燃气轮机压气机首级动叶弯曲原因及检修工艺.pdf

第4 卷第3 4 期燃气轮机发电技术燃气轮机压气机首级动叶弯曲原因及检修工艺李长仁隋铭(大庆石油管理局电力总公司燃机电厂，黑龙江大庆1 6 3 1 5 5)摘要：在我国东北地区，对于冬季长期停运的燃气轮机往往发生压气机首级动叶和进口导叶与气缸壁处冻结。若未经妥善处理就再次启机，因转子冲转力，易使该首级动叶进气侧叶顶部因碰撞弯曲，继而将极易导致机组在启机及低转速运行工况下发生喘振严重危及机组的安全运行。同时，因涡流损失机组效率也明显下降。本文分析动叶弯曲的原因、危害，说明检修工艺及提出预防措施。关键词：燃气轮机压气机；动叶弯曲；原因；危害；修复工艺；预防措施、1 燃气轮机压气机首级动叶弯曲原因我国东北地区位于高纬度区域，受西伯利亚寒流的影响，冬季相对漫长、寒冷，平均气温在00 c 以下。寒冷的气候往往给生活和生产带来很多不便，以电厂为例，若无采取设备保温措施，燃气轮机在冬季也往往发生因冰冻导致的部件损坏。我厂配备2 台M S 6 0 0 1 重型单轴燃气一蒸汽联合循环发电机组。2 0 0 1 年3 月，2 号燃气轮机进行解体大修，转子出缸后，发现压气机首级动叶片(总计3 2 片)进气侧顶部全部卷边弯曲，在对压气机进行仔细检查后，发现：(1)首级动叶与气缸壁、进口导叶及周边部件没有任何摩擦痕迹。(2)弯曲的叶片全部为首级动叶，而且仅发生在进气侧叶顶部位，其后的各级动叶及静叶均未发现硬物撞伤的痕迹。1 1 首级动叶片弯曲原因经分析认为：(1)压气机动叶弯曲不是因为擦缸或与周围部件碰撞所致。(2)动叶弯曲不是因为进气系统脱落的金属碎片撞击所致。因为如果有金属碎片通过压气机流道，则这些碎片除了碰撞首级动叶，还会碰撞其后的各级静叶和动叶，而检查并未发现有撞击的痕迹。此外，即便进气系统偶尔有脱落的金属碎片被吸人压气机，又怎么可能仅仅撞击首级动叶进气侧的叶顶，而不撞击动叶的其他部位呢?(3)认为这种硬物与首级动叶撞击后就碎成粉末状，以致于没有伤及其后的各级叶片。另外，考虑到以前曾发生冬季长期停运的机组，再次启动时，导叶打不开，检查发现进口导叶下面的油动机有大量结冰的现象。因此认为，这种硬物极有可能是冰，而且结冰部位仅限于压气机首级动叶前侧。1 2 机内结冰诱因(1)冬季压气机水洗尽管压气机进气系统配有空气过滤装置，仍然会有部分微粒尘埃随空气进入进气系统，这些杂质在与湿润的空气混合后，流经压气机通流部分(动、静叶)时，不仅对叶片形成冲击和气蚀，而且容易沉积在叶片上，形成积垢。这些积垢导致压气机通流部分流道变窄，气流流阻过大，摩擦损失增加，整机压比将大幅度下降，表现为压气机出口压力降低，导致燃机出力不足，功率下降，同时热效率也有所下降。解决的措施通常有两种：一种为干洗，即向运转状态的机组中通经一定数量的细碎的硬果壳，如核桃壳或大米粒，这些硬果壳在流经压气机通流部分时，其尖利的棱角不断的冲刷动、静叶片表面，将叶片表面的积垢除去，且不至于过分损伤叶片表面。果壳碎屑随压缩空气一起送入燃烧室，与天然气一燃气轮机发电技术起燃烧，随燃气一起排掉，不会对机组造成损害。另一种措施是液洗，即向压气机中喷人一定数量的溶剂，这种溶剂严格配比成一定浓度的化学药剂，经过泵的加压后，通过压气机专用水洗管线喷到压气机中，清洗后的液体由排放口流出，最后通以一定数量的清水。我厂对压气机经常采用液洗，这种方式优点是对压气机叶片的损伤程度非常小，但对油性积垢的清除效果没有干洗理想。冬季清洗压气机，如果清洗后盘车不充分的话，残余的水、汽将降温结冰。