M701F4燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)失速應(yīng)對(duì)措施

蔣福東

摘 要：旋轉(zhuǎn)失速是葉輪機(jī)械內(nèi)部條件非定常流動(dòng)的一種失穩(wěn)現(xiàn)象，它是壓氣機(jī)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況或在惡劣的流場(chǎng)畸變等進(jìn)氣條件下，一種由系統(tǒng)或局部擾動(dòng)誘發(fā)的不穩(wěn)定流動(dòng)。旋轉(zhuǎn)失速影響機(jī)器的穩(wěn)定工作范圍和運(yùn)行可靠性，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致災(zāi)難性事故。介紹了M701F4燃?xì)廨啓C(jī)在調(diào)試試運(yùn)及日常運(yùn)行中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象特征，分析了其產(chǎn)生的原因，并提出了應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；旋轉(zhuǎn)失速；葉片質(zhì)量；進(jìn)氣壓損

中圖分類號(hào)：TK478 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.024

多級(jí)軸流壓氣機(jī)作為燃?xì)廨啓C(jī)的三大部件之一，關(guān)系著燃?xì)廨啓C(jī)的效率和安全、穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)多級(jí)軸流式壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)前的流動(dòng)特征進(jìn)行研究，一直是燃?xì)鉁u輪研究領(lǐng)域的關(guān)鍵課題。一旦出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速，葉片所承受的長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)應(yīng)力將導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片壽命降低。旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。喘振時(shí)，壓氣機(jī)的出口壓力、流量等參數(shù)會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率都不穩(wěn)定，并伴有強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)有極大的破壞性。因此有必要分析旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的原因，采取積極的應(yīng)對(duì)措施，從而盡量避免旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生。

1 M701F4燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象

M701F4燃機(jī)在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象——軸振突變，并伴BPT（葉片通道溫度）、燃燒室殼體壓力、進(jìn)氣室靜壓、進(jìn)氣室差壓和#1、#2 軸承密封空氣壓力等參數(shù)的異常變化，如圖1所示。

2 M701F4燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)失速原因分析

2.1 旋轉(zhuǎn)失速過(guò)程

對(duì)于M701F4燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)，其通流設(shè)計(jì)好后，從入口到出口的軸向速度基本確定，以防止流動(dòng)分離和損失增加。在啟動(dòng)升速期間，由于低轉(zhuǎn)速壓縮空氣的能力降低，后面級(jí)的體積流量和速度增加。然而，每個(gè)級(jí)都有體積流量的限制，當(dāng)流量達(dá)到限制（堵塞），就會(huì)導(dǎo)致入口質(zhì)量流量降低，如圖2所示。進(jìn)口流量降低會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣角變大，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，氣流會(huì)在葉背分離產(chǎn)生失速，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速，如圖3所示。

2.2 旋轉(zhuǎn)失速具體原因

壓氣機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的原因大體上可以歸納為以下兩點(diǎn)：①壓氣機(jī)性能不足。壓氣機(jī)失速邊界線往下偏移，與共同工作線相交而發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速或喘振。造成此類旋轉(zhuǎn)失速或喘振發(fā)生的主要原因是壓氣機(jī)制造、加工、安裝的質(zhì)量不佳以及運(yùn)行時(shí)候進(jìn)氣不均勻。②系統(tǒng)匹配問(wèn)題導(dǎo)致運(yùn)行壓比偏大。共同工作線往上偏移，與失速邊界線相交而發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速或喘振。造成此類旋轉(zhuǎn)失速或喘振發(fā)生的主要原因是與壓氣機(jī)共同工作的其他部件，例如SFC、進(jìn)氣過(guò)濾器、擴(kuò)壓器、透平等性能不足。

