變幾何渦輪可靠性試驗研究

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摘 要：為滿足燃氣輪機變工況適應性要求，使其在不同環境和工況下保持最佳性能，采用變幾何動力渦輪是有效手段之一。本文針對變幾何渦輪特點設計了相關試驗臺，利用液壓傳動裝置來驅動可轉導葉轉動，采用不同流量和溫度模擬燃氣輪機渦輪運行時的不同工況，通過試驗研究并驗證變幾何渦輪的可靠性。

關鍵詞：燃氣輪機 變幾何渦輪 可靠性 可轉導葉

中圖分類號：TK474 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0096-03

燃氣輪機工作環境一般較為復雜，經常需要在變工況條件下進行工作；如何保證變工況條件下，燃機獲得最佳性能成為一項關鍵性研究課題[1]。目前變幾何技術是解決該問題的一個有效方法[2]。本文主要通過試驗驗證變幾何渦輪的可靠性。

1 試驗前工作及裝置介紹

1.1 轉接段冷卻水套設計加工

冷卻水套材質采用304不銹鋼，外壁厚10mm，內壁厚4mm，冷卻空氣管穿過內外壁接入，供水管路用高壓軟管連接，轉接段與試驗件接口采用石墨纏繞墊密封。冷卻水套結構如圖1所示。

1.2 液壓泵站測控元件調試

變幾何渦輪試驗件通過液壓傳動裝置對轉動環施加切向力，進而通過聯動裝置帶動可轉導葉轉動。試驗研究中首先在冷態條件下完成液壓泵站測控元件的恢復及液壓行程調節。

試驗過程中通過調整液壓泵出口壓力調節向傳動環傳遞力的大小，通過調節活塞上指針與行程開關的相對位置使活塞桿行程與可轉導葉位移要求相匹配。

刻度盤與可轉導葉轉軸圓心重合，并將刻度盤固定在可轉導葉轉軸上。試驗中要求可轉導葉在-100～+100之間變化，因此調試過程中通過調整活塞桿行程及指針相對位置使可轉導葉位移滿足試驗要求。

1.3 試驗裝置介紹

變幾何渦輪結構試驗系統如圖2所示。試驗臺主要包括氣源、穩壓箱、燃燒室、試驗段、空氣預熱器、燃油管路、燃氣管路、冷卻空氣管路和冷卻水管路。

按照工質分類該試驗臺由燃氣系統、冷卻空氣系統、燃油系統及冷卻水系統四部分組成。燃氣系統由三級離心空壓機組作為氣源提供實驗所需的壓縮空氣，空壓機組流量調節范圍1.5～2.7kg/s，額定工況壓比10。壓縮空氣經穩壓箱進入燃燒室燃燒產生高溫燃氣供入變幾何渦輪試驗段。

（1）試驗臺空氣系統。

試驗中氣源系統由三級離心空壓機組管路系統組成，試驗中可調節空壓機組出口壓力設定值，使試驗件進口壓力滿足試驗要求，在排氣管路中設置高溫調節閥調節燃氣流量，同時在試驗系統中設置空氣-燃氣換熱器使冷氣溫度達到試驗要求。

（2）供油燃燒系統。

供油系統將柴油從油罐泵出，首先通過低壓油濾、閥門和燃油流量計，再經過高壓油濾和供油閥，最終進入試驗燃燒室。在油泵后設有回油路，供油壓力可由回油閥和供油閥進行電動調節。

啟動點火用的燃油則直接由設在實驗間內的油箱供給，燃油經過低壓油濾、電磁活門后進入試驗燃燒室的啟動噴嘴。

（3）測量設備。

變幾何渦輪結構試驗需要監測的試驗參數包括燃氣流量、燃氣溫度、燃氣壓力、冷氣溫度及冷氣流量。其中燃氣流量為間接測量量，需根據如下公式計算：

因此檢定的儀器儀表包括空氣進口壓力傳感器、溫度傳感器、流量計差壓變送器。壓力傳感器、溫度傳感器及差壓變送器由黑龍江省計量院檢定，壓力傳感器檢定結果為2級精度，溫度傳感器精度為±1.5%，差壓變送器精度為0.5級。

