燃氣輪機動力渦輪熱負荷機械運轉試驗方法

張三多，劉京春，王兆豐

(西安航空發動機(集團)有限公司，陜西西安710021)

燃氣輪機動力渦輪熱負荷機械運轉試驗方法

張三多，劉京春，王兆豐

(西安航空發動機(集團)有限公司，陜西西安710021)

闡述了利用工廠動力設備，在非專用試驗車臺上，進行兆瓦級大功率工業燃氣輪機動力渦輪工廠檢驗性試車的方法。采用空氣管路連接動力渦輪進氣口與排氣口，構成密閉閉環回路，利用電動機驅動動力渦輪運轉，渦輪葉片攪動空氣使其升溫，實現了熱態空負荷機械運轉的試驗狀態，達到了在額定工作轉速下進行機械磨合運轉試驗，和在一定溫度下對動力渦輪進行熱態檢驗試驗的目的。本方法對其他型號動力渦輪試車具有重要參考價值。

工業燃氣輪機；動力渦輪；機械運轉；熱態試車；空負荷試驗

1 引言

工業燃氣輪機機組制造中，檢驗性試車必不可少[1，2]。燃氣輪機主機都在專用試車臺上進行，但專用試車臺投資大、建設周期長，對試制型號或無批量型號的動力渦輪來說，建設專用車臺不可取。風機生產廠商，為了試驗壓縮機等設備，建有大功率、可調速的拖轉試驗臺，若能充分利用這些現有設備，做些小改動、小配套，實現兆瓦級大功率工業燃氣輪機的動力渦輪工廠檢驗性試車，不失為一種經濟、有效的方法。本研究在已有驅動裝置(異步電機、液力耦合器、增速箱等)的基礎上，通過調整液力耦合器的耦合度來調整動力渦輪的試驗轉速，在動力渦輪上通過空氣管路連接，構成密閉回路閉環，用電動機驅動動力渦輪運轉，從而實現熱態空負荷機械運轉試驗。

2 試驗目的與要求

本試驗為閉式熱態空負荷機械運轉試驗，是工廠檢驗性試車。試驗目的為：①對動力渦輪進行工作轉速下的機械磨合運轉試驗；②對動力渦輪進行機械振動監測，了解其振動特性(由于計算無法確定實際機匣的支撐剛度[3]，臨界轉速只能通過試驗獲得)；③測量軸承腔的潤滑油進油溫度、進油壓力、回油溫度、回油壓力、滑油流量，檢測與掌握滑油系統的工作情況；④測量并記錄封嚴壓縮空氣的溫度、壓力；⑤檢查轉速傳感器的工作情況；⑥在一定溫度下對動力渦輪進行熱態檢驗，檢驗各密封點的封嚴效果、轉動件與靜子件間的間隙和配合，及殼體熱膨脹狀態；⑦檢驗動力渦輪的制造和裝配質量。

試驗對象為某兆瓦級高轉速工業燃氣輪機的雙級動力渦輪。輸出軸帶半聯軸器，與試車臺增速箱輸出端匹配。

3 試驗方法

采用拖轉試驗[4]方式進行試驗：將動力渦輪排氣蝸殼出口到動力渦輪進口通過空氣管路連接，構成密閉回路閉環系統，使空氣在密閉回路中不斷循環，達到預定的出口溫度(150～450℃)；在動力渦輪進口處設節流閥，通過空氣調節，使動力渦輪接近無負荷運轉。

用電動機驅動動力渦輪進行磨合運轉，從動力渦輪氣流入口順氣流看轉動方向為順時針方向。與動力渦輪工作方向相同，通過監測動力渦輪的轉速、振動和軸承腔的潤滑油參數，來確認動力渦輪的機械運轉性能。圖1為動力渦輪出口到進口空氣管路連接示意圖。

圖1 動力渦輪出口到進口空氣管路連接示意圖Fig.1 Air line connects the power turbine inlet with its outlet

