M701DA燃機壓氣機動葉鎖鍵的配合方式研究

施曉煒 錢衛武

摘要：某公司三菱M701DA型號燃機在檢修過程中發現壓氣機14級和15級動葉鎖鍵存在兩種配合方式。以這兩種配合方式作為研究對象，從三個方面對比分析其對壓氣機運行安全性和可靠性產生的不同影響，最終確定正確的動葉鎖鍵配合方式。

Abstract： During the maintenance of Mitsubishi M701DA gas turbine， it is found that there are two matching modes of lock key of? the 14th and 15th stage compressor blade.Taking two matching modes as the object of study， the different effects on the safety and reliability of compressor operation are compared and analyzed from three aspects， and the correct matching mode of rotor lock key is finally determined.

關鍵詞：壓氣機;動葉;鎖鍵;配合方式

Key words： compressor;blade;lock key;matching mode

中圖分類號：U263.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0182-02

0? 引言

某公司#5機組燃機為三菱M701DA型號，壓氣機共計19級，壓氣機動葉通過輪轂上的鎖鍵進行固定，鎖鍵存在兩種不同型號的鎖鍵，一種普通連接鎖鍵，一種位于180°對稱位置的封口鎖鍵，如圖1。在2020年12月一次檢修過程中發現，壓氣機14級和15級動葉鎖鍵原先配合方式與檢修要領書上提供的配合方式存在偏差，其中一塊鎖鍵翻轉了180°，這直接說明動葉鎖鍵原先配合方式可能存在問題，會直接影響壓氣機運行的安全性和可靠性，需要對這兩種動葉鎖鍵配合方式進行對比研究。

1? 研究對象

在檢修過程中，發現壓氣機動葉上的普通連接鎖鍵存在兩種配合方式，主要在于后一塊鎖鍵的方向，一種是兩塊平行鎖鍵凸緣方向一致，鎖鍵產生的隘口位于輪轂槽道中間，如圖2;另一種是兩塊平行鎖鍵凸緣方向相對，鎖鍵產生的隘口位于輪轂槽道與動葉相銜接的位置，如圖3。

以動葉鎖鍵這兩種不同的配合方式作為研究對象，從以下三個方面對比分析其會對壓氣機運行的安全性和可靠性產生的不同影響，主要包含氣流擾動、積垢、腐蝕。氣流擾動指的是氣流在葉片上流動時，由于葉片的不規則形狀產生的擾動。積垢指的是氣流中裹挾的微小的塵屑，在葉片上堆積從而形成。腐蝕，在葉片上發生的腐蝕主要是電化學腐蝕，在一定條件下葉片上持續電離出金屬離子，從而葉片發生減薄現象。

2? 對比研究

2.1 氣流擾動

根據文獻[1]氣流在壓氣機級中運動過程時，會產生流動損失，主要包含葉型損失、環端面損失及二次流損失。葉型損失，是由于氣體的黏性使得緊靠葉型表面一層氣流情況有異于主流，進而產生摩擦、分離，這些造成了流動能量的損失。環端面損失，是由于氣流沿著氣缸和轉子輪轂表面所流動產生的摩擦和渦流損失。二次流損失，是由于氣體實際流動是復雜的，特別是頂部和根部附近，流動的物理現象更加復雜，出現很多和主流方向大不相同的流動，這些可以擾亂主流的運動產生損失。因而，葉型損失、二次流損失主要存在葉片及葉片周圍，環端面損失存在于氣缸及轉子輪轂表面。在設計工況下，葉型損失、二次流損失和環端面損失約占總損失40%、40%及20%。同時當氣體流量增加時，環端面損失會有所增加，是由于流量增大時產生的摩擦損失將增加。二次流損失會隨流量增大而略有降低，但變化不大。設計工況下，葉型損失一般較小，但偏離設計點較大時，就會明顯增大，是由于沖角加大，氣流發生脫離，流動情況嚴重惡化所致。在由此可以確認氣流在壓氣機級中運動時，氣流在葉片上流動產生的影響遠遠大于在輪轂上流動的影響，同時受葉片自身狀況影響較大。

對方式二進行分析（方式二現場圖如圖4），由于壓氣機動葉鎖鍵產生的隘口位于動葉邊緣，氣流在葉片上流動時，葉片上氣流會經輪轂槽道與動葉之間的間隙進入隘口，在隘口內產生渦旋進而形成氣流擾動，擾動能量可以在隘口內部不斷積聚，進而引起壓氣機葉片由根部產生振動，產生額外的能量損失，影響壓氣機動葉的動力性能，長時間運行會造成壓氣機運行過程中發生喘振的頻率增加，對壓氣機運行的安全性及可靠性產生嚴重影響。

對比方式一（方式一現場圖如圖5），由于壓氣機動葉鎖鍵產生的隘口位于輪轂槽道中間，氣流在輪轂上流動時，產生影響遠遠小于方式二，從而在隘口處不會形成渦流，進而不會產生氣流擾動，因此壓氣機葉片不會因此由根部產生振動，更不會影響壓氣機動葉的動力性能。另外根據前面所述，由于動葉鎖鍵產生的隘口位于輪轂槽道中間，在氣體流量增大時，對壓氣機動葉葉片產生的影響較小，不會使壓氣機動葉的葉型損失增大。