从图l 看到的气缸壁结构，压气机进气缸呈喇叭口形，压气机前缸呈圆锥形，压气机中缸及压气机排气缸前部呈圆柱形。粘附在转子上及缸体上部的水在重力作用下流到底部，其中排气缸内积水流至c 处的防喘放气孔处，不会存留。压气机中缸内积水一部分流人c 处，另一部分流人压气机五级抽气7 L 内，即B 处。而压气机前缸内积水则沿下缸壁向压气机进气缸侧流动。因为从压气机进气缸及压气机前缸接合处开始，缸壁形成的坡度变缓，近乎平直，所以此处水流十分缓慢。当气缸温度降到低于0，则水将在A 处滞留并结冰，这样将导致压气机首级动叶与缸体最低点冻结在一起。另一方面，当进口导叶的轴套间隙因磨损过大时，部分水将从间隙中流下，最终将部分导叶冻结，前面提到油动机结冰，可能就是由此造成的。圈1 压气机缸体剖面图l 一压气机进气缸2 一进口导叶3 一压气机首级动叶4 一压气缸前缸5 一压气机五级抽气 L(位于缸壁上每片静叶根部开孔)6 一压气机中缸7 压气机十一级防喘放气孔8 压气机排气缸9 一燃气轮机转子(压气机部分)A 一压气机前缸与进气缸结合处B 一压气机五级抽气口处C 一压气机十一机防喘放气口处第4 卷(2)缸内湿空气凝结1我厂两台机组冬季运行时，进气滤网有结霜现象，这说明吸人进气系统的空气湿度较大。如果此时停机，当机组盘车完全停下来后，机组的烟道挡板也关闭，则机组内部形成一个封闭容器。此时滞留在机组内部的寒湿气体被缸壁及转子等加温，变成暖湿的热空气。因为缸壁的导热系数较大，其温度远高于周围环境温度(厂房内气温)，所以缸擘不断向环境散热而降温。当压气机内部的湿空气温度降到该压力下的饱和温度时，空气中的水蒸气会不断。地向缸壁释放汽化潜热而凝结成水，并沿缸壁向最低点流动，当环境温度降至零下，缸壁会因迅速散热而降温至零下。积存于进口导叶轴套或首级叶动叶位位置处的凝结水结冰，当机组再次启动时，容易造成导叶打不开及首级动叶弯曲现象。2 压气机首级动叶弯曲的危害首级动叶弯曲后将引起一系列严重后果首先弯曲的叶片导致机组运行工况点漂移，靠近喘振边界线，严重危及机组的安全运行；其次，弯曲的叶片使得气体的通道变窄，降低了压气机的工作效率和整机的热效率；再次，弯曲的叶片使转子动平衡遭到一定程度的影响。2 1 压气机喘振”】【”关于压气机发生喘振的机理，文献 2 3 中有详尽阐述。压气机喘振，通常发生在机组启动或低转速工况下。发生喘振时，压气机的流量和压力大幅度、低频率的周期性波动，并伴随有怒吼似的喘振声，甚至有空气从压气机的进口倒流出来，使压气机不能正常工作，更有甚者，一旦叶片断裂，叶片碎片将随气流流向下游，使下游叶片遭到更为严重的破坏。由于我厂燃机压气机首级动叶弯曲后，在叶片弯曲部位后面的叶背处形成气体附面层脱离现象，这种现象不能通过改变进口导叶安装角度消除(启机时为防止喘振，关小导叶进气角)，当机组正常工况时，这种气体脱离现象因导叶的开度增大而变得更为严重，极易造成机组喘振，甚至叶片断裂等严重灾难性事故，首级动叶的弯曲给机组的安全运行带来严重威胁。2 2 机组效率降低。功率下降”“第3 4 期李长仁等燃气轮机压气机首级动叶弯曲原因及检修工艺7从气体动力学和压气机工作原理可知，雎气机内的能母损失主要有两种：摩擦损失和涡流损失。摩擦损失是由于气流存压气机叶片间流过时与叶片表面及缸体产生摩擦，这个摩擦力将消耗压气机的有效功。当机组转速越高时，气流获得的流速越大，其与叶片的摩擦力也就越大。因此，磨擦损失将随着转速的升高而增大。而涡流损失是由于在叶片的背弧或内弧上产生附面层气体脱离造成的。当气流脱离严重时，则形强烈涡流，进而阻塞这部分流道，强烈的涡流扰乱了整个机组的气动性能，并且大量消耗压气机的有效功。