LM2500型燃氣輪機透平中機匣裂紋故障分析

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

航改型燃氣輪機（簡稱航改機）是在航空發(fā)動機的基礎(chǔ)上經(jīng)技術(shù)改進發(fā)展而來的，其最大保留了航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，與其他傳統(tǒng)動力相比具有功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、維護方便、可靠性高等優(yōu)點，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。LM2500型燃氣輪機屬于GE公司的代表性航改型燃氣輪機，自上世紀70年代正式投用以來，已經(jīng)產(chǎn)生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型號，涵蓋了從23MW至33MW的功率等級，整機性能也不斷提高。其中LM2500+G4型燃氣輪機是GE公司2005年開發(fā)的新一代航改型燃氣輪機，不但具有LM2500系列燃氣輪機的高可靠性和可用性，且發(fā)電效率和排煙溫度更高，是最適合燃氣分布式能源系統(tǒng)的燃氣輪機之一[1]。

某分布式企業(yè)LM2500型燃氣輪機例行維護檢查時，孔探檢查發(fā)現(xiàn)透平中機匣（TMF）部分肋板外圈靠動力渦輪側(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋，均超出標準要求且部分裂紋存在交叉，并存在向焊縫和內(nèi)襯出氣邊擴展的趨勢。結(jié)合TMF設(shè)計原則及特點對裂紋生成因素分析，燃氣輪機運行時產(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、力學(xué)性能的穩(wěn)定性都會造成裂紋產(chǎn)生和擴展。

1 航改型燃氣輪機機匣特點

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

航改機機匣在工作狀態(tài)下需承受氣體負荷和質(zhì)量慣性力，其次還承受熱負荷、聲負荷及一些裝配應(yīng)力，其中承受氣體負荷和質(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匣上，熱負荷由高溫和內(nèi)外溫差引起，應(yīng)力由熱負荷對材料強度帶來的變化所引起。因此機匣的結(jié)構(gòu)設(shè)計除要具備支撐功能外，還必須滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求[3]。航改機透平中機匣（TMF）位于高壓透平與動力渦輪之間，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，需滿足冷卻、密封等要求[4]。

2 TMF裂紋出現(xiàn)過程分析

某分布式企業(yè)配置LM2500+G4型燃氣輪機2017年12月正式投產(chǎn)，引擎總運行小時數(shù)/啟動次數(shù)：13170小時/107次啟動，機組從進入COD以來一直運行在部分負荷10～12MW范圍，期間嚴格按照OM手冊進行燃機維護及定檢工作，共完成4次定檢工作。例行13000小時維護檢查時，通過對燃機本體孔探檢查、機械檢查，在透平中機匣部分肋板外圈靠動力渦輪側(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 TMF1號肋板裂紋及對應(yīng)支撐位置示意圖

圖2 TMF5號肋板裂紋及對應(yīng)支撐位置示意圖

TMF所有8個支撐均出現(xiàn)裂紋，裂紋長度在51～65mm之間，均超出了GE公司手冊標準50.4mm的要求，且部分裂紋存在交叉并存在向焊縫和內(nèi)襯出氣邊擴展的趨勢，繼續(xù)運行可能導(dǎo)致裂紋加速擴展、材料脫落，進入通流部分，造成下游低壓透平損壞，也可能會造成冷卻空氣通過裂紋泄漏到TMF支撐腔，最終影響推力平衡，還可能使得TMF無法對內(nèi)部的軸承系統(tǒng)提供可靠支撐。裂紋檢測中支撐號碼、裂紋長度（mm）、允許長度（mm）、超出長度（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，底部裂紋相對較小的分布趨勢。

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，在燃機啟停或負荷變動時受到熱應(yīng)力作用，一旦熱應(yīng)力大于其材料強度可能造成裂紋形成，同時支撐內(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公司手冊提到此處允許有不超過50.4mm的裂紋。經(jīng)了解同類機型未出現(xiàn)過TMF支撐裂紋超過50.4mm的情況，且根據(jù)GE方面反饋未發(fā)生類似情況。結(jié)合TMF設(shè)計原則及特點，對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位于燃氣渦輪后，在航改機正常工作時處于高溫環(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影響葉輪間的間隙變化和氣動效率[5]。在航改機啟停時工作溫度劇烈變化，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。

振動影響。TMF在工作過程中承受多種載荷，頻繁且較大的振動可能使其出現(xiàn)裂紋，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須保證其在寬的頻率范圍內(nèi)對激勵力具有低敏感性，防止有害振動的產(chǎn)生[6]。該燃機投產(chǎn)至今在9MW負荷附近運行時，GG（燃機燃氣發(fā)生器）、PT（動力渦輪）前后端軸承振動如圖4，皆遠離報警值（GG端振幅報警值4mil、跳機值7mil，PT端報警值7mil、跳機值10mil），且至今振動基本無變化，因此振動不是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

圖4 歷年振動情況圖

連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的穩(wěn)定性。TMF主要由多個承力部件連接組成，部件間的載荷通過連接結(jié)構(gòu)傳遞。當(dāng)連接結(jié)構(gòu)受到交變載荷作用時，接觸面間由于接觸應(yīng)力和狀態(tài)的差異會發(fā)生周期性的相對變形或滑移，造成微動損傷，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[5,7]，嚴重時會帶來安全隱患。

4 結(jié)語

結(jié)合TMF設(shè)計原則及特點對支撐裂紋生成因素分析，燃氣輪機運行時產(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、連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的穩(wěn)定性都會造成裂紋產(chǎn)生和擴展。因此在燃氣輪機的日常運維當(dāng)中要注意如下方面：

加強對振動的監(jiān)測，尤其需監(jiān)測運行過程中的變化趨勢，對開機前后的振動情況進行比較，特別是位于高壓透平和動力透平附近的振動。對軸承穩(wěn)定運行狀態(tài)的振動指標進行跟蹤記錄，在振動變化超過穩(wěn)態(tài)值25%幅值時，無論是增加還是減小都視為危險工況，應(yīng)研究考慮是否停機；加強排氣分散度和燃燒脈動趨勢的分析，主要是負荷穩(wěn)定階段的變化趨勢，對于排氣分散度不僅觀察其數(shù)值，同時應(yīng)注意記錄溫度最高及最低熱電偶部位是否發(fā)生變化；充分利用停機機會對TMF支撐處裂紋擴展情況進行連續(xù)監(jiān)測。在檢查時應(yīng)加強裂紋形貌、擴展長度、裂紋深度的檢查與比較，如裂紋擴展速率加快、裂紋增多、出現(xiàn)新的交叉裂紋等，應(yīng)考慮暫不啟機運行；及時共享相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，定期組織人員對機組運行情況進行遠程會診。