渦輪轉子H形葉片葉尖間隙測量

陳洪敏，韓 偉，熊 兵，郭光輝

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

燃氣輪機葉尖間隙對其性能有很大影響，間隙過大會使葉尖泄漏增大，降低燃氣輪機性能；而間隙過小將引發葉尖與機匣碰磨，影響燃氣輪機安全。如何設計、控制最佳葉尖間隙，對提高燃氣輪機性能、保障其安全非常重要[1]。合理設計間隙或主動控制間隙的關鍵在于了解葉尖間隙的實際變化情況，掌握其變化規律，驗證理論計算與設計的合理性，這對燃氣輪機研制過程中的優化設計和試驗安全具有重要的工程價值。因此，需要對葉尖間隙進行實時監測，為改進設計、找出最佳葉尖間隙提供依據。傳統的葉尖間隙測量方法有放電探針法、渦電流法、X射線測量法、超聲波測量法、微波測量法、電容法、光學法等[1～5]。

現代燃氣輪機中采用H形凹腔冷卻渦輪葉片，一個葉片將形成兩個間隙值，增加了葉尖間隙測量的難度。本文利用從ROTADATA公司引進的電容型葉尖間隙測量系統(CAPLONG)，通過自編算法，成功分離了H形葉片的葉盆間隙和葉背間隙，可同時測量、記錄和顯示葉盆與葉背間隙，并將其應用于工程實際中。

2 葉尖間隙測量設備

測量系統為中國燃氣渦輪研究院引進的電容型葉尖間隙測量系統，屬于調頻式，其基本原理是基于探頭端面與轉子葉尖所形成的電容變化進行間隙測量[6]。兩電極之間間隙變化將引起電容變化，進而引起振蕩頻率(即載波頻率)變化，利用這一變化信號對原載波信號進行調制，輸出調頻信號，再通過解調調頻信號，將頻率變化轉換為電壓變化，最后測量該電壓即可實現葉尖間隙的間接測量。

使用時，發現該系統不能正確測量H形葉片的葉尖間隙值。H形葉片具有單葉片雙間隙的特點，葉背和葉盆通過探針時各自都會產生一個波峰(圖1)。

通過分析H形葉片葉尖間隙原始信號的特征，設計新算法將葉盆間隙值和葉背間隙值從原始信號中分離，并通過校準，分別獲得葉盆間隙擬合系數和葉背間隙擬合系數，最終實現了H形葉片的葉尖間隙測量。同時，還利用葉盆間隙和葉背間隙的差值變化監測葉片的彎曲程度，結合多個探針的間隙變化數據計算轉子的輪盤軸心軌跡，這些新功能極大地增加了葉尖間隙測量系統的應用價值。

本葉尖間隙測量系統的主要技術指標：測量范圍為0.05～2.50 mm，適用環境溫度最高為1100℃，典型精度為±0.025 mm(0～1.50 mm 范圍)、±0.05 mm(1.50～2.50 mm范圍)。

3 葉尖間隙測量方案

本次試驗的單級渦輪試驗件共73個轉子葉片，文中所有間隙值均以相對量δ′=(間隙值δ/葉高h)×100%表示。采用同軸光電傳感器實現對同一葉片鎖相測量，四支探針均布在單級高壓渦輪機匣上進行葉尖間隙測量，如圖2所示。探針安裝結構簡圖如圖3所示。

為實現葉尖間隙的精確測量，試驗前使用三坐標檢驗裝置對探針回縮值進行了測量，裝配時測量了初始間隙值(平均值)，結果如表1所示。

4 測量結果分析

表1 各探針位置的初始間隙值Table 1 Initial tip clearance

試驗在中國燃氣渦輪研究院渦輪綜合試驗器上進行，開展了相對間隙1.0%、1.4%和3.4%三種不同設計間隙(通過改變機匣涂層厚度實現)的試驗。三次試驗的進口壓力、進口總溫(常溫進氣)和膨脹比均相同。數據處理結果中的葉背間隙、葉盆間隙分別指葉片葉背側和葉盆側壁面測得的葉尖間隙，并分別以S、P表示。文中下標max、min、mean，分別表示一個轉動周期中間隙的最大值、最小值和平均值。Smean-Pmean可反映葉片的彎曲過程。

4.1 試驗過程葉尖間隙變化

圖4為設計間隙1.4%下，整個試驗過程中四支探針葉尖間隙值等相位平均處理后的時間歷程。從圖中可看出，各間隙變化隨轉速N變化的趨勢一致，轉速升高過程中，間隙成下降趨勢；轉速下降過程中，間隙成上升趨勢；轉速穩定后，由于機匣與轉子的熱穩定不一致，間隙仍有緩慢變化；試驗結束進入停車狀態，轉速逐漸降低為零時，間隙又恢復到初始狀態。從Smean-Pmean曲線可看出，起動和停車過程，葉片具有明顯的彎曲過程。起動時由于轉速較低，葉片受離心力較小而氣動力較大，在氣動力作用下發生彎曲。對于渦輪葉片，彎曲方向是從葉盆向葉背彎曲，所以葉背側相比葉盆側更加遠離機匣，Smean-Pmean增大。當轉速上升到一定時，離心力增大，離心力與葉片內應力之和與氣動力接近，葉片不再繼續彎曲。隨著轉速的進一步上升，離心力增大，但同時氣動力也在增大，兩者增大量抵消，所以葉片彎曲變化較小。降速時，氣動力消失，葉片主要在彎曲應力作用下恢復到初始位置，彎曲程度減小，Smean-Pmean減小。

