渦槳某型航改燃氣輪機軸內腔溫度高故障研究

高 軍，王 輝

(株洲航發(fā)動科南方燃氣輪機有限公司，湖南 株洲 412000)

目前國內已經建立了100多臺套QDR20型熱電聯供成套機組，其核心機為某渦槳航空發(fā)動機經過局部改裝改型燃氣輪機，使用的燃料有焦爐煤氣、天然氣、煤層氣等等，為客戶在環(huán)保和經濟上帶來了利益。其中燃氣輪機的可靠性和使用壽命是用戶最關心的問題之一。燃氣輪機在大修出廠試車時需要監(jiān)控軸內腔溫度，此參數是間接表征燃氣輪機中后軸承運行狀態(tài)的關鍵指標，對燃氣輪機平穩(wěn)長久運行至關重要。在燃氣輪機修理過程中，隨著燃氣輪機修理次數增加及零部件長時間重復使用，出現了大量零部件超差且很難恢復其設計尺寸，多臺發(fā)動機在總裝后試車時出現軸內腔溫度超過規(guī)定的情況，使發(fā)動機無法正常交付。為此針對廠內試車所產生的軸內腔故障進行攻關，研究、分析渦槳某型航改燃氣輪機軸內腔溫度高產生的原因，并針對性地制定出有效的改進措施，預防其軸腔溫度高，提高廠內試車合格率，保證外場運行的安全性，延長燃氣輪機運行壽命。

1 故障現象

渦槳某型航改燃氣輪機在廠內試車過程中，時常出現軸內腔溫度超過規(guī)定的情況(規(guī)范要求為軸內腔溫度≤115 ℃)。統(tǒng)計最近幾個月一次試車產生此故障的比例高達60%，外場每年質保期內返廠大修的燃氣輪機中軸內腔故障的比例達70%。該故障為發(fā)動機局部性能故障，與燃燒室機匣、油路、中后軸承封嚴裝置等有關系。涉及的零部件主要包括燃燒室機匣、外中內封氣圈、噴油環(huán)、封嚴套、后軸承封嚴圈、單篦齒封嚴圈、篦齒封嚴圈[1-2]。

2 原理分析[3-5]

燃氣輪機軸內腔溫度高(在排除其他如設備、儀表等異常情況下)，通常是因為滑油沒有帶走軸承產生的熱量或者是因為外界高于120 ℃的熱氣進入到軸腔內及其聯通的管道內。軸內腔測溫實際檢測的是軸腔內產生油氣混合物的溫度，致使軸腔內油氣混合物增多、溫度升高主要由以下幾方面因素產生：

1) 前中后軸承的封嚴都是氣體封嚴，且封嚴氣的溫度均高于軸腔溫度，封嚴效果不好，直接導致熱氣滲漏過多，致使軸腔溫度升高。

2) 滑油壓力或流量不足，導致潤滑油無法將軸承摩擦產生的熱量帶走。

3) 燃燒室存在裂紋，致使熱氣滲漏進軸腔，直接導致軸腔溫度高。

4) 裝配時中軸承噴油環(huán)進油孔與軸承座出油孔中心偏離，致使進入到噴油環(huán)的油量減少，導致軸承缺油。

2.1 中軸承封嚴間隙超差的影響[2]

中軸承的封嚴是由空氣通過內篦齒封嚴裝置實現的，主要構成有外、中封氣圈篦齒封嚴裝置和內篦齒封嚴裝置，如圖1所示。來自壓氣機10級后約260 ℃的高壓空氣經外、中封氣圈篦齒封嚴裝置，進入為減小轉子軸向力而設置的卸荷腔B后分為兩路，一路經內封氣圈上的氣道流至C腔，再由導氣管引至調壓口(見圖2)；另一路經內篦齒封嚴裝置封嚴滑油，工作過的空氣經過軸承形成油霧進入渦輪軸腔，通過軸腔的導管引入油霧分離器。通過對中軸承的工作過程分析可知，如果篦齒封嚴件的間隙超差，則會破壞空氣壓差，導致高溫空氣進入軸內腔，因為壓力太大會使滑油有過多泡沫，或者將潤滑油膜吹除，引起軸腔內油霧溫度升高。同時減少軸承滑油潤滑，大大縮短軸承使用壽命。

2.2 后軸承封嚴間隙超差的影響[2]