4 試驗設備

根據試驗要求及現場條件，本試驗系統設備由驅動裝置、潤滑油系統、空氣密封供氣系統、電控顯示與測量系統和空氣循環系統組成。

4.1 驅動裝置

驅動裝置由異步電機、液力耦合器、增速箱等組成，通過調整液力耦合器的耦合度來調整動力渦輪的試驗轉速。動力輸入方式為通過聯軸器連接動力渦輪軸與增速器輸出軸。

4.2 潤滑油系統

潤滑油系統采用與試驗臺共用的潤滑油站。動力渦輪拖轉試驗采用增壓供油方法，供油系統原理見圖2。供油系統由圓弧齒輪泵、溢流閥、調節閥、過濾器、流量計、壓力傳感器和溫度傳感器組成，用于監控進入渦輪滑油系統的供油壓力、溫度，同時為供油系統壓力調整提供依據。

圖2 滑油供回油系統原理圖Fig.2 Lubricating oil system

拖轉試驗采用強制回油系統，由單螺桿泵(配變頻電機)、調節閥、檢流計、壓力傳感器和溫度傳感器組成。回油系統的出口直接接入試驗臺回油管口。

4.3 空氣密封供氣系統

空氣供氣系統是將壓縮空氣除水、過濾后，以規定壓力和流量供入動力渦輪進氣口，用于氣封密封。氣封系統由氣水分離器、過濾器、減壓閥和壓力傳感器等組成。氣源由試驗臺廠房壓縮空氣提供，接入氣封系統后，壓縮空氣經減壓閥調至試驗所需壓力。

4.4 電氣控制顯示與試驗參數測量系統

電氣控制系統中的電源，主要是對電控柜、驅動供回油泵的電機、顯示儀表及特種測試儀器儀表供電。采用耐油動力電纜從試驗站電力配電柜內的電源母線上取電。

電控柜上設置供、回油泵電機啟停控制按鈕和電機運行狀態指示燈，系統具有短路、過載保護功能。為滿足試驗過程中對回油泵流量調節的需要，采用變頻器實現對回油泵電機的變頻調速，并在電控柜上設置回油泵轉速調節旋鈕，實現回油泵轉速在一定范圍內可調。

電控柜上安裝有工藝系統測量傳感器的二次儀表，及動力渦輪轉速、振動等參數的測量系統，可對動力渦輪拖轉試驗過程中工藝系統實時的壓力、溫度、流量及動力渦輪的轉速和振動等參數進行監測。

在動力渦輪排氣蝸殼、支承部位安裝有位移測量表，以測定動力渦輪變形量，有助于分析機匣的熱膨脹情況。

4.5 空氣循環系統

空氣循環系統是將動力渦輪排氣口與進氣口連接，形成空氣的自循環。其由過渡段、金屬波紋管、蝸殼進口堵蓋、手動閘閥、壓力傳感器和溫度傳感器組成。手動閘閥用于補充進氣，金屬波紋管用來補償管路在水平和豎直方向的位移量，溫度傳感器和壓力傳感器用于檢測空氣溫度和壓力，濾網用于防止外界雜質吸入渦輪內部。

5 試驗內容

燃氣輪機動力渦輪拖轉試驗按試驗大綱要求[5]進行，試驗程序如下：

(1)手動盤車，檢查動力渦輪內部有無雜音等現象。

(2)向動力渦輪供封嚴壓縮空氣，起動滑油系統(先啟動回油泵，再啟動供油泵)，把動力渦輪緩慢加速到1 000 r/min，監視滑油泄漏情況，記錄其轉速、振動值和滑油溫度。

(3)以小于600 r/min的加速率把動力渦輪轉速增至2 500 r/min，記錄轉速值、振動值和滑油溫度，期間觀察滑油系統有無泄漏。

(4)以小于600 r/min的加速率將動力渦輪轉速增至(4 500±50)r/min，記錄轉速、振動值和滑油溫度，期間觀察振動情況，記錄峰值振幅和相應的動力渦輪轉速。檢查機殼溫度，并將機殼表面溫度的溫升率控制在150℃/h。在此過程中，測定第一臨界轉速值。

(5)以小于600 r/min的加速率進行爬臺階試驗，轉速每升高500停5 min，記錄轉速、振動值和滑油溫度，期間觀察振動情況，記錄峰值振幅和相應的動力渦輪轉速。

(6)將動力渦輪轉速加速到工作轉速，穩定10 min，記錄數據。

(7)以小于600 r/min的減速率將動力渦輪轉速減至2 500 r/min，緩慢打開進氣管線調節閥放氣以調節氣體溫度，機殼表面溫度的溫降率控制在150℃/h。記錄數據，檢查滑油箱油位變化情況和滑油是否泄漏。