4.2 試驗異常時間隙變化

從圖4中還看出，兩豎線標記之間的間隙大幅跳動，試驗出現異常，即設計間隙1.4%的試驗過程中，在折合轉速0.90左右時，葉尖間隙出現異常，間隙最小值減小幅度較大，平均值也在減小，而最大值變化不明顯，可能是輪盤軸心動態移動所致。從圖5中可看出，四支探針所測葉尖間隙同時出現有規律的正弦波動。由于各探針相互間的安裝角度相差90°，所以各探針測得的間隙變化也可觀察到90°的相位差。由于該系統監測到了試驗異常時的間隙變化，并及時報警，通過采取降速措施，退出了異常狀態，避免了重大事故發生，起到了安全監測作用。

圖5 渦輪工作異常時葉尖間隙變化Fig.5 Tip clearance graph when the turbine is in abnormal state

圖6 1號探針間隙變化過程Fig.6 Changes of tip clearance measured by probe 1

圖7 2號探針間隙變化過程Fig.7 Changes of tip clearance measured by probe 2

圖6～圖9是四支探針測量得到的葉背、葉盆間隙。從圖中可看出，間隙開始異常時，2號探針的平均間隙稍增大，3號探針的平均間隙稍減小，1號和4號探針的平均間隙急劇減小，說明輪盤軸心偏向左邊位置(以圖1為參考)；所有探針的最小間隙均急劇減小，說明轉子自轉的同時，其輪盤軸心也在繞轉動中心轉動；試驗異常時1號探針的最小間隙為0.2%，有發生碰磨的危險。此后開始降速，所有間隙慢慢變大，并在折合轉速0.86左右退出異常狀態。

4.3 試驗異常時的軸心軌跡

由于葉尖間隙測量相當于葉片徑向位移測量，假設不考慮機匣、葉片和輪盤的加工誤差，機匣內壁橫截面為圓形，所有葉片葉尖的周向連線為圓形，且工作過程中機匣均勻膨脹及葉片均勻伸長(即所有葉片葉尖的周向連線仍為圓形)，則通過間隙數據，可分析出輪盤軸心軌跡的運動狀態。

以1號探針為X軸、2號探針為Y軸合成軸心軌跡。試驗異常時該輪盤軸心軌跡見圖10、圖11。從圖中可看出，該運動為同步正進動，相對于正常狀態，主要表現在軌跡幅值明顯增大，即轉子彎曲或偏心加大。

4.4 性能點間隙隨轉速的變化

從圖12中可明顯看到，相同設計間隙下，葉尖間隙隨著折合轉速的增大呈減小趨勢。由于外環機匣壁溫變化不大，機匣膨脹量較小，說明轉子葉片在離心力作用下伸長是導致間隙減小的主要原因。

從圖13可看到，機匣壁溫與設計間隙大小關系緊密。設計間隙3.4%時，壁溫最高，說明此時葉尖與機匣間的流動損失最大。設計間隙1.4%比1.0%的壁溫低，說明設計間隙1.4%時葉尖與機匣間的流動損失最小，且折合轉速0.80以后壁溫與轉速呈正比關系。

圖14說明間隙越小效率越高，設計間隙3.4%與1.0%的效率差異較大，在折合轉速0.80時效率差為2.1%，充分說明間隙設計對效率、性能的重要影響。在大多數轉速下，設計間隙1.0%的效率比1.4%的高，最高效率差值達0.5%；在折合轉速0.90時，設計間隙1.0%與1.4%的效率相同。結合圖13可以說明，間隙流動損失只是影響渦輪級效率的因素之一，雖然設計間隙1.4%時間隙內流動損失最小，但其間隙泄漏流量仍比設計間隙1.0%時的大，做功的有效流量稍小，綜合起來，設計間隙1.0%時的級效率略高。

5 結論

(1)渦輪進口常溫氣體性能試驗中，葉尖間隙隨著轉速的增大呈減小趨勢，且H形葉片的葉背和葉盆間隙變化趨勢一致。

(2)起動和停車過程中葉片彎曲變化較大，但達到一定轉速后葉片彎曲程度趨于穩定。

(3)葉尖間隙測試系統實時、準確地捕獲了試驗件試驗異常狀態，并及時報警，避免了事故的發生；通過分析數據，繪制軸心軌跡，確定異常現象為同步正進動。

(4)本研究中，單級渦輪轉子在間隙1.4%左右時，間隙內流動的損失最小。

[1]馮 池，畢思明.基于激光三角測量法的葉尖間隙測量研究[J].汽輪機技術，2011，53(4)：267—270.

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[3]賈智偉，姜 濤，李應紅.基于調頻電容式技術的運動間隙的測量[J].計量技術，2002，(12)：27—29.

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