zhuǎn)的試驗狀態(tài)，達到了在額定工作轉(zhuǎn)速下進行機械磨合運轉(zhuǎn)試驗，和在一定溫度下對動力渦輪進行熱態(tài)檢驗試驗的目的。本方法對其他型號動力渦輪試車具有重要參考價值。

工業(yè)燃氣輪機；動力渦輪；機械運轉(zhuǎn)；熱態(tài)試車；空負荷試驗

1 引言

工業(yè)燃氣輪機機組制造中，檢驗性試車必不可少[1，2]。燃氣輪機主機都在專用試車臺上進行，但專用試車臺投資大、建設(shè)周期長，對試制型號或無批量型號的動力渦輪來說，建設(shè)專用車臺不可取。風機生產(chǎn)廠商，為了試驗壓縮機等設(shè)備，建有大功率、可調(diào)速的拖轉(zhuǎn)試驗臺，若能充分利用這些現(xiàn)有設(shè)備，做些小改動、小配套，實現(xiàn)兆瓦級大功率工業(yè)燃氣輪機的動力渦輪工廠檢驗性試車，不失為一種經(jīng)濟、有效的方法。本研究在已有驅(qū)動裝置(異步電機、液力耦合器、增速箱等)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整液力耦合器的耦合度來調(diào)整動力渦輪的試驗轉(zhuǎn)速，在動力渦輪上通過空氣管路連接，構(gòu)成密閉回路閉環(huán)，用電動機驅(qū)動動力渦輪運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)熱態(tài)空負荷機械運轉(zhuǎn)試驗。

2 試驗目的與要求

本試驗為閉式熱態(tài)空負荷機械運轉(zhuǎn)試驗，是工廠檢驗性試車。試驗目的為：①對動力渦輪進行工作轉(zhuǎn)速下的機械磨合運轉(zhuǎn)試驗；②對動力渦輪進行機械振動監(jiān)測，了解其振動特性(由于計算無法確定實際機匣的支撐剛度[3]，臨界轉(zhuǎn)速只能通過試驗獲得)；③測量軸承腔的潤滑油進油溫度、進油壓力、回油溫度、回油壓力、滑油流量，檢測與掌握滑油系統(tǒng)的工作情況；④測量并記錄封嚴壓縮空氣的溫度、壓力；⑤檢查轉(zhuǎn)速傳感器的工作情況；⑥在一定溫度下對動力渦輪進行熱態(tài)檢驗，檢驗各密封點的封嚴效果、轉(zhuǎn)動件與靜子件間的間隙和配合，及殼體熱膨脹狀態(tài)；⑦檢驗動力渦輪的制造和裝配質(zhì)量。

試驗對象為某兆瓦級高轉(zhuǎn)速工業(yè)燃氣輪機的雙級動力渦輪。輸出軸帶半聯(lián)軸器，與試車臺增速箱輸出端匹配。

3 試驗方法

采用拖轉(zhuǎn)試驗[4]方式進行試驗：將動力渦輪排氣蝸殼出口到動力渦輪進口通過空氣管路連接，構(gòu)成密閉回路閉環(huán)系統(tǒng)，使空氣在密閉回路中不斷循環(huán)，達到預定的出口溫度(150～450℃)；在動力渦輪進口處設(shè)節(jié)流閥，通過空氣調(diào)節(jié)，使動力渦輪接近無負荷運轉(zhuǎn)。

用電動機驅(qū)動動力渦輪進行磨合運轉(zhuǎn)，從動力渦輪氣流入口順氣流看轉(zhuǎn)動方向為順時針方向。與動力渦輪工作方向相同，通過監(jiān)測動力渦輪的轉(zhuǎn)速、振動和軸承腔的潤滑油參數(shù)，來確認動力渦輪的機械運轉(zhuǎn)性能。圖1為動力渦輪出口到進口空氣管路連接示意圖。

圖1 動力渦輪出口到進口空氣管路連接示意圖Fig.1 Air line connects the power turbine inlet with its outlet

4 試驗設(shè)備

根據(jù)試驗要求及現(xiàn)場條件，本試驗系統(tǒng)設(shè)備由驅(qū)動裝置、潤滑油系統(tǒng)、空氣密封供氣系統(tǒng)、電控顯示與測量系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)組成。

4.1 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置由異步電機、液力耦合器、增速箱等組成，通過調(diào)整液力耦合器的耦合度來調(diào)整動力渦輪的試驗轉(zhuǎn)速。動力輸入方式為通過聯(lián)軸器連接動力渦輪軸與增速器輸出軸。

4.2 潤滑油系統(tǒng)

