变几何涡轮可靠性试验研究

宁有智++张龙++劳新力

摘 要：为满足燃气轮机变工况适应性要求，使其在不同环境和工况下保持最佳性能，采用变几何动力涡轮是有效手段之一。本文针对变几何涡轮特点设计了相关试验台，利用液压传动装置来驱动可转导叶转动，采用不同流量和温度模拟燃气轮机涡轮运行时的不同工况，通过试验研究并验证变几何涡轮的可靠性。

关键词：燃气轮机 变几何涡轮 可靠性 可转导叶

中图分类号：TK474 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0096-03

燃气轮机工作环境一般较为复杂，经常需要在变工况条件下进行工作；如何保证变工况条件下，燃机获得最佳性能成为一项关键性研究课题[1]。目前变几何技术是解决该问题的一个有效方法[2]。本文主要通过试验验证变几何涡轮的可靠性。

1 试验前工作及装置介绍

1.1 转接段冷却水套设计加工

冷却水套材质采用304不锈钢，外壁厚10mm，内壁厚4mm，冷却空气管穿过内外壁接入，供水管路用高压软管连接，转接段与试验件接口采用石墨缠绕垫密封。冷却水套结构如图1所示。

1.2 液压泵站测控元件调试

变几何涡轮试验件通过液压传动装置对转动环施加切向力，进而通过联动装置带动可转导叶转动。试验研究中首先在冷态条件下完成液压泵站测控元件的恢复及液压行程调节。

试验过程中通过调整液压泵出口压力调节向传动环传递力的大小，通过调节活塞上指针与行程开关的相对位置使活塞杆行程与可转导叶位移要求相匹配。

刻度盘与可转导叶转轴圆心重合，并将刻度盘固定在可转导叶转轴上。试验中要求可转导叶在-100～+100之間变化，因此调试过程中通过调整活塞杆行程及指针相对位置使可转导叶位移满足试验要求。

1.3 试验装置介绍

变几何涡轮结构试验系统如图2所示。试验台主要包括气源、稳压箱、燃烧室、试验段、空气预热器、燃油管路、燃气管路、冷却空气管路和冷却水管路。

按照工质分类该试验台由燃气系统、冷却空气系统、燃油系统及冷却水系统四部分组成。燃气系统由三级离心空压机组作为气源提供实验所需的压缩空气，空压机组流量调节范围1.5～2.7kg/s，额定工况压比10。压缩空气经稳压箱进入燃烧室燃烧产生高温燃气供入变几何涡轮试验段。

（1）试验台空气系统。

试验中气源系统由三级离心空压机组管路系统组成，试验中可调节空压机组出口压力设定值，使试验件进口压力满足试验要求，在排气管路中设置高温调节阀调节燃气流量，同时在试验系统中设置空气-燃气换热器使冷气温度达到试验要求。

（2）供油燃烧系统。

供油系统将柴油从油罐泵出，首先通过低压油滤、阀门和燃油流量计，再经过高压油滤和供油阀，最终进入试验燃烧室。在油泵后设有回油路，供油压力可由回油阀和供油阀进行电动调节。

启动点火用的燃油则直接由设在实验间内的油箱供给，燃油经过低压油滤、电磁活门后进入试验燃烧室的启动喷嘴。

（3）测量设备。

变几何涡轮结构试验需要监测的试验参数包括燃气流量、燃气温度、燃气压力、冷气温度及冷气流量。其中燃气流量为间接测量量，需根据如下公式计算：

因此检定的仪器仪表包括空气进口压力传感器、温度传感器、流量计差压变送器。压力传感器、温度传感器及差压变送器由黑龙江省计量院检定，压力传感器检定结果为2级精度，温度传感器精度为±1.5%，差压变送器精度为0.5级。

燃气温度及压力的测量布置在试验件过渡段前的测量段上，温度传感器采用上海仪表三厂生产热电偶（精度0.5%），冷气流量采用旋进流量计（精度1%）测量，所有的测量参数都可由计算机实时采集并记录。