压气机首级动叶卷边后，叶顶部位出现气流阻塞，使得首级动叶的通流能力下降，导致压气机的进气流量降低。当进气流量降低时，压气机运行工况点偏离设计最佳位，此时压气机的效率急剧下降，这就是由于叶顶的气体涡流消耗压气机有效功造成的。同时，当压气机因涡流偏离正常工况点，机组很快就进入喘振边界线，容易引发喘振。2 3 对转子的动平衡造成不利影响动叶卷边后，虽然每片动叶的净重没有变化，即动叶的静平衡没有遭到破坏。但由于每片动叶卷曲部分的面积、卷曲的角度有所不同，使得每片动叶的重心发生变化，偏离原来的平衡位置，因此机组的动平衡必然遭到破坏。考虑到动叶卷边后，每片叶片的重心变化不大，因此整级动叶的重心变化也不大。加上整个转子自重为l O5 吨。因此，单纯考虑叶片弯曲后转子重心的变化，对动平衡的影响并不严重。但从前面的分析可知，动叶弯曲后，压气机运行区域变窄，机组极易进入喘振区域，由喘振的机理可知，整个转子的叶片将受到低频的周期性的作用力。它不但极易破坏叶片本身，同时，这个额外的附加力将导致整个转子动平衡的严重破坏。造成机组强烈振动，进而损坏轴径和轴瓦，引发严重的机械事故，给生产和设备带来严重损失。3 检修方案对于弯曲的压气机首级动叶最彻底的检修方案是更换整级叶片，但必须把整个转子送到国外的专业修理厂家，其维修周期长，需要数月才能送回来，耗费资金大，需几百万元维修费。因此，如果转子其他部件损坏不严重的情况下，笔者建议现场处理弯曲的叶片即可。3 1修理方案1：恢复叶片原形(1)冷态修理制造一个专用模具，即按叶片叶背及内弧面形状制作两个模块，两个模块合起来形成的空腔形状与动叶叶身相同。把弯曲的动叶夹在两个模块之间，从两侧对模块施力，最终，弯曲的叶片将在模块的挤压下得以恢复原状。这种修复方案使叶片恢复原状，即恢复压气机首级叶片的原始气动性能，可消除叶片弯曲遗害。缺点是其模具制作十分困难除非专业修理厂家，一般的用户很难设计出完美精确的模具来。因此这种方案实施起来难度过大。(2)热态修理M S 6 0 0 1 型燃机压气机动、静叶片均采用特殊合金制造而成，有很高的强度，可以耐受高压气流的冲击和挤压力，同时又具良好的塑性。现场检测首级动叶，个别叶片弯曲部位虽已接近9 0度，但经专业探伤人员检测，弯曲的叶片没有产生局部裂纹。热态修理方案是指利用乙炔焰加热动叶弯曲部位至红热状态，立即用两个铜锤对敲叶片弯曲部分。对敲时应把握好两侧的力度，并应迅速、准确。一次加热后难以就可将叶片修复到位，一般校正一片弯曲的叶片需对叶片加热两次，而加热次数过多则容易导致叶片内部金属结构的变化。这种修复方案的优点是简单、易行，能基本上恢复叶片的原有形状。缺点是叶片本身受高温加热后，内部金属晶格发生变化，导致叶片强度变弱，同时表面易形成氧化层，使叶片的塑性比原来大为降低，因此建议慎用此方案。3 2 修理方案2：打磨掉叶片弯曲部分这种方案就是将动叶卷边部分去除，并且对叶片前额线顶部重新进行修整，使其具有良好的气动性能。这种方案的优点是消除了叶片端部气体脱离现象即：使压气机运行工况改善，扩大r 压气机有效运行区域，降低了压气机发生喘振的机率，提高了机组的安全性。同时由于端部涡流消失，压气机的涡流损失大大降低，使压气机效率提高，进而使整个机组的效率有所恢复。而且修磨叶片时按对称等面积修磨，从而大大改善了机组的动平衡，降低了机组的振动。笔者曾经按磨去的叶片面积，在同样材质的废弃叶片中截取等面积的叶片，经称重后得知叶片弯曲的面积约在6 7 克左右。