張三多，劉京春，王兆豐

(西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，陜西西安710021)

燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪熱負(fù)荷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法

張三多，劉京春，王兆豐

(西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，陜西西安710021)

闡述了利用工廠動(dòng)力設(shè)備，在非專(zhuān)用試驗(yàn)車(chē)臺(tái)上，進(jìn)行兆瓦級(jí)大功率工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪工廠檢驗(yàn)性試車(chē)的方法。采用空氣管路連接動(dòng)力渦輪進(jìn)氣口與排氣口，構(gòu)成密閉閉環(huán)回路，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪葉片攪動(dòng)空氣使其升溫，實(shí)現(xiàn)了熱態(tài)空負(fù)荷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)狀態(tài)，達(dá)到了在額定工作轉(zhuǎn)速下進(jìn)行機(jī)械磨合運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，和在一定溫度下對(duì)動(dòng)力渦輪進(jìn)行熱態(tài)檢驗(yàn)試驗(yàn)的目的。本方法對(duì)其他型號(hào)動(dòng)力渦輪試車(chē)具有重要參考價(jià)值。

工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)；動(dòng)力渦輪；機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)；熱態(tài)試車(chē)；空負(fù)荷試驗(yàn)

1 引言

工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組制造中，檢驗(yàn)性試車(chē)必不可少[1，2]。燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)都在專(zhuān)用試車(chē)臺(tái)上進(jìn)行，但專(zhuān)用試車(chē)臺(tái)投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)，對(duì)試制型號(hào)或無(wú)批量型號(hào)的動(dòng)力渦輪來(lái)說(shuō)，建設(shè)專(zhuān)用車(chē)臺(tái)不可取。風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠商，為了試驗(yàn)壓縮機(jī)等設(shè)備，建有大功率、可調(diào)速的拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，若能充分利用這些現(xiàn)有設(shè)備，做些小改動(dòng)、小配套，實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)大功率工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪工廠檢驗(yàn)性試車(chē)，不失為一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法。本研究在已有驅(qū)動(dòng)裝置(異步電機(jī)、液力耦合器、增速箱等)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整液力耦合器的耦合度來(lái)調(diào)整動(dòng)力渦輪的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，在動(dòng)力渦輪上通過(guò)空氣管路連接，構(gòu)成密閉回路閉環(huán)，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)熱態(tài)空負(fù)荷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c要求

本試驗(yàn)為閉式熱態(tài)空負(fù)荷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，是工廠檢驗(yàn)性試車(chē)。試驗(yàn)?zāi)康臑椋孩賹?duì)動(dòng)力渦輪進(jìn)行工作轉(zhuǎn)速下的機(jī)械磨合運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)；②對(duì)動(dòng)力渦輪進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)，了解其振動(dòng)特性(由于計(jì)算無(wú)法確定實(shí)際機(jī)匣的支撐剛度[3]，臨界轉(zhuǎn)速只能通過(guò)試驗(yàn)獲得)；③測(cè)量軸承腔的潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度、進(jìn)油壓力、回油溫度、回油壓力、滑油流量，檢測(cè)與掌握滑油系統(tǒng)的工作情況；④測(cè)量并記錄封嚴(yán)壓縮空氣的溫度、壓力；⑤檢查轉(zhuǎn)速傳感器的工作情況；⑥在一定溫度下對(duì)動(dòng)力渦輪進(jìn)行熱態(tài)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)各密封點(diǎn)的封嚴(yán)效果、轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件間的間隙和配合，及殼體熱膨脹狀態(tài)；⑦檢驗(yàn)動(dòng)力渦輪的制造和裝配質(zhì)量。

試驗(yàn)對(duì)象為某兆瓦級(jí)高轉(zhuǎn)速工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的雙級(jí)動(dòng)力渦輪。輸出軸帶半聯(lián)軸器，與試車(chē)臺(tái)增速箱輸出端匹配。

3 試驗(yàn)方法

采用拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)[4]方式進(jìn)行試驗(yàn)：將動(dòng)力渦輪排氣蝸殼出口到動(dòng)力渦輪進(jìn)口通過(guò)空氣管路連接，構(gòu)成密閉回路閉環(huán)系統(tǒng)，使空氣在密閉回路中不斷循環(huán)，達(dá)到預(yù)定的出口溫度(150～450℃)；在動(dòng)力渦輪進(jìn)口處設(shè)節(jié)流閥，通過(guò)空氣調(diào)節(jié)，使動(dòng)力渦輪接近無(wú)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪進(jìn)行磨合運(yùn)轉(zhuǎn)，從動(dòng)力渦輪氣流入口順氣流看轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?。與動(dòng)力渦輪工作方向相同，通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)和軸承腔的潤(rùn)滑油參數(shù)，來(lái)確認(rèn)動(dòng)力渦輪的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能。圖1為動(dòng)力渦輪出口到進(jìn)口空氣管路連接示意圖。