(8)將動力渦輪轉速減至1 000 r/min，穩定運轉至機殼表面溫度降至150℃以下時停車。

(9)停車過程中，聽檢有無雜音。

(10)目視檢查滑油管路；檢查金屬屑信號器；脫開檢測儀表并封住各測試口；當轉速為零后，潤滑和封嚴系統應繼續工作，并每隔5 min手動盤車180°，當滑油排油口溫度在30～35℃，機殼表面溫度下降至50℃以下時，才能脫開供油、供氣接口。

6 試驗結果分析

(1)按照此閉式熱狀態空負荷機械運轉試驗方法，對該兆瓦級大功率工業燃氣輪機的動力渦輪進行工廠檢驗性試車，試車過程正常，達到了試驗目的。停機后檢查盤車正常、無雜音，外部可視部件無損傷、無泄漏，螺栓無松動，用內窺鏡檢查未發現任何異常情況。

在檢查開車和正式試驗兩次試車過程中，都測到了第一臨界轉速。根據過渡態振動變化趨勢監測情況判斷，該機組臨界轉速為4 000 r/min。因為在通過該轉速區域時，軸承箱體水平測點(機匣內部)振動值迅速增加，在偏離該轉速區域時振動值迅速下降。與計算值相差10%。

(2)動力渦輪轉子直徑較大，特別是多級渦輪，拖轉試驗過程中溫升很快，在高轉速下應減少停留時間，以利控制循環空氣溫度。

(3)試驗過程為密閉式循環，不同于工作狀態，滑油供油量、封嚴空氣流量和壓力不能完全模擬工作狀態，必須現場掌控封嚴空氣與滑油腔壓力，防止滑油竄入高溫區而引起燃燒。

7 結論

燃氣輪機動力渦輪熱態閉式循環機械運轉試驗在國內尚屬首次，屬于開拓創新性試驗研究，本試驗為燃氣輪機動力渦輪工廠試車摸索出一條新路。

本次燃氣輪機動力渦輪拖轉試驗，機械磨合運轉正常，滑油系統工作正常，測定了第一臨界轉速，整個試驗過程中機械振動滿足設計要求。拖轉試車完成了動力渦輪在工作轉速范圍內的試驗內容，實現了對動力渦輪的機械運轉性能及裝配質量初步檢查的基本要求，達到了試驗目的，解決了動力渦輪工廠檢驗性試車問題。

[1]HG/T 3650-1999，煙氣輪機技術條件[S].

[2]API Std 616-1998，用于石油、化工、燃氣工業的燃氣輪機[S].

[3]某型燃驅壓縮機組動力渦輪轉子臨界轉速計算報告[R].四川成都：中國燃氣渦輪研究院，2012.

[4]吳愛中.動力渦輪在外力拖轉下的工況分析[J].汽輪機技術，2004，46(5)：359—362.

[5]某首臺燃氣輪機動力渦輪拖轉試驗大綱[R].西安：西安航空動力股份有限公司，2013.

Thermal-Load Mechanic Running Test of Power Turbine

ZHANG San-duo，LIU Jin-chun，WANG Zao-feng
(AVIC Xi’an Aero-Engine(Group)Corporation Ltd.，Xi’an 710021，China)

A rig test method was illustrated for the power turbine of the high-power industrial gas turbine of MWs order on unspecialized test rig using plant power facility.An air line was used to connect the power turbine inlet with its outlet to construct a closed circuit loop,using electric motor to drive the power turbine, with the turbine blades stirring air to heat the air.In this way,a closed circuit cycle was constructed through air-line connection and the power turbine was driven by electric motor.The power turbine was given me?chanic grounding-in test at normal operation speed and thermal test verification by heating air,making a mechanic running test of thermal state and void load.The study is of great importance of reference for the test of other types of power turbines.

industrial gas turbine；power turbine；mechanic running；thermal state test；void load test

文獻標識碼：A

：1672-2620(2014)04-0048-03

2014-03-10；

：2014-08-14

張三多(1956-)，男，四川德陽人，高級工程師，型號副總設計師，主要從事航空發動機設計和工業燃氣輪機設計工作。