LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)透平中機(jī)匣裂紋故障分析

華電電力科學(xué)研究院有限公司 石 巖 鄭 健 賈小偉 梁 晶 徐 毅

航改型燃?xì)廨啓C(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)航改機(jī)）是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上經(jīng)技術(shù)改進(jìn)發(fā)展而來(lái)的，其最大保留了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，與其他傳統(tǒng)動(dòng)力相比具有功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)屬于GE公司的代表性航改型燃?xì)廨啓C(jī)，自上世紀(jì)70年代正式投用以來(lái)，已經(jīng)產(chǎn)生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型號(hào)，涵蓋了從23MW至33MW的功率等級(jí)，整機(jī)性能也不斷提高。其中LM2500+G4型燃?xì)廨啓C(jī)是GE公司2005年開(kāi)發(fā)的新一代航改型燃?xì)廨啓C(jī)，不但具有LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)的高可靠性和可用性，且發(fā)電效率和排煙溫度更高，是最適合燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)之一[1]。

某分布式企業(yè)LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)例行維護(hù)檢查時(shí)，孔探檢查發(fā)現(xiàn)透平中機(jī)匣（TMF）部分肋板外圈靠動(dòng)力渦輪側(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋，均超出標(biāo)準(zhǔn)要求且部分裂紋存在交叉，并存在向焊縫和內(nèi)襯出氣邊擴(kuò)展的趨勢(shì)。結(jié)合TMF設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)對(duì)裂紋生成因素分析，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱變形和熱應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的主要原因，此外TMF振動(dòng)、力學(xué)性能的穩(wěn)定性都會(huì)造成裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。

1 航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)匣特點(diǎn)

機(jī)匣是航改型燃?xì)廨啓C(jī)的重要零件之一，其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的航改機(jī)、航改機(jī)不同部位其機(jī)匣形狀各不相同，基本特征是圓筒形或圓錐形的殼體和支板組成的構(gòu)件。機(jī)匣是航改機(jī)本體的支架，連接著航改機(jī)的各個(gè)部件：內(nèi)部連接動(dòng)力渦輪和燃燒室，外面連接各路管道。機(jī)匣的振動(dòng)直接反映整機(jī)的振動(dòng)水平，頻繁且較大的振動(dòng)可能會(huì)使機(jī)匣出現(xiàn)裂紋、變形甚至疲勞破壞[2]。

航改機(jī)機(jī)匣在工作狀態(tài)下需承受氣體負(fù)荷和質(zhì)量慣性力，其次還承受熱負(fù)荷、聲負(fù)荷及一些裝配應(yīng)力，其中承受氣體負(fù)荷和質(zhì)量慣性力以軸向力、橫向力或側(cè)向力、彎矩、扭矩等形式作用在機(jī)匣上，熱負(fù)荷由高溫和內(nèi)外溫差引起，應(yīng)力由熱負(fù)荷對(duì)材料強(qiáng)度帶來(lái)的變化所引起。因此機(jī)匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除要具備支撐功能外，還必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求[3]。航改機(jī)透平中機(jī)匣（TMF）位于高壓透平與動(dòng)力渦輪之間，其支撐承受多種載荷作用，力學(xué)環(huán)境惡劣且處于高溫環(huán)境中，需滿(mǎn)足冷卻、密封等要求[4]。

2 TMF裂紋出現(xiàn)過(guò)程分析

某分布式企業(yè)配置LM2500+G4型燃?xì)廨啓C(jī)2017年12月正式投產(chǎn)，引擎總運(yùn)行小時(shí)數(shù)/啟動(dòng)次數(shù)：13170小時(shí)/107次啟動(dòng)，機(jī)組從進(jìn)入COD以來(lái)一直運(yùn)行在部分負(fù)荷10～12MW范圍，期間嚴(yán)格按照OM手冊(cè)進(jìn)行燃機(jī)維護(hù)及定檢工作，共完成4次定檢工作。例行13000小時(shí)維護(hù)檢查時(shí)，通過(guò)對(duì)燃機(jī)本體孔探檢查、機(jī)械檢查，在透平中機(jī)匣部分肋板外圈靠動(dòng)力渦輪側(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 TMF1號(hào)肋板裂紋及對(duì)應(yīng)支撐位置示意圖

圖2 TMF5號(hào)肋板裂紋及對(duì)應(yīng)支撐位置示意圖

TMF所有8個(gè)支撐均出現(xiàn)裂紋，裂紋長(zhǎng)度在51～65mm之間，均超出了GE公司手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)50.4mm的要求，且部分裂紋存在交叉并存在向焊縫和內(nèi)襯出氣邊擴(kuò)展的趨勢(shì)，繼續(xù)運(yùn)行可能導(dǎo)致裂紋加速擴(kuò)展、材料脫落，進(jìn)入通流部分，造成下游低壓透平損壞，也可能會(huì)造成冷卻空氣通過(guò)裂紋泄漏到TMF支撐腔，最終影響推力平衡，還可能使得TMF無(wú)法對(duì)內(nèi)部的軸承系統(tǒng)提供可靠支撐。裂紋檢測(cè)中支撐號(hào)碼、裂紋長(zhǎng)度（mm）、允許長(zhǎng)度（mm）、超出長(zhǎng)度（mm）、超出比例（%）分別為：#1/65/50.4/14.6/29.0、#2/60/50.4/9.6/19.0、#3/57/50.4/6.6/13.1、#4/58/50.4/7.6/15.1、#5/51/50.4/0.6/1.2、#6/58/50.4/7.6/15.1、#7/65/50.4/14.6/29.0、#8/64/50.4/13.6/27.0。