后軸承封嚴主要由外篦齒封嚴裝置(后軸承封嚴圈和單篦齒封嚴圈組成)和內篦齒封嚴裝置(后軸承封嚴圈和篦齒封嚴圈組成)，如圖3所示。其主要工作過程為燃燒室第二股氣流進入高壓腔D腔，然后經過外篦齒封嚴裝置達到封嚴腔E,并將壓力降至0.25 MPa。E腔內的空氣再分為兩路，一路通過內篦齒封嚴裝置來封嚴滑油;一路經內導管引至調壓口(見圖2), 該調壓口一是防止渦輪軸腔內由于封嚴氣流的積聚和滑油蒸發(fā)而壓力愈來愈高，二是控制與調節(jié)封嚴腔的壓力。調壓口裝有前、后孔徑不同的調整墊，后孔孔徑可調(共八組孔直徑由φ=16 mm至φ=4 mm，每組孔徑差2 mm)，前孔的直徑各組相同。同樣，通過對后軸承的工作過程分析可知，如果篦齒封嚴件的間隙超差，則會破壞空氣壓差，導致高溫空氣進入軸內腔，會引起軸腔內油霧溫度升高。同時減少軸承滑油潤滑，大大縮短軸承使用壽命。

2.3 軸承潤滑油路中積碳的影響[3-4]

由于航改燃氣輪機主要用于地面發(fā)電，主要燃料為焦爐煤氣，電站建設地方主要在焦化廠，焦爐煤氣氣質較差，含多種腐蝕元素，地面廠區(qū)空氣質量也較差，空氣中漂浮著煤炭粉塵，很多電站沒有使用進氣過濾系統(tǒng)或者系統(tǒng)沒有很好維護，使得空氣中的粉塵進入到壓氣機系統(tǒng)后到中軸承油路，產生積碳；另外，使用的滑油品質以及對燃氣輪機維護力度大多偏低，加之長時間運行，使得滑油管路中存在大量積碳。上面所產生的積碳停留在燃燒室機匣內部油路、回油池和集氣盒等部位，燃燒室機匣修理時這些積碳清理不徹底，殘留一些積碳，這些積碳使得滑油的流量變小、潤滑能力變差，帶走軸承的熱量自然減小，輕則使軸內腔溫度升高，重則引起軸腔爆燃，影響極大。

2.4 燃燒室機匣微裂紋的影響[3，6]

燃燒室機匣是一個典型的鈑金焊接零件，焊縫比較多，經過長時間高溫環(huán)境使用后，鈑金部件脆性增加，在熱應力作用下容易產生微裂紋，在燃氣輪機工作過程中，高溫熱氣可以通過這些裂紋滲到油路中來而引起軸內腔溫度升高。需要注意的是，燃燒室機匣在大修工藝中雖有2～3次密封性檢查，但依舊會有一定概率的機匣密封性檢查合格，但試車中會產生裂紋，其原因是因為密封性檢查的條件為常溫環(huán)境，比較寬容，而試車時燃燒室機匣工作環(huán)境為200～400 ℃，且機匣內外溫差大，熱應力也大，密封性檢查發(fā)現不了的微裂紋在這種環(huán)境下會被發(fā)現。在燃氣輪機修理中經常會看到這種情況，這種比例占燃氣輪機大修數量的10%左右。

2.5 中軸承噴油環(huán)的影響

中軸承噴油環(huán)是安裝在燃燒室機匣中軸承座內直接給中軸承噴油的零件，如圖4所示，如果進入到噴油環(huán)的油量不夠，則會導致中軸承欠潤滑，軸腔溫度升高。在燃氣輪機修理過程中，發(fā)現大量中軸承座內部一出油孔與噴油環(huán)進油槽無法對準，使得軸承座出油孔中只有部分油流入到噴油環(huán)中，使得噴到中軸承的油量減少，引起軸腔溫度高。

2.6 內封氣圈與中軸承座安裝間隙的影響

內封氣圈是安裝在中軸承上面且與中、外封氣圈構成篦齒封嚴裝置來封住軸承處的滑油，如圖5所示。在燃氣輪機修理中，由于燃燒室機匣軸承座與內封氣圈配合處常年不修理，加之軸承座為20號鋼且壁薄，使得軸承座與內封氣圈配合處尺寸超差嚴重(變大變橢)。另外，內封氣圈與軸承座配合的外徑常年不修理，兩個零件的尺寸超差使得配合面間隙過大，從而使得B腔內的高溫氣體過多流入到軸承處而引起軸腔溫度升高，圖5中線路1和2為高溫氣流經內封氣圈外圓與軸承座內孔間隙流入路徑[2]。