2.2.1 葉片質(zhì)量的影響

葉片質(zhì)量的影響主要指葉片的加工制造質(zhì)量，運(yùn)行過(guò)程中葉片表面臟污等的通流性能惡化。

2.2.2 葉頂間隙的影響

葉頂間隙的大小對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能影響有如下幾點(diǎn)：①間隙大會(huì)使空氣從轉(zhuǎn)子葉片葉尖處泄漏流動(dòng)，使壓氣機(jī)流量和效率降低。頂部間隙增加1%，壓氣機(jī)流量減少約1%，效率減小約1.3%.②在給定轉(zhuǎn)速和流量的條件下，泄漏渦的存在（特定情況下才會(huì)發(fā)生）會(huì)對(duì)主流區(qū)造成堵塞，改變主流區(qū)的流動(dòng)特征，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)級(jí)間匹配性能變差，使壓氣機(jī)的壓比降低，使得喘振線逼近工作線，喘振裕度降低，容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速。

因此，M701F4燃?xì)廨啓C(jī)在機(jī)組本體復(fù)裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制通流間隙，盡量將裝配值控制在設(shè)計(jì)值的下偏差。

2.2.3 SFC出力的影響

在M701F4燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，首先由SFC（靜態(tài)變頻裝置）拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)達(dá)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速700 rpm，然后SFC和燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱能作功一同將機(jī)組轉(zhuǎn)速提升至3 000 rpm，其中，SFC在機(jī)組轉(zhuǎn)速2 000 rpm時(shí)開(kāi)始退出。在啟動(dòng)過(guò)程中，SFC的容量不足（余量不夠），將導(dǎo)致燃機(jī)在升速過(guò)程中需多噴入燃料，導(dǎo)致BPT溫度上升，壓氣機(jī)壓比增加，進(jìn)氣流量減小，壓氣機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速，乃至喘振。

2.2.4 IGV和壓氣機(jī)抽氣閥的影響

燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)上主要針對(duì)機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)工作，在啟動(dòng)升速或停機(jī)過(guò)程中，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，這個(gè)過(guò)程雖然短暫，但因轉(zhuǎn)速和流量偏離設(shè)計(jì)工況太大，因此在機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中就更容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速乃至喘振現(xiàn)象。

為了確保燃機(jī)的良好起動(dòng)，提高氣動(dòng)加速性能、壓氣機(jī)喘振裕度，并最大限度地減小啟動(dòng)或停機(jī)運(yùn)行期間喘振的可能性，M701F4燃?xì)廨啓C(jī)安裝有可調(diào)的進(jìn)口導(dǎo)向葉片（IGV）和壓氣機(jī)抽氣閥。這兩個(gè)系統(tǒng)功能一起限制機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)期間壓氣機(jī)的空氣流量和壓力。

M701F4機(jī)組在啟動(dòng)和停止時(shí)，根據(jù)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)IGV的位置，在發(fā)出啟動(dòng)令且轉(zhuǎn)速小于2 745 rpm時(shí)，IGV位于中間開(kāi)度（36.17%，22°），以減小進(jìn)氣流量，擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，防止旋轉(zhuǎn)失速及喘振的發(fā)生。從目前已經(jīng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的機(jī)組來(lái)看，有必要對(duì)啟停過(guò)程中IGV的開(kāi)度和抽氣閥進(jìn)行調(diào)整。

2.2.5 進(jìn)氣壓損的影響

M701F4燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)由壓氣機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)和壓氣機(jī)進(jìn)氣過(guò)渡段兩大部分組成。安裝進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)是因?yàn)榭諝庵邪念w粒雜質(zhì)將會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)通流部分產(chǎn)生侵蝕、積垢甚至腐蝕，因此必須進(jìn)行過(guò)濾凈化處理，以確保燃機(jī)壽命。

當(dāng)進(jìn)口空氣濾網(wǎng)由于某種原因堵塞時(shí)，進(jìn)氣壓力損失將顯著增加。進(jìn)氣壓力的損失，使得壓氣機(jī)進(jìn)口壓力降低，在保持壓氣機(jī)出口壓力不變時(shí)，壓氣機(jī)的比功將增加，這時(shí)透平出力將更多地用在帶動(dòng)壓氣機(jī)上，使得燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率降低。另外，進(jìn)口壓力降低會(huì)使空氣比容增加，空氣質(zhì)量流量減少，M701F4在啟動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速。

