陳洪敏，韓 偉，熊 兵，郭光輝

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

燃氣輪機葉尖間隙對其性能有很大影響，間隙過大會使葉尖泄漏增大，降低燃氣輪機性能；而間隙過小將引發(fā)葉尖與機匣碰磨，影響燃氣輪機安全。如何設(shè)計、控制最佳葉尖間隙，對提高燃氣輪機性能、保障其安全非常重要[1]。合理設(shè)計間隙或主動控制間隙的關(guān)鍵在于了解葉尖間隙的實際變化情況，掌握其變化規(guī)律，驗證理論計算與設(shè)計的合理性，這對燃氣輪機研制過程中的優(yōu)化設(shè)計和試驗安全具有重要的工程價值。因此，需要對葉尖間隙進行實時監(jiān)測，為改進設(shè)計、找出最佳葉尖間隙提供依據(jù)。傳統(tǒng)的葉尖間隙測量方法有放電探針法、渦電流法、X射線測量法、超聲波測量法、微波測量法、電容法、光學(xué)法等[1～5]。

現(xiàn)代燃氣輪機中采用H形凹腔冷卻渦輪葉片，一個葉片將形成兩個間隙值，增加了葉尖間隙測量的難度。本文利用從ROTADATA公司引進的電容型葉尖間隙測量系統(tǒng)(CAPLONG)，通過自編算法，成功分離了H形葉片的葉盆間隙和葉背間隙，可同時測量、記錄和顯示葉盆與葉背間隙，并將其應(yīng)用于工程實際中。

2 葉尖間隙測量設(shè)備

測量系統(tǒng)為中國燃氣渦輪研究院引進的電容型葉尖間隙測量系統(tǒng)，屬于調(diào)頻式，其基本原理是基于探頭端面與轉(zhuǎn)子葉尖所形成的電容變化進行間隙測量[6]。兩電極之間間隙變化將引起電容變化，進而引起振蕩頻率(即載波頻率)變化，利用這一變化信號對原載波信號進行調(diào)制，輸出調(diào)頻信號，再通過解調(diào)調(diào)頻信號，將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，最后測量該電壓即可實現(xiàn)葉尖間隙的間接測量。

使用時，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不能正確測量H形葉片的葉尖間隙值。H形葉片具有單葉片雙間隙的特點，葉背和葉盆通過探針時各自都會產(chǎn)生一個波峰(圖1)。

通過分析H形葉片葉尖間隙原始信號的特征，設(shè)計新算法將葉盆間隙值和葉背間隙值從原始信號中分離，并通過校準，分別獲得葉盆間隙擬合系數(shù)和葉背間隙擬合系數(shù)，最終實現(xiàn)了H形葉片的葉尖間隙測量。同時，還利用葉盆間隙和葉背間隙的差值變化監(jiān)測葉片的彎曲程度，結(jié)合多個探針的間隙變化數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)子的輪盤軸心軌跡，這些新功能極大地增加了葉尖間隙測量系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

本葉尖間隙測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標：測量范圍為0.05～2.50 mm，適用環(huán)境溫度最高為1100℃，典型精度為±0.025 mm(0～1.50 mm 范圍)、±0.05 mm(1.50～2.50 mm范圍)。

3 葉尖間隙測量方案

本次試驗的單級渦輪試驗件共73個轉(zhuǎn)子葉片，文中所有間隙值均以相對量δ′=(間隙值δ/葉高h)×100%表示。采用同軸光電傳感器實現(xiàn)對同一葉片鎖相測量，四支探針均布在單級高壓渦輪機匣上進行葉尖間隙測量，如圖2所示。探針安裝結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

為實現(xiàn)葉尖間隙的精確測量，試驗前使用三坐標檢驗裝置對探針回縮值進行了測量，裝配時測量了初始間隙值(平均值)，結(jié)果如表1所示。

4 測量結(jié)果分析

表1 各探針位置的初始間隙值Table 1 Initial tip clearance

試驗在中國燃氣渦輪研究院渦輪綜合試驗器上進行，開展了相對間隙1.0%、1.4%和3.4%三種不同設(shè)計間隙(通過改變機匣涂層厚度實現(xiàn))的試驗。三次試驗的進口壓力、進口總溫(常溫進氣)和膨脹比均相同。數(shù)據(jù)處理結(jié)果中的葉背間隙、葉盆間隙分別指葉片葉背側(cè)和葉盆側(cè)壁面測得的葉尖間隙，并分別以S、P表示。文中下標max、min、mean，分別表示一個轉(zhuǎn)動周期中間隙的最大值、最小值和平均值。Smean-Pmean可反映葉片的彎曲過程。

4.1 試驗過程葉尖間隙變化

圖4為設(shè)計間隙1.4%下，整個試驗過程中四支探針葉尖間隙值等相位平均處理后的時間歷程。從圖中可看出，各間隙變化隨轉(zhuǎn)速N變化的趨勢一致，轉(zhuǎn)速升高過程中，間隙成下降趨勢；轉(zhuǎn)速下降過程中，間隙成上升趨勢；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，由于機匣與轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定不一致，間隙仍有緩慢變化；試驗結(jié)束進入停車狀態(tài)，轉(zhuǎn)速逐漸降低為零時，間隙又恢復(fù)到初始狀態(tài)。從Smean-Pmean曲線可看出，起動和停車過程，葉片具有明顯的彎曲過程。起動時由于轉(zhuǎn)速較低，葉片受離心力較小而氣動力較大，在氣動力作用下發(fā)生彎曲。對于渦輪葉片，彎曲方向是從葉盆向葉背彎曲，所以葉背側(cè)相比葉盆側(cè)更加遠離機匣，Smean-Pmean增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定時，離心力增大，離心力與葉片內(nèi)應(yīng)力之和與氣動力接近，葉片不再繼續(xù)彎曲。隨著轉(zhuǎn)速的進一步上升，離心力增大，但同時氣動力也在增大，兩者增大量抵消，所以葉片彎曲變化較小。降速時，氣動力消失，葉片主要在彎曲應(yīng)力作用下恢復(fù)到初始位置，彎曲程度減小，Smean-Pmean減小。