圖1 動(dòng)力渦輪出口到進(jìn)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(yàn)設(shè)備

根據(jù)試驗(yàn)要求及現(xiàn)場(chǎng)條件，本試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備由驅(qū)動(dòng)裝置、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、空氣密封供氣系統(tǒng)、電控顯示與測(cè)量系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)組成。

4.1 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置由異步電機(jī)、液力耦合器、增速箱等組成，通過(guò)調(diào)整液力耦合器的耦合度來(lái)調(diào)整動(dòng)力渦輪的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。動(dòng)力輸入方式為通過(guò)聯(lián)軸器連接動(dòng)力渦輪軸與增速器輸出軸。

4.2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

潤(rùn)滑油系統(tǒng)采用與試驗(yàn)臺(tái)共用的潤(rùn)滑油站。動(dòng)力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用增壓供油方法，供油系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。供油系統(tǒng)由圓弧齒輪泵、溢流閥、調(diào)節(jié)閥、過(guò)濾器、流量計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器組成，用于監(jiān)控進(jìn)入渦輪滑油系統(tǒng)的供油壓力、溫度，同時(shí)為供油系統(tǒng)壓力調(diào)整提供依據(jù)。

圖2 滑油供回油系統(tǒng)原理圖Fig.2 Lubricating oil system

拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用強(qiáng)制回油系統(tǒng)，由單螺桿泵(配變頻電機(jī))、調(diào)節(jié)閥、檢流計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器組成。回油系統(tǒng)的出口直接接入試驗(yàn)臺(tái)回油管口。

4.3 空氣密封供氣系統(tǒng)

空氣供氣系統(tǒng)是將壓縮空氣除水、過(guò)濾后，以規(guī)定壓力和流量供入動(dòng)力渦輪進(jìn)氣口，用于氣封密封。氣封系統(tǒng)由氣水分離器、過(guò)濾器、減壓閥和壓力傳感器等組成。氣源由試驗(yàn)臺(tái)廠房壓縮空氣提供，接入氣封系統(tǒng)后，壓縮空氣經(jīng)減壓閥調(diào)至試驗(yàn)所需壓力。

4.4 電氣控制顯示與試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)中的電源，主要是對(duì)電控柜、驅(qū)動(dòng)供回油泵的電機(jī)、顯示儀表及特種測(cè)試儀器儀表供電。采用耐油動(dòng)力電纜從試驗(yàn)站電力配電柜內(nèi)的電源母線上取電。

電控柜上設(shè)置供、回油泵電機(jī)啟?？刂瓢粹o和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示燈，系統(tǒng)具有短路、過(guò)載保護(hù)功能。為滿足試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)回油泵流量調(diào)節(jié)的需要，采用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)回油泵電機(jī)的變頻調(diào)速，并在電控柜上設(shè)置回油泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，實(shí)現(xiàn)回油泵轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

電控柜上安裝有工藝系統(tǒng)測(cè)量傳感器的二次儀表，及動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，可對(duì)動(dòng)力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中工藝系統(tǒng)實(shí)時(shí)的壓力、溫度、流量及動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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

4.5 空氣循環(huán)系統(tǒng)

空氣循環(huán)系統(tǒng)是將動(dòng)力渦輪排氣口與進(jìn)氣口連接，形成空氣的自循環(huán)。其由過(guò)渡段、金屬波紋管、蝸殼進(jìn)口堵蓋、手動(dòng)閘閥、壓力傳感器和溫度傳感器組成。手動(dòng)閘閥用于補(bǔ)充進(jìn)氣，金屬波紋管用來(lái)補(bǔ)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(cè)空氣溫度和壓力，濾網(wǎng)用于防止外界雜質(zhì)吸入渦輪內(nèi)部。

5 試驗(yàn)內(nèi)容

燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)按試驗(yàn)大綱要求[5]進(jìn)行，試驗(yàn)程序如下：