3 對(duì)策措施

已經(jīng)投運(yùn)的M701F4（F4+）機(jī)組，對(duì)于由葉片臟污及SFC出力不足引起的旋轉(zhuǎn)失速，建議定期進(jìn)行葉片水洗，并增加SFC出力。對(duì)于由制造精度累積誤差造成的葉片不良引起的旋轉(zhuǎn)失速，建議調(diào)整壓氣機(jī)的運(yùn)行特性，以最大限度地避免旋轉(zhuǎn)失速。

3.1 壓氣機(jī)離線水洗

壓氣機(jī)葉片臟污需要定期進(jìn)行離線水洗，特別是壓氣機(jī)劣化明顯時(shí)要增加水洗頻率。一方面可以清潔葉片，另一方面可以確保各級(jí)流道的光滑，避免氣流擾動(dòng)引起的分離損失等。水洗后能恢復(fù)壓氣機(jī)效率，減小透平耗功、降低壓比，增加進(jìn)氣流量。

另外建議改造優(yōu)化進(jìn)氣過(guò)濾器，如采用HEPA過(guò)濾器，它能有效地收集灰塵顆粒，盡量減少性能退化和灰塵顆粒對(duì)壓氣機(jī)葉片涂層的沖蝕。

3.2 提高SFC出力

SFC出力=壓氣機(jī)耗功-透平出力。提高SFC出力，燃機(jī)會(huì)往低出力方向，即壓氣機(jī)低壓比方向偏移，從而減小了壓氣機(jī)的載荷，遠(yuǎn)離了失速/喘振邊界。

3.3 調(diào)整壓氣機(jī)運(yùn)行特性

從壓氣機(jī)葉片工作特性的角度考慮，壓氣機(jī)發(fā)生失速/喘振的主要原因是，某個(gè)或某幾個(gè)級(jí)出現(xiàn)了“過(guò)載”。所以，必須對(duì)造成失速的級(jí)別進(jìn)行“卸載”，才能避開(kāi)旋轉(zhuǎn)失速。具體為降低升速率、調(diào)節(jié)IGV角度和增加抽氣流量。

3.3.1 降低升速率

燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，要求總的出力大于平衡工作點(diǎn)（即大于0），才能實(shí)現(xiàn)升轉(zhuǎn)速，如圖4所示。圖中AB實(shí)線為燃機(jī)運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)與其他部件運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)共同工作線。當(dāng)加速運(yùn)行時(shí)，共同工作線會(huì)往高壓比偏移，如圖中的虛線所示；當(dāng)降低升速率時(shí)，加速工作線會(huì)往低壓比方向，即穩(wěn)態(tài)共同工作線方向偏移，壓氣機(jī)載荷減小，從而遠(yuǎn)離失速/喘振邊界線。

目前采取的措施是，在1 600 rpm至1 900 rpm區(qū)間將升速率由135 rpm/min改為90 rpm/min。升速率降低，透平耗功減小，壓氣機(jī)載荷減小，壓比減小。

3.3.2 調(diào)節(jié)IGV角度

可變導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)是改善失速、喘振裕度的有效措施之一。通過(guò)調(diào)節(jié)可變導(dǎo)葉的角度，可以控制下游葉片的進(jìn)氣角度，進(jìn)而有效控制失速、喘振的發(fā)生。

目前采取的措施是，在啟動(dòng)升速階段，開(kāi)大IGV角度，由21.5%變到22%，使得進(jìn)氣流量增加。

3.3.3 增加防喘抽氣流量

由于抽氣口的設(shè)計(jì)比較敏感，如果影響下游進(jìn)氣的均勻性，將會(huì)引起設(shè)計(jì)工況的失速、喘振，因而只有通過(guò)增大防喘抽氣的管徑來(lái)增加防喘流量。

目前采取的措施是，實(shí)施邏輯改造為2 050 rpm前打開(kāi)高壓抽氣閥，使得壓氣機(jī)前端流量增加，如圖5所示。

4 結(jié)論

通過(guò)旋轉(zhuǎn)失速應(yīng)對(duì)措施的實(shí)施，很大程度上解決了M701F4旋轉(zhuǎn)失速的問(wèn)題，保障了機(jī)組安全運(yùn)行。對(duì)于國(guó)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行而言，需要加強(qiáng)進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)的定期清理和壓氣機(jī)的水洗，提高燃機(jī)的效率，避免旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生

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〔編輯：王霞〕