（4）试验件介绍。

变几何涡轮（整环）结构验证件由机匣组件、可转导叶、护板、联动装置、柔性石墨垫片及轴套、冷却空气系统、操控系统等装置组成。整套装置通流部分燃气温度为800℃，外部壁面温度为400℃左右，零部件在高温作用下要产生变形，导致高温气体泄漏或转动部件受阻，试验目的是测试涡轮可转导叶结构在高温高压条件下的密封结构和转动机构的可靠性。

2 试验的步骤及方法

2.1 试验前检查工作

（1）进行涡轮可转导叶试验件外部检查并检查维护场地，试验场地内不应有不相干的物体。

（2）检查试验件与试验台联接是否牢固无泄露。

（3）开启可转导叶转动控制系统和泵站冷却风机，检查冷态下导叶转动是否正常。

（4）开启冷却水系统，检查试验件水套能否正常工作。

（5）检查其他管路和阀门的工作状态。

（6）检查数据采集系统的工作状态（包括漏气测量流量计、燃气进气流量测量装置、压力测试仪表等）。

（7）检查涡轮可转导叶试验件在底座上的固定，检查螺栓连接，证实它们完全被拧紧。

2.2 试验系统启动顺序

（1）启动可转导叶水套冷却水装置，并将阀门打到全开位置。

（2）启动可转导叶转动控制系统，按油泵启动按钮-油泵启动-按油缸工作按钮-油缸活塞杆开始工作-按冷却器按钮-冷却器开始工作。

（3）开启空气压缩机系统，进行可转导叶试验件冷吹，持续1～5min。

（4）开启燃气发生系统，缓慢推升工况，并按要求进行数据记录。

2.3 试验停止

（1）关闭点火油路电磁阀。

（2）关闭可转导叶控制系统，按冷却器停止按钮，冷却器停止，按油缸停止工作按钮，油缸停止工作，按油泵停止按钮，油泵停止。

（3）对试验管路系统冷吹，待管路系统温度降至100℃以下，关闭空压机组。

（4）关闭冷却水系统。

3 试验记录

本次变几何涡轮结构验证试验共分5次完成，试验工作压力0.4MPa，起始燃气流量2.0kg/s。每次试验启动时调整燃油流量使燃气温度升高至500℃、600℃、700℃在各温度点稳定30min，最后将燃气温度提升至790℃，记录转动机构往复运动次数直至关机。每次试验停机冷却后随机选取可转导叶转动，检查是否有由于热应力咬死现象。

4 试验件分解检查

试验后对涡轮可转导叶试验件进行了分解检查对关键的配合尺寸进行了复测，经检查涡轮可转导叶机匣内外表面状态良好，可转导叶叶顶和叶根处无摩擦痕迹，陶瓷转轴和陶瓷轴套无磨损痕迹，柔性石墨轴套和柔性石墨垫片状态良好，关节轴承上有轻微磨痕，试验件整体状态良好。

5 试验结论

（1）在操控系统控制下变几何涡轮可转导叶共进行往复运动2656次，涡轮可转导叶在高温高压条件下转动机构转动灵活无卡死现象发生。

（2）试验件无燃气泄漏。

（3）试验中应用点温计测量试验件表面温度约340℃。

（4）液压控制系统的行程开关设计精度为：±0.2mm，折合成导叶偏转角度误差为0.2°。

（5）试验结果表明变几何涡轮总体结构和密封结构设计是可靠的。

参考文献

[1] 惠宇，宋华芬.可转导叶级对多级轴流涡轮特性的影响[J].燃气轮机技术，2008，21（3）：36-39.

[2] 潘波，白创军，赵洪雷，等.变几何涡轮对涡轮气动性能的影响研究[J].燃气轮机技术，2012（3）：40-43.endprint