(1)手動(dòng)盤(pán)車(chē)，檢查動(dòng)力渦輪內(nèi)部有無(wú)雜音等現(xiàn)象。

(2)向動(dòng)力渦輪供封嚴(yán)壓縮空氣，起動(dòng)滑油系統(tǒng)(先啟動(dòng)回油泵，再啟動(dòng)供油泵)，把動(dòng)力渦輪緩慢加速到1 000 r/min，監(jiān)視滑油泄漏情況，記錄其轉(zhuǎn)速、振動(dòng)值和滑油溫度。

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

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

(5)以小于600 r/min的加速率進(jìn)行爬臺(tái)階試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速每升高500停5 min，記錄轉(zhuǎn)速、振動(dòng)值和滑油溫度，期間觀察振動(dòng)情況，記錄峰值振幅和相應(yīng)的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速。

(6)將動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速加速到工作轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定10 min，記錄數(shù)據(jù)。

(7)以小于600 r/min的減速率將動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速減至2 500 r/min，緩慢打開(kāi)進(jìn)氣管線調(diào)節(jié)閥放氣以調(diào)節(jié)氣體溫度，機(jī)殼表面溫度的溫降率控制在150℃/h。記錄數(shù)據(jù)，檢查滑油箱油位變化情況和滑油是否泄漏。

(8)將動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速減至1 000 r/min，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)至機(jī)殼表面溫度降至150℃以下時(shí)停車(chē)。

(9)停車(chē)過(guò)程中，聽(tīng)檢有無(wú)雜音。

(10)目視檢查滑油管路；檢查金屬屑信號(hào)器；脫開(kāi)檢測(cè)儀表并封住各測(cè)試口；當(dāng)轉(zhuǎn)速為零后，潤(rùn)滑和封嚴(yán)系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)工作，并每隔5 min手動(dòng)盤(pán)車(chē)180°，當(dāng)滑油排油口溫度在30～35℃，機(jī)殼表面溫度下降至50℃以下時(shí)，才能脫開(kāi)供油、供氣接口。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)按照此閉式熱狀態(tài)空負(fù)荷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法，對(duì)該兆瓦級(jí)大功率工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力渦輪進(jìn)行工廠檢驗(yàn)性試車(chē)，試車(chē)過(guò)程正常，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹ＭC(jī)后檢查盤(pán)車(chē)正常、無(wú)雜音，外部可視部件無(wú)損傷、無(wú)泄漏，螺栓無(wú)松動(dòng)，用內(nèi)窺鏡檢查未發(fā)現(xiàn)任何異常情況。

在檢查開(kāi)車(chē)和正式試驗(yàn)兩次試車(chē)過(guò)程中，都測(cè)到了第一臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)過(guò)渡態(tài)振動(dòng)變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)情況判斷，該機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)該轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，軸承箱體水平測(cè)點(diǎn)(機(jī)匣內(nèi)部)振動(dòng)值迅速增加，在偏離該轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)振動(dòng)值迅速下降。與計(jì)算值相差10%。

(2)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子直徑較大，特別是多級(jí)渦輪，拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中溫升很快，在高轉(zhuǎn)速下應(yīng)減少停留時(shí)間，以利控制循環(huán)空氣溫度。

(3)試驗(yàn)過(guò)程為密閉式循環(huán)，不同于工作狀態(tài)，滑油供油量、封嚴(yán)空氣流量和壓力不能完全模擬工作狀態(tài)，必須現(xiàn)場(chǎng)掌控封嚴(yán)空氣與滑油腔壓力，防止滑油竄入高溫區(qū)而引起燃燒。

7 結(jié)論

燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪熱態(tài)閉式循環(huán)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)尚屬首次，屬于開(kāi)拓創(chuàng)新性試驗(yàn)研究，本試驗(yàn)為燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪工廠試車(chē)摸索出一條新路。

本次燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)，機(jī)械磨合運(yùn)轉(zhuǎn)正常，滑油系統(tǒng)工作正常，測(cè)定了第一臨界轉(zhuǎn)速，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。拖轉(zhuǎn)試車(chē)完成了動(dòng)力渦輪在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的試驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力渦輪的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能及裝配質(zhì)量初步檢查的基本要求，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康?，解決了動(dòng)力渦輪工廠檢驗(yàn)性試車(chē)問(wèn)題。

[1]HG/T 3650-1999，煙氣輪機(jī)技術(shù)條件[S].

[2]API Std 616-1998，用于石油、化工、燃?xì)夤I(yè)的燃?xì)廨啓C(jī)[S].

[3]某型燃驅(qū)壓縮機(jī)組動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算報(bào)告[R].四川成都：中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，2012.

[4]吳愛(ài)中.動(dòng)力渦輪在外力拖轉(zhuǎn