按照对称修磨原燃气轮机发电技术第4 卷则，假如对称叶片修磨误差为1 1 0，即：07 克(实际远远小于此)，则每对对称叶片的重心变化对整个转子的影响使转子的重心偏移约：5 1 0 1 1 1。考虑到修磨后的偏差不可能偏到一侧，因此整个转子的重心偏移应在1 08r i i 数量级上，转子重心变化产生的附加离心力约为1 5 0 千克力左右。这个力对转子的动平衡影响甚微，因此转子的平衡较动叶修磨前状态大为改善。但这个方案同时也存在着缺点，即叶片修磨后，首级压气机压比因叶片叶身面积变小而降低，进而影响其后各级压比，最终整机压比下降，使整个机组的效率有所下降。但较叶片不修整状态而言，其效率要高很多。3 3 打磨叶片检修工艺在分析了各种修复方案优缺点后我厂决定采用第二种方案。对压气机首级全部3 2 片叶片的弯曲部位进行打磨处理。该方案虽然以牺牲一定效率为前提，但消除了机组的安全隐患，提高了机组安全运行的可靠性。具体的检修工艺如下：(1)做模板，如图2图2 叶片弯位打磨模板1叶片弯曲部分2 一模板其中B C、C D、A E 三边紧紧靠在叶片边缘。A B 为一圆弧线，在A 点应使A B 弧线与B c 线即动叶前额线圆滑过渡，而不能有较大折转角。3 一叶片4 一动叶背弧侧5 一动叶修磨部位(2)对称打密根据动叶卷曲的大小制作多个不同模板。模板露出的部分，即A B 弧线外侧部分应能覆盖住叶片弯曲部分。打磨时应采取对称修磨，即以转子中心为对称点，每两片动叶打磨掉的面积理论上应绝对相等。即必须采用同一模板靠在对称叶片上，用笔划好边线，即A B 弧线。采用颗粒较细的手砂轮将A B 弧线以外的弯曲叶片刨去。注意，不要一次修正到A B 弧线处，应留出1 m m 余量以便精细修磨。叶片打磨时，应紧握砂轮，以免高速旋转的砂轮片伤及其它叶片。(3)精细修磨精细修磨的过程即采用油石粘上滑油一点点修整余下的叶片。注意修磨的时候应修整叶片的叶背，不允许修整叶片内弧侧。叶片修整后应保证叶片各部圆整平滑，过渡部分应自然，不允许有折角。叶片修磨后应重新探伤检查，如发现有裂纹，应将裂纹部分磨掉，合格为止。4 效果及预防措施#2 机组于2 0 0 1 年5 月中旬大修完毕，并顺利启机发电。通过机组大修前后相关运行参数的对比，机组的运行工况有明显好转。(1)首级动叶修磨后，消除了压气机在启动或低转速时产生喘振的可能性，提高了机组运行的安全可靠性。(2)压气机排气压力比大修前增大，即整机压比升高。这与压气机叶片得以清洗除垢有关，更重要的是通过修复弯曲的首级动叶，提高了机组的通流能力，使机组的运行工况点靠近设计工况点(由于叶片修后面积发生改变，无法使机组运行工况点完全恢复到设计值)，整机压比必然比大修前有较大提高。(3)修复弯曲的首级动叶后，叶顶部位不再有涡流存在，涡流损失消除，所以压气机的效率及整个机组的效率都相应的提高。同时，随着机组的通流能力提高，机组的功率也较大修前有所提高。(4)压气机的气动性能恢复到接近原设计工况点。压气机不再因涡流的存在而发生气体波动现象，转子受到气流的扰动力也随之消除，所以机组的振动情况明显比大修前好转。实践证明，这种修理首级动叶弯曲的方法是切实可行的，值得推广应用。为了预防此类事件的再次发生，笔者建议采取如下措施：(1)寒冬季节尽量避免在空气湿度过大的天气停机，即不在进气滤网结霜严重的时期停机以减少机组停机后吸人过多的湿空气。(2)机组停运后，应保证充分的盘车时间，使整个转子及缸体充分冷却至环境温度(厂房内气温)。避免缸体因盘车时间不够与环境存在过大温差。