改進(jìn)設(shè)計、更新材料可延長F型燃機(jī)第2級動葉的使用壽命

【摘要】近幾年來，發(fā)電行業(yè)已有上千臺F型燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)。雖然，這些機(jī)組完成了數(shù)百萬小時高效、低排放的運(yùn)行，但是還未達(dá)到完全無故障運(yùn)行的程度。部套配件市場的開發(fā)突出了一些問題，并向最終用戶提供了一個能夠改進(jìn)可靠性并延長部套使用壽命的契機(jī)。

【關(guān)鍵詞】延長燃機(jī)；動葉；使用壽命

1、引言

公司負(fù)責(zé)設(shè)計和提供具有成熟結(jié)構(gòu)設(shè)計的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和F型機(jī)使用的，并具備現(xiàn)有技術(shù)水平的低排放燃燒系統(tǒng)和耐高溫燃?xì)夤艿赖牟刻?。其產(chǎn)品供應(yīng)給配件市場以及火電公司下屬的100多臺機(jī)組。過去的5年里，開發(fā)了新的產(chǎn)品，覆蓋了多種型號的燃機(jī)機(jī)組。最近，開發(fā)了一種新的機(jī)型兼容第2級動葉，該動葉的設(shè)計能夠延長葉片的使用壽命。首次運(yùn)行大修間隔期（24，000小時）后，最終用戶都有過過多的葉片不能進(jìn)行修補(bǔ)的經(jīng)歷。下文將針對現(xiàn)有產(chǎn)品的壽命限制問題來說明設(shè)計上進(jìn)行的改進(jìn)。

2、DS與EQ

傳統(tǒng)上對定向凝固（DS）材料進(jìn)行優(yōu)化，然后將軸向負(fù)荷傳送到徑向使晶粒生長（徑向），這樣就損失了軸向的機(jī)械性能。因此，DS材料具有各向異性（晶粒生長的方向不同則性能不同）；而由等軸晶粒（EQ）構(gòu)成的材料具有各向同性（在所有方向上的性能相對等同）。所以，DS材料在晶粒生長方向上的強(qiáng)度較大，而在橫向強(qiáng)度上要比對應(yīng)的EQ材料的強(qiáng)度低。

新的動葉設(shè)計中采用的具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的鎳基合金來代替目前的定向凝固的材料。PSM109材料能夠彌補(bǔ)軸向材料性能較差的缺陷，從而避免了DS材料在該項(xiàng)應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生的缺陷。

如果在燃機(jī)第2級上采用整體尾帶動葉，持續(xù)的離心荷重使圍帶與葉頂發(fā)生偏置，在軸向上產(chǎn)生了動葉圍帶應(yīng)力---在該方向上，定向凝固的鑄件沒有最大蠕變特性。與此相反，具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的材料在所有方向上具有均勻蠕變特性，從而允許設(shè)計人員采取措施來防止動葉的高負(fù)荷區(qū)域產(chǎn)生較低的蠕變強(qiáng)度。因此，從EQ鍛件到DS鍛件如果動葉總?cè)渥儚?qiáng)度呈遞增趨勢，圍帶中的DS動葉比EQ動葉先斷裂，并且鑄件主要都分延長的蠕變壽命不再有效。

根據(jù)對EQ設(shè)計做出的預(yù)測，其他動葉的使用壽命有少許延長，而且沒有影響相關(guān)主軸系統(tǒng)的壽命。

3、刀形齒配置

為了進(jìn)一步改進(jìn)原始設(shè)計，擁有一種新型刀形齒配置的專利，采用這種刀形齒后可以減少圍帶上的軸向載荷。

很多帶整體圍帶的動葉的設(shè)計中，刀刃和刀形齒能夠在蜂窩式密封圈上切出一個凹槽，這樣就使圍帶在所有的運(yùn)行工況下均有足夠的面積進(jìn)行密封，而且不會與密封條相接觸。盡管如此，在機(jī)組運(yùn)行過程中，在圍帶和葉型部分的界面區(qū)仍會產(chǎn)生彎矩。該應(yīng)力是由于圍帶順著葉頂邊緣的懸臂的重量過大造成的。而且由于位于圍帶刀刃處的刀形齒的重量又使彎矩加大。隨著刀形齒遠(yuǎn)離葉型部分的移動，圍帶和葉型部分之間的彎矩會增大，從而降低了圍帶的耐用性能。

圍帶和刀形齒的相對位置如何減少圍帶彎曲應(yīng)力。左側(cè)的圍帶顯示了直接放在葉型部分上的刀形齒。右側(cè)的圍帶顯示了放置在刀刃一側(cè)端部的刀形齒。這種懸臂式設(shè)計就導(dǎo)致圍帶向葉型部分過渡圓角處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。

給出了圍帶在一定溫度、材料和設(shè)計下，圍帶區(qū)的壽命期望值。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過制造商硬件的規(guī)格化后可以說明新的設(shè)計可以延長圍帶的使用壽命，因而能夠直接受益。還有一點(diǎn)需要注意的是：即使圍帶溫度升高，也仍然能夠大大延長其使用壽命。根據(jù)進(jìn)行的蠕變斷裂試驗(yàn)，計算出圍帶在分析溫度和應(yīng)力下壽命的估測值。在實(shí)件上進(jìn)行采樣，對DS和EQ兩種材料進(jìn)行了橫向和徑向（與晶粒定向平行）蠕變斷裂試驗(yàn)。材料的樣件取自動葉。