燃氣溫度及壓力的測量布置在試驗件過渡段前的測量段上，溫度傳感器采用上海儀表三廠生產熱電偶（精度0.5%），冷氣流量采用旋進流量計（精度1%）測量，所有的測量參數都可由計算機實時采集并記錄。

（4）試驗件介紹。

變幾何渦輪（整環）結構驗證件由機匣組件、可轉導葉、護板、聯動裝置、柔性石墨墊片及軸套、冷卻空氣系統、操控系統等裝置組成。整套裝置通流部分燃氣溫度為800℃，外部壁面溫度為400℃左右，零部件在高溫作用下要產生變形，導致高溫氣體泄漏或轉動部件受阻，試驗目的是測試渦輪可轉導葉結構在高溫高壓條件下的密封結構和轉動機構的可靠性。

2 試驗的步驟及方法

2.1 試驗前檢查工作

（1）進行渦輪可轉導葉試驗件外部檢查并檢查維護場地，試驗場地內不應有不相干的物體。

（2）檢查試驗件與試驗臺聯接是否牢固無泄露。

（3）開啟可轉導葉轉動控制系統和泵站冷卻風機，檢查冷態下導葉轉動是否正常。

（4）開啟冷卻水系統，檢查試驗件水套能否正常工作。

（5）檢查其他管路和閥門的工作狀態。

（6）檢查數據采集系統的工作狀態（包括漏氣測量流量計、燃氣進氣流量測量裝置、壓力測試儀表等）。

（7）檢查渦輪可轉導葉試驗件在底座上的固定，檢查螺栓連接，證實它們完全被擰緊。

2.2 試驗系統啟動順序

（1）啟動可轉導葉水套冷卻水裝置，并將閥門打到全開位置。

（2）啟動可轉導葉轉動控制系統，按油泵啟動按鈕-油泵啟動-按油缸工作按鈕-油缸活塞桿開始工作-按冷卻器按鈕-冷卻器開始工作。

（3）開啟空氣壓縮機系統，進行可轉導葉試驗件冷吹，持續1～5min。

（4）開啟燃氣發生系統，緩慢推升工況，并按要求進行數據記錄。

2.3 試驗停止

（1）關閉點火油路電磁閥。

（2）關閉可轉導葉控制系統，按冷卻器停止按鈕，冷卻器停止，按油缸停止工作按鈕，油缸停止工作，按油泵停止按鈕，油泵停止。

（3）對試驗管路系統冷吹，待管路系統溫度降至100℃以下，關閉空壓機組。

（4）關閉冷卻水系統。

3 試驗記錄

本次變幾何渦輪結構驗證試驗共分5次完成，試驗工作壓力0.4MPa，起始燃氣流量2.0kg/s。每次試驗啟動時調整燃油流量使燃氣溫度升高至500℃、600℃、700℃在各溫度點穩定30min，最后將燃氣溫度提升至790℃，記錄轉動機構往復運動次數直至關機。每次試驗停機冷卻后隨機選取可轉導葉轉動，檢查是否有由于熱應力咬死現象。

4 試驗件分解檢查

試驗后對渦輪可轉導葉試驗件進行了分解檢查對關鍵的配合尺寸進行了復測，經檢查渦輪可轉導葉機匣內外表面狀態良好，可轉導葉葉頂和葉根處無摩擦痕跡，陶瓷轉軸和陶瓷軸套無磨損痕跡，柔性石墨軸套和柔性石墨墊片狀態良好，關節軸承上有輕微磨痕，試驗件整體狀態良好。

5 試驗結論

（1）在操控系統控制下變幾何渦輪可轉導葉共進行往復運動2656次，渦輪可轉導葉在高溫高壓條件下轉動機構轉動靈活無卡死現象發生。

（2）試驗件無燃氣泄漏。

（3）試驗中應用點溫計測量試驗件表面溫度約340℃。

（4）液壓控制系統的行程開關設計精度為：±0.2mm，折合成導葉偏轉角度誤差為0.2°。

（5）試驗結果表明變幾何渦輪總體結構和密封結構設計是可靠的。

參考文獻

[1] 惠宇，宋華芬.可轉導葉級對多級軸流渦輪特性的影響[J].燃氣輪機技術，2008，21（3）：36-39.

[2] 潘波，白創軍，趙洪雷，等.變幾何渦輪對渦輪氣動性能的影響研究[J].燃氣輪機技術，2012（3）：40-43.endprint