(下转第8 9 页)第3 4 期粱奕伟等：W 2 5 1B 1 1 型燃气轮机热通道部件烧坏技术分析引起温度场的分布不均匀的因素有多种，但是，只要我们能够对某些与燃烧有关的参数，如透平前温度、排气温度、扩散度等参数加强监测掌握它们变化趋势，及时拆检有关部件，就能及时地处理。例如最常见的火焰筒，当只是过热造成轻度涂层剥落时能及时更换就比较容易维修，重复使用多次，如果严重多处烧穿时就只好报废了。3 3 加强和国内、外同行的交流当发现热通道部件严重烧坏后，我们多次组织有关技术人员到广东省内的其它燃机电厂参观取经，了解兄弟厂在机组运行和日常维护、备件国产化方面的经验，以改进我厂的技术管理工作。如果是设计方面的原因造成热部件的烧坏那么其它烧重油的W 2 5 l B l l 燃机电厂也会出现这种现象，为此，我们正设法与国外烧重油的W 2 5 1 8 1 1(上接第6 8 页)西部大开发及天然气西气东输将促进我国建设一批燃用天然气的燃机联合循环电站，蒸汽轮发电机组的设计制造单位和电力设计院应该抓住这个机会，根据国内外燃气轮发电机的设计与制造情况，联合设计及研制与燃气轮发电机相匹配的蒸汽轮发电机组及其配套的辅机。为做好燃机联合循环电站的设计及防止凝结水泵断水事故的发生，提如下建议：(1)编制凝结水泵有效净正吸水头计算规定；(2)水泵制造厂家设计、制造与燃机联合循环电站相匹配的水泵。如：凝结水泵宜在首级叶轮处或泵人口处设置抽气孔；燃机电厂联系。4 结束语W 2 5 1B 1 1 是目前国内唯一两台引进原美国西屋公司的燃气轮机机组。对于热通道部件损坏原因分析仅是初步的，有待于今后通过加强机组的运行、维修管理，不断探索，总结经验提高技术管理水平。作者简介：梁奕伟总工程师室主任工程师黄道文榆修部经理工程师耿世恩总工程师室高级工程师(3)由于燃机联合循环电站的凝结水泵的扬程和流量比大容量的燃煤电厂小，宜采用卧式凝结水泵，以减少凝结水泵入口及其人口管聚集气体的可能性；(4)在凝结水泵进水管的水平管段中，当管件(如：滤水器、同心太小头)有上凸部位时，应在上凸部位处设计到凝汽器的抽气管。作者简介：徐传海(1 9 5 8 一)，本科学士，教授级高工发电厂设计啦啦啦啦啦口，啦啦，啦鹋t e 啦带，口啦t e 啦t e 口e t o 鹋，t o 僻啦，啦啦 c c，啦t e t c t e t c 啃e 啦，啦啦，鹋e，啦(上接第7 2 页)资少，运行成本低廉，然而收效十分显著，建议东j E(3)做好厂房内的冬季采暖，其气温不得低于地区的燃机电厂对此预以关注。零摄氏度以下。(4)改进原机组，在压气机首级动叶处的外缸壁上，加装加热装置(热空气喷吹装置)。一旦机组停运，该装置立即投入运行，或在机组打算盘车前数小时投运，预热缸体使其温度维持在2 0 3 0 左右。过低则起不到加热缸壁作用，过高则会使缸壁过分膨胀，产生额外应力而损坏缸体。这种改进将有效地消除机组压气机首级叶片再次弯曲的隐患，一旦投入该预热装置，则不必担心空气湿度过大、盘车时间过短及厂房温度过低等因素可能引起动叶结冰现象的再次发生。这种改进初投参考文献：1 杨世铭传热学高等教育出版社，1 9 8 9 2 清华大学热能工程系、大庆石油管理局供电公司联台编著燃气蒸汽联合循环电站培训教材1 9 8 8 3 沈炳正，黄希程燃气轮机装置机械工业出版社，1 9 9 1作者简介：李长仁大庆石油管理局电力总公司燃机电厂生产技术部机槭专职工程师隋铭燃机工程师燃气轮机压气机首级动叶弯曲原因及检修工艺燃气轮机压气机首级动叶弯曲原因及检修工艺作者：李长仁，隋铭作者单位：大庆石油管理局电力总公司燃机电厂(黑龙江大庆)引用本文格式：李长仁.隋铭 燃气轮机压气机首级动叶弯曲原因及检修工艺会议论文 2002