TMF所有8個(gè)支撐裂紋根據(jù)結(jié)構(gòu)位置，相應(yīng)裂紋周向分布圖如圖3。#1、#7位置裂紋最大，#5位置裂紋最小，呈現(xiàn)頂部裂紋較大，底部裂紋相對(duì)較小的分布趨勢(shì)。

圖3 TMF肋板裂紋周向分布圖

3 TMF裂紋生成因素分析

TMF中的支撐結(jié)構(gòu)由于兩端固定，存在約束，在燃機(jī)啟停或負(fù)荷變動(dòng)時(shí)受到熱應(yīng)力作用，一旦熱應(yīng)力大于其材料強(qiáng)度可能造成裂紋形成，同時(shí)支撐內(nèi)部冷卻空氣與支撐外部存在較大溫度差，易加劇裂紋形成，故而GE公司手冊(cè)提到此處允許有不超過(guò)50.4mm的裂紋。經(jīng)了解同類(lèi)機(jī)型未出現(xiàn)過(guò)TMF支撐裂紋超過(guò)50.4mm的情況，且根據(jù)GE方面反饋未發(fā)生類(lèi)似情況。結(jié)合TMF設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)，對(duì)這些支撐裂紋生成因素分析如下：

熱變形與熱應(yīng)力影響。TMF位于燃?xì)鉁u輪后，在航改機(jī)正常工作時(shí)處于高溫環(huán)境下，材料的彈性模量減小，從而使剛度減弱，影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性，此外氣流通道部分結(jié)構(gòu)剛度弱化引起的變形量增大還會(huì)影響葉輪間的間隙變化和氣動(dòng)效率[5]。在航改機(jī)啟停時(shí)工作溫度劇烈變化，可能出現(xiàn)大溫度梯度，造成結(jié)構(gòu)熱膨脹不協(xié)調(diào)從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，在運(yùn)行中的高溫下該結(jié)構(gòu)還容易產(chǎn)生熱疲勞和屈曲變形。

振動(dòng)影響。TMF在工作過(guò)程中承受多種載荷，頻繁且較大的振動(dòng)可能使其出現(xiàn)裂紋，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須保證其在寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)激勵(lì)力具有低敏感性，防止有害振動(dòng)的產(chǎn)生[6]。該燃機(jī)投產(chǎn)至今在9MW負(fù)荷附近運(yùn)行時(shí)，GG（燃機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器）、PT（動(dòng)力渦輪）前后端軸承振動(dòng)如圖4，皆遠(yuǎn)離報(bào)警值（GG端振幅報(bào)警值4mil、跳機(jī)值7mil，PT端報(bào)警值7mil、跳機(jī)值10mil），且至今振動(dòng)基本無(wú)變化，因此振動(dòng)不是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

圖4 歷年振動(dòng)情況圖

連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的穩(wěn)定性。TMF主要由多個(gè)承力部件連接組成，部件間的載荷通過(guò)連接結(jié)構(gòu)傳遞。當(dāng)連接結(jié)構(gòu)受到交變載荷作用時(shí)，接觸面間由于接觸應(yīng)力和狀態(tài)的差異會(huì)發(fā)生周期性的相對(duì)變形或滑移，造成微動(dòng)損傷，從而使連接部位接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能失穩(wěn)，引起結(jié)構(gòu)整體的剛度損失，造成支承松動(dòng)[5,7]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)帶來(lái)安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合TMF設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)對(duì)支撐裂紋生成因素分析，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱變形和熱應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的主要原因，此外TMF的振動(dòng)、連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的穩(wěn)定性都會(huì)造成裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。因此在燃?xì)廨啓C(jī)的日常運(yùn)維當(dāng)中要注意如下方面：

加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，尤其需監(jiān)測(cè)運(yùn)行過(guò)程中的變化趨勢(shì)，對(duì)開(kāi)機(jī)前后的振動(dòng)情況進(jìn)行比較，特別是位于高壓透平和動(dòng)力透平附近的振動(dòng)。對(duì)軸承穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行跟蹤記錄，在振動(dòng)變化超過(guò)穩(wěn)態(tài)值25%幅值時(shí)，無(wú)論是增加還是減小都視為危險(xiǎn)工況，應(yīng)研究考慮是否停機(jī)；加強(qiáng)排氣分散度和燃燒脈動(dòng)趨勢(shì)的分析，主要是負(fù)荷穩(wěn)定階段的變化趨勢(shì)，對(duì)于排氣分散度不僅觀察其數(shù)值，同時(shí)應(yīng)注意記錄溫度最高及最低熱電偶部位是否發(fā)生變化；充分利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)TMF支撐處裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。在檢查時(shí)應(yīng)加強(qiáng)裂紋形貌、擴(kuò)展長(zhǎng)度、裂紋深度的檢查與比較，如裂紋擴(kuò)展速率加快、裂紋增多、出現(xiàn)新的交叉裂紋等，應(yīng)考慮暫不啟機(jī)運(yùn)行；及時(shí)共享相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，定期組織人員對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。