4、減小應(yīng)力

根據(jù)材料數(shù)據(jù)和溫度，應(yīng)力分析，綜合來看圍帶的設(shè)計大大延長了其使用壽命。除此之外，圍帶上最大應(yīng)力的預(yù)測位置，通過公司下屬系列機(jī)型上實(shí)際觀察到的損壞情況得到了驗(yàn)證。給出了用于系列機(jī)型的動葉的蠕變斷裂情況，兩種設(shè)計產(chǎn)生的分析應(yīng)力估計值進(jìn)行了對比。從中可以看出，應(yīng)力的最小化應(yīng)歸功于新型的刀形齒設(shè)計和優(yōu)化的葉型部分與圍帶的過渡圓角。

5、驗(yàn)證試驗(yàn)

對所開發(fā)的葉片，通過旋轉(zhuǎn)振動試驗(yàn)以及滿負(fù)荷試驗(yàn)，從性能和可靠性兩方面進(jìn)行了綜合維驗(yàn)證。

5.1旋轉(zhuǎn)振動試驗(yàn)

開發(fā)設(shè)計結(jié)束后，為驗(yàn)證工藝性和振動特性，制造了實(shí)物大小 的試驗(yàn)葉片，在高速動平衡設(shè)備上進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)振動試驗(yàn)。為此制造了一系實(shí)物大小的試驗(yàn)葉片，并將它們裝上旋轉(zhuǎn)振動試驗(yàn)的轉(zhuǎn)子，然后將轉(zhuǎn)子放入高速動平衡的真空室內(nèi)，一邊利用空氣激振，一邊利用電機(jī)驅(qū)動，使其轉(zhuǎn)速產(chǎn)生變化，測量共振時產(chǎn)生的振動應(yīng)力或振幅，確認(rèn)其振動特性。

5.2帶負(fù)荷試驗(yàn)

通過旋轉(zhuǎn)振動試驗(yàn)對振動特性進(jìn)行確認(rèn)之后，制作實(shí)物大小的試驗(yàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及氣缸，同樣利用汽輪機(jī)帶負(fù)荷試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行綜合驗(yàn)證試驗(yàn)。

作為汽輪機(jī)葉片專用開發(fā)和驗(yàn)證設(shè)備，一直用于新開發(fā)葉片及其要素的技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證。實(shí)際上是利用蒸氣，使之在與實(shí)機(jī)相同狀態(tài)或更嚴(yán)格的條件下工作，通過對產(chǎn)生葉片上的振動應(yīng)力以及流動狀況的測量，時行性能以及可靠性的綜合驗(yàn)證。

利用這臺試驗(yàn)設(shè)備可以測量出力、蒸汽流量和蒸汽參數(shù)以進(jìn)行性能評價，可通過皮托管橫向測量去測量葉片溫度和葉片進(jìn)出口流量，以確認(rèn)內(nèi)部流動狀況。利用應(yīng)變片測量振動應(yīng)力，籍此來評價其振動強(qiáng)度，并從低真空低流量到高真空高流量，進(jìn)行全范圍詳細(xì)測量。通過此試驗(yàn)，除了對性能、流動狀態(tài)以及隨機(jī)振動、共振振動應(yīng)力時行確認(rèn)外，也可對高性能和高可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過測量結(jié)果與設(shè)計值的比較，確認(rèn)能夠滿足當(dāng)初設(shè)計性能，達(dá)到了高性能化。另外，也確認(rèn)了流型能滿足設(shè)計要求。能過振動強(qiáng)度的測量，以及在變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時對不同負(fù)荷狀態(tài)下的共振振動應(yīng)力進(jìn)行測量，確認(rèn)了其振動強(qiáng)度，還評價了驅(qū)動汽輪機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的隨機(jī)振動應(yīng)力，確認(rèn)其符合設(shè)計要求。

6、結(jié)論

結(jié)合等軸晶粒第2級動葉設(shè)計的改進(jìn)和材料的更換最終形成了一種可以連續(xù)使用2個大修間隔期的動葉。幾乎所有的動葉都可以在第一大修間隔期后進(jìn)行修正，在整個第二大修間隔期內(nèi)可無故障運(yùn)行24，000個小時。

總的來講，EQ零件的制造成本比要替換掉的的制造成本低。各種影響力使現(xiàn)有的市場復(fù)雜化了，但是，由于長期的服務(wù)協(xié)議，很多燃?xì)廨啓C(jī)的業(yè)主仍有零件的存貨或與存在合同關(guān)系。如果沒有存貨，或者長期的合同已經(jīng)期滿，則EQ動葉是一種強(qiáng)有競爭力的替代品。設(shè)計的新型EQ動葉目前正處于鑄造后期階段，并可于今后初用于商業(yè)機(jī)組。