4.2 試驗異常時間隙變化

從圖4中還看出，兩豎線標記之間的間隙大幅跳動，試驗出現(xiàn)異常，即設(shè)計間隙1.4%的試驗過程中，在折合轉(zhuǎn)速0.90左右時，葉尖間隙出現(xiàn)異常，間隙最小值減小幅度較大，平均值也在減小，而最大值變化不明顯，可能是輪盤軸心動態(tài)移動所致。從圖5中可看出，四支探針所測葉尖間隙同時出現(xiàn)有規(guī)律的正弦波動。由于各探針相互間的安裝角度相差90°，所以各探針測得的間隙變化也可觀察到90°的相位差。由于該系統(tǒng)監(jiān)測到了試驗異常時的間隙變化，并及時報警，通過采取降速措施，退出了異常狀態(tài)，避免了重大事故發(fā)生，起到了安全監(jiān)測作用。

圖5 渦輪工作異常時葉尖間隙變化Fig.5 Tip clearance graph when the turbine is in abnormal state

圖6 1號探針間隙變化過程Fig.6 Changes of tip clearance measured by probe 1

圖7 2號探針間隙變化過程Fig.7 Changes of tip clearance measured by probe 2

圖6～圖9是四支探針測量得到的葉背、葉盆間隙。從圖中可看出，間隙開始異常時，2號探針的平均間隙稍增大，3號探針的平均間隙稍減小，1號和4號探針的平均間隙急劇減小，說明輪盤軸心偏向左邊位置(以圖1為參考)；所有探針的最小間隙均急劇減小，說明轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)的同時，其輪盤軸心也在繞轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動；試驗異常時1號探針的最小間隙為0.2%，有發(fā)生碰磨的危險。此后開始降速，所有間隙慢慢變大，并在折合轉(zhuǎn)速0.86左右退出異常狀態(tài)。

4.3 試驗異常時的軸心軌跡

由于葉尖間隙測量相當(dāng)于葉片徑向位移測量，假設(shè)不考慮機匣、葉片和輪盤的加工誤差，機匣內(nèi)壁橫截面為圓形，所有葉片葉尖的周向連線為圓形，且工作過程中機匣均勻膨脹及葉片均勻伸長(即所有葉片葉尖的周向連線仍為圓形)，則通過間隙數(shù)據(jù)，可分析出輪盤軸心軌跡的運動狀態(tài)。

以1號探針為X軸、2號探針為Y軸合成軸心軌跡。試驗異常時該輪盤軸心軌跡見圖10、圖11。從圖中可看出，該運動為同步正進動，相對于正常狀態(tài)，主要表現(xiàn)在軌跡幅值明顯增大，即轉(zhuǎn)子彎曲或偏心加大。

4.4 性能點間隙隨轉(zhuǎn)速的變化

從圖12中可明顯看到，相同設(shè)計間隙下，葉尖間隙隨著折合轉(zhuǎn)速的增大呈減小趨勢。由于外環(huán)機匣壁溫變化不大，機匣膨脹量較小，說明轉(zhuǎn)子葉片在離心力作用下伸長是導(dǎo)致間隙減小的主要原因。

從圖13可看到，機匣壁溫與設(shè)計間隙大小關(guān)系緊密。設(shè)計間隙3.4%時，壁溫最高，說明此時葉尖與機匣間的流動損失最大。設(shè)計間隙1.4%比1.0%的壁溫低，說明設(shè)計間隙1.4%時葉尖與機匣間的流動損失最小，且折合轉(zhuǎn)速0.80以后壁溫與轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系。

圖14說明間隙越小效率越高，設(shè)計間隙3.4%與1.0%的效率差異較大，在折合轉(zhuǎn)速0.80時效率差為2.1%，充分說明間隙設(shè)計對效率、性能的重要影響。在大多數(shù)轉(zhuǎn)速下，設(shè)計間隙1.0%的效率比1.4%的高，最高效率差值達0.5%；在折合轉(zhuǎn)速0.90時，設(shè)計間隙1.0%與1.4%的效率相同。結(jié)合圖13可以說明，間隙流動損失只是影響渦輪級效率的因素之一，雖然設(shè)計間隙1.4%時間隙內(nèi)流動損失最小，但其間隙泄漏流量仍比設(shè)計間隙1.0%時的大，做功的有效流量稍小，綜合起來，設(shè)計間隙1.0%時的級效率略高。

5 結(jié)論

(1)渦輪進口常溫氣體性能試驗中，葉尖間隙隨著轉(zhuǎn)速的增大呈減小趨勢，且H形葉片的葉背和葉盆間隙變化趨勢一致。

(2)起動和停車過程中葉片彎曲變化較大，但達到一定轉(zhuǎn)速后葉片彎曲程度趨于穩(wěn)定。

(3)葉尖間隙測試系統(tǒng)實時、準確地捕獲了試驗件試驗異常狀態(tài)，并及時報警，避免了事故的發(fā)生；通過分析數(shù)據(jù)，繪制軸心軌跡，確定異常現(xiàn)象為同步正進動。

(4)本研究中，單級渦輪轉(zhuǎn)子在間隙1.4%左右時，間隙內(nèi)流動的損失最小。

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