潤滑油系統(tǒng)采用與試驗臺共用的潤滑油站。動力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗采用增壓供油方法，供油系統(tǒng)原理見圖2。供油系統(tǒng)由圓弧齒輪泵、溢流閥、調(diào)節(jié)閥、過濾器、流量計、壓力傳感器和溫度傳感器組成，用于監(jiān)控進入渦輪滑油系統(tǒng)的供油壓力、溫度，同時為供油系統(tǒng)壓力調(diào)整提供依據(jù)。

圖2 滑油供回油系統(tǒng)原理圖Fig.2 Lubricating oil system

拖轉(zhuǎn)試驗采用強制回油系統(tǒng)，由單螺桿泵(配變頻電機)、調(diào)節(jié)閥、檢流計、壓力傳感器和溫度傳感器組成?；赜拖到y(tǒng)的出口直接接入試驗臺回油管口。

4.3 空氣密封供氣系統(tǒng)

空氣供氣系統(tǒng)是將壓縮空氣除水、過濾后，以規(guī)定壓力和流量供入動力渦輪進氣口，用于氣封密封。氣封系統(tǒng)由氣水分離器、過濾器、減壓閥和壓力傳感器等組成。氣源由試驗臺廠房壓縮空氣提供，接入氣封系統(tǒng)后，壓縮空氣經(jīng)減壓閥調(diào)至試驗所需壓力。

4.4 電氣控制顯示與試驗參數(shù)測量系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)中的電源，主要是對電控柜、驅(qū)動供回油泵的電機、顯示儀表及特種測試儀器儀表供電。采用耐油動力電纜從試驗站電力配電柜內(nèi)的電源母線上取電。

電控柜上設(shè)置供、回油泵電機啟停控制按鈕和電機運行狀態(tài)指示燈，系統(tǒng)具有短路、過載保護功能。為滿足試驗過程中對回油泵流量調(diào)節(jié)的需要，采用變頻器實現(xiàn)對回油泵電機的變頻調(diào)速，并在電控柜上設(shè)置回油泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，實現(xiàn)回油泵轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

電控柜上安裝有工藝系統(tǒng)測量傳感器的二次儀表，及動力渦輪轉(zhuǎn)速、振動等參數(shù)的測量系統(tǒng)，可對動力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗過程中工藝系統(tǒng)實時的壓力、溫度、流量及動力渦輪的轉(zhuǎn)速和振動等參數(shù)進行監(jiān)測。

在動力渦輪排氣蝸殼、支承部位安裝有位移測量表，以測定動力渦輪變形量，有助于分析機匣的熱膨脹情況。

4.5 空氣循環(huán)系統(tǒng)

空氣循環(huán)系統(tǒng)是將動力渦輪排氣口與進氣口連接，形成空氣的自循環(huán)。其由過渡段、金屬波紋管、蝸殼進口堵蓋、手動閘閥、壓力傳感器和溫度傳感器組成。手動閘閥用于補充進氣，金屬波紋管用來補償管路在水平和豎直方向的位移量，溫度傳感器和壓力傳感器用于檢測空氣溫度和壓力，濾網(wǎng)用于防止外界雜質(zhì)吸入渦輪內(nèi)部。

5 試驗內(nèi)容

燃氣輪機動力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗按試驗大綱要求[5]進行，試驗程序如下：

(1)手動盤車，檢查動力渦輪內(nèi)部有無雜音等現(xiàn)象。

(2)向動力渦輪供封嚴壓縮空氣，起動滑油系統(tǒng)(先啟動回油泵，再啟動供油泵)，把動力渦輪緩慢加速到1 000 r/min，監(jiān)視滑油泄漏情況，記錄其轉(zhuǎn)速、振動值和滑油溫度。

(3)以小于600 r/min的加速率把動力渦輪轉(zhuǎn)速增至2 500 r/min，記錄轉(zhuǎn)速值、振動值和滑油溫度，期間觀察滑油系統(tǒng)有無泄漏。

(4)以小于600 r/min的加速率將動力渦輪轉(zhuǎn)速增至(4 500±50)r/min，記錄轉(zhuǎn)速、振動值和滑油溫度，期間觀察振動情況，記錄峰值振幅和相應的動力渦輪轉(zhuǎn)速。檢查機殼溫度，并將機殼表面溫度的溫升率控制在150℃/h。在此過程中，測定第一臨界轉(zhuǎn)速值。

(5)以小于600 r/min的加速率進行爬臺階試驗，轉(zhuǎn)速每升高500停5 min，記錄轉(zhuǎn)速、振動值和滑油溫度，期間觀察振動情況，記錄峰值振幅和相應的動力渦輪轉(zhuǎn)速。

(6)將動力渦輪轉(zhuǎn)速加速到工作轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定10 min，記錄數(shù)據(jù)。

(7)以小于600 r/min的減速率將動力渦輪轉(zhuǎn)速減至2 500 r/min，緩慢打開進氣管線調(diào)節(jié)閥放氣以調(diào)節(jié)氣體溫度，機殼表面溫度的溫降率控制在150℃/h。記錄數(shù)據(jù)，檢查滑油箱油位變化情況和滑油是否泄漏。