3 采取措施

3.1 封嚴篦齒件的處理

圖6為中后軸承封嚴篦齒件，其外圓篦齒與對偶件的石墨涂層組成封嚴系統(tǒng)，篦齒與石墨涂層的間隙至關重要(如表1)。為控制封嚴氣流壓力的關鍵參數，復測所有涉及到軸內腔溫度高故障的封嚴篦齒件的篦齒尺寸，報廢超差嚴重的零件，重新制定新的修理工藝，規(guī)范篦齒尺寸使用極限，如圖7所示，大修時都必須按修理工藝進行尺寸測量，符合規(guī)范要求的則繼續(xù)使用，不符合則報廢處理。

序號圖號名稱設計尺寸尺寸配合公差1xx.30.013外封氣圈?287+0.110xx.15.135后封氣圈?286.60-0.10.40～0.612xx.15.135后封氣圈?267.2+0.10xx.30.014中封氣圈?267.050-0.10.15～0.353xx.30.015內封氣圈?92+0.090xx.15.031封嚴套?92-0.12-0.210.12～0.304xx.44.807后軸承封嚴圈?157.9+0.050xx.44.118單篦齒封嚴環(huán)?157.80-0.040.095～0.055xx.44.807后軸承封嚴圈?127.9+0.050xx.44.117篦齒封嚴件?127.80-0.040.095～0.05

3.2 優(yōu)化燃燒室機匣修理工藝

重新制定了超聲波清洗—人工除積碳(配合除積碳溶液)—沖油檢查的工藝路線，加強了對燃燒室機匣積碳的清洗力度。

對燃燒室機匣修理中增加一次密封性檢查，特殊情況下需要進行加溫密封性檢查。密封性檢查后如果沒有發(fā)現泄露地方，則再增加目視檢查，檢查回油池、集氣盒等部位的焊縫處及焊縫周邊，是否存在可見且未穿透的裂紋。

采用熱噴涂工藝修理中軸承座與外封氣圈配合面，由于這個配合面較為特殊，上面有許多排氣孔，涂層接觸的面積很小，涂層制備困難且容易失效，為保證好的結合力，特采用超音速火焰噴涂工藝，先分別在兩個零件上配合面增材制造一層316 L不銹鋼涂層，然后采用磨削工藝將涂層加工到指定的尺寸，從而保證了配合面應有的尺寸、圓柱度和粗糙度。

3.3 優(yōu)化內封氣圈的修理工藝

原來修理工藝只修石墨涂層，長久使用后內封氣圈的外徑超差嚴重，采用熱噴涂工藝對外徑及端面進行修復。內封氣圈的外徑是配合面，這個面的寬度只有4 mm左右，制備的涂層容易被車削掉，容易失效，經過反復試驗，最終采用316 L不銹鋼粉末作為噴涂材料，然后用磨削工藝將涂層加工到設計尺寸，實現配合面的修復，保證與中軸承座配合面應有的間隙。

3.4 增加噴油環(huán)的修理工藝

原噴油環(huán)只有制造工藝，通過增加相關修理工藝，對噴油環(huán)的進油槽進行局部銑削(見圖8)，增大與軸承座出油孔的接觸面積，保證出油孔的油全部流入到噴油環(huán)；同時將噴油環(huán)上三個φ=1.3 mm的噴油孔增大到φ=1.5 mm，保證油量的供應，經過計算，油量可以增加約0.6 m3/h。(從1.8 m3/h增加到2.39 m3/h)

4 效果驗證

在此型航改燃氣輪機的修理工程中，通過貫徹以上改進措施，半年來共修理交付的此型燃氣輪機共計約25臺，廠內試車時的軸內腔溫度最高為113 ℃，最低為87 ℃，除1臺燃氣輪機因燃燒室機匣試車裂紋導致軸內腔溫度偏高外，其余燃氣輪機試車軸內腔溫度全部一次合格。其中5臺軸內腔溫度在100 ℃以下，另有9臺在105 ℃以下。一次試車軸內腔溫度合格率為96%(標準為≤115 ℃)，比原來大大提高。

5 結論

通過開展渦槳某型航改燃氣輪機軸內腔溫度高故障的分析研究，在分析發(fā)動機軸內腔溫度高原因的基礎上，制定了針對性的預防和排除發(fā)動機軸內腔溫度高的技術措施，且相關措施在修理中貫徹并在發(fā)動機試車和外場使用中進行了驗證。結果表明：這些措施可以有效排除此型航改燃氣輪機的軸內腔溫度高故障，大大提高軸內腔溫度一次試車合格率，節(jié)省燃氣輪機修理成本。