2.2 積垢

對方式二進行分析，主要由于氣流擾動進一步的影響，隨著氣流進行運動的微小的塵屑會在隘口位置進行沉降堆積，也就是產生積垢。根據文獻[2]在積垢過程中，由于葉片葉根吸力面尾緣附近有一層明顯的低速區域，即為附面層，由于隘口緊貼著葉片葉根，隘口位置由于氣流擾動產生的積垢會加快葉根位置的附面層的積垢速率，使得葉片葉根變得越來越厚。在葉片葉根變厚以后，葉片葉根處整體的靜壓呈減小趨勢，這表明加厚葉片以后葉片通道的增壓效果明顯下降，壓氣機效率顯著下降。同時當積垢使得葉片的厚度發生變化時，會使得葉片的載荷增加，嚴重時甚至會導致葉片會發生斷裂，嚴重影響壓氣機的正常工作。

對比方式一，由于隘口位于輪轂槽道中間而非葉片葉根位置，葉片葉根位置的附面層不會因此加快積垢速率，葉片葉根的厚度僅受附面層的影響，積垢程度會遠低于方式二，方式一葉片葉根積垢的厚度會小于方式二，壓氣機效率所受影響會小于方式二。

根據文獻[3]積垢改變了氣流的進氣角，增加了葉片的表面粗糙度，減小了壓氣機喉部面積和氣流通道的流通能力，使得壓氣機的壓比、效率降低。另外，積垢改變了葉片葉根及輪轂槽道的形狀，影響著葉片表面的壓力、速度和湍流粘性系數等流場特征參數的分布，使其受到的表面應力增加，長期工作可造成應力疲勞甚至發生斷裂，對壓氣機運行的安全性及可靠性產生嚴重影響。由于方式一的積垢程度低于方式二，從而方式一中的壓氣機動葉所受積垢作用的影響程度遠小于方式二。

2.3 腐蝕

對方式二進行分析，隨著隘口及葉根位置積垢程度逐漸加劇，氣流在對應位置沖刷不斷加強，涂層逐漸出現裸露情況。[4]在一定相對濕度（大于70%）條件下，由于隘口的存在，空氣中的水分隨氣流在葉片上流動至隘口位置容易附著其表面形成水膜，同時空氣中的鹵化物（腐蝕源）存在于積垢中，兩者互相融合形成鹵化物溶液，電離出鹵性離子。由于隘口緊貼著葉片葉根，隘口處不斷產生的鹵性離子與葉片中活性金屬持續發生電化學腐蝕，破壞葉片表面的鈍化層，加劇腐蝕。由于壓氣機一直在運行，在氣體的作用下，葉片表面的溶液不斷分化、發霉，不斷重復前面的過程，在葉片上不斷形成腐蝕原電池，對葉片內部進行腐蝕，加上葉片材料的各處細微組織成分不均勻，使葉片內部的腐蝕速度加快。當腐蝕持續發生以后，隨后在葉片機械應力、疲勞應力的復合作用下，葉片葉根會產生裂紋甚至發生斷裂情況，對壓氣機運行的安全性及可靠性產生嚴重影響。對比方式一，由于隘口位于輪轂槽道中間而非葉根位置，空氣中的水分隨著氣流在輪轂流動時，即使在輪轂槽道中間位置的隘口形成水膜，由于隘口未緊貼著葉片葉根，不滿足葉片葉根發生電化學腐蝕的條件，從而葉片葉根發生腐蝕的可能性遠低于方式二，進而壓氣機葉片產生裂紋甚至發生斷裂情況的可能性會遠低于方式二。

3? 結論

綜上所述，最終壓氣機動葉上的普通連接鎖鍵的配合方式應選擇方式一，即兩塊平行鎖鍵凸緣方向一致，鎖鍵產生的隘口位于輪轂槽道中間，主要原因在于：①方式一的隘口由于位于輪轂槽道中間，氣流在輪轂上流動時，產生影響遠遠小于方式二，不會由于產生渦流而引起氣流擾動，葉片葉根不會因此發生振動，不會影響壓氣機動葉的動力性能。②葉片葉根附面層的積垢速率不會因方式一中的隘口位置的影響而加快，從而方式一中的壓氣機動葉所受積垢作用的影響程度遠小于方式二。③即使在方式一的隘口位置形成水膜，由于隘口未緊貼著葉片葉根，不滿足葉片葉根發生電化學腐蝕的條件，葉片葉根發生腐蝕的可能性遠低于方式二，進而壓氣機葉片產生裂紋甚至發生斷裂情況的可能性會遠低于方式二。

參考文獻：

[1]焦樹建，孫守林，張艷春，等.燃氣輪機與燃氣——蒸汽聯合循環裝置 [M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]孫海鷗，王立松，王忠義，萬雷.積垢條件下壓氣機性能衰退數值模擬[J].哈爾濱工程大學學報，2018，39（11）：1773-1778.

[3]李釗，王永華，黃帥，楊春. 積垢對壓氣機流場影響的數值分析[J].海軍航空工程學院學報，2011，26（6）：637-644.

[4]張普青.渦噴八型發動機壓氣機葉片的腐蝕與防護 [C]//江蘇省航空航天學會.2011年航空維修理論研究及技術發展學術交流會論文集，2011：32-33.