(8)將動力渦輪轉(zhuǎn)速減至1 000 r/min，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)至機殼表面溫度降至150℃以下時停車。

(9)停車過程中，聽檢有無雜音。

(10)目視檢查滑油管路；檢查金屬屑信號器；脫開檢測儀表并封住各測試口；當轉(zhuǎn)速為零后，潤滑和封嚴系統(tǒng)應繼續(xù)工作，并每隔5 min手動盤車180°，當滑油排油口溫度在30～35℃，機殼表面溫度下降至50℃以下時，才能脫開供油、供氣接口。

6 試驗結(jié)果分析

(1)按照此閉式熱狀態(tài)空負荷機械運轉(zhuǎn)試驗方法，對該兆瓦級大功率工業(yè)燃氣輪機的動力渦輪進行工廠檢驗性試車，試車過程正常，達到了試驗目的。停機后檢查盤車正常、無雜音，外部可視部件無損傷、無泄漏，螺栓無松動，用內(nèi)窺鏡檢查未發(fā)現(xiàn)任何異常情況。

在檢查開車和正式試驗兩次試車過程中，都測到了第一臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)過渡態(tài)振動變化趨勢監(jiān)測情況判斷，該機組臨界轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。因為在通過該轉(zhuǎn)速區(qū)域時，軸承箱體水平測點(機匣內(nèi)部)振動值迅速增加，在偏離該轉(zhuǎn)速區(qū)域時振動值迅速下降。與計算值相差10%。

(2)動力渦輪轉(zhuǎn)子直徑較大，特別是多級渦輪，拖轉(zhuǎn)試驗過程中溫升很快，在高轉(zhuǎn)速下應減少停留時間，以利控制循環(huán)空氣溫度。

(3)試驗過程為密閉式循環(huán)，不同于工作狀態(tài)，滑油供油量、封嚴空氣流量和壓力不能完全模擬工作狀態(tài)，必須現(xiàn)場掌控封嚴空氣與滑油腔壓力，防止滑油竄入高溫區(qū)而引起燃燒。

7 結(jié)論

燃氣輪機動力渦輪熱態(tài)閉式循環(huán)機械運轉(zhuǎn)試驗在國內(nèi)尚屬首次，屬于開拓創(chuàng)新性試驗研究，本試驗為燃氣輪機動力渦輪工廠試車摸索出一條新路。

本次燃氣輪機動力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗，機械磨合運轉(zhuǎn)正常，滑油系統(tǒng)工作正常，測定了第一臨界轉(zhuǎn)速，整個試驗過程中機械振動滿足設(shè)計要求。拖轉(zhuǎn)試車完成了動力渦輪在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的試驗內(nèi)容，實現(xiàn)了對動力渦輪的機械運轉(zhuǎn)性能及裝配質(zhì)量初步檢查的基本要求，達到了試驗目的，解決了動力渦輪工廠檢驗性試車問題。

[1]HG/T 3650-1999，煙氣輪機技術(shù)條件[S].

[2]API Std 616-1998，用于石油、化工、燃氣工業(yè)的燃氣輪機[S].

[3]某型燃驅(qū)壓縮機組動力渦輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算報告[R].四川成都：中國燃氣渦輪研究院，2012.

[4]吳愛中.動力渦輪在外力拖轉(zhuǎn)下的工況分析[J].汽輪機技術(shù)，2004，46(5)：359—362.

[5]某首臺燃氣輪機動力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗大綱[R].西安：西安航空動力股份有限公司，2013.

Thermal-Load Mechanic Running Test of Power Turbine

ZHANG San-duo，LIU Jin-chun，WANG Zao-feng
(AVIC Xi’an Aero-Engine(Group)Corporation Ltd.，Xi’an 710021，China)

A rig test method was illustrated for the power turbine of the high-power industrial gas turbine of MWs order on unspecialized test rig using plant power facility.An air line was used to connect the power turbine inlet with its outlet to construct a closed circuit loop,using electric motor to drive the power turbine, with the turbine blades stirring air to heat the air.In this way,a closed circuit cycle was constructed through air-line connection and the power turbine was driven by electric motor.The power turbine was given me?chanic grounding-in test at normal operation speed and thermal test verification by heating air,making a mechanic running test of thermal state and void load.The study is of great importance of reference for the test of other types of power turbines.

industrial gas turbine；power turbine；mechanic running；thermal state test；void load test

文獻標識碼：A

：1672-2620(2014)04-0048-03

2014-03-10；

：2014-08-14

張三多(1956-)，男，四川德陽人，高級工程師，型號副總設(shè)計師，主要從事航空發(fā)動機設(shè)計和工業(yè)燃氣輪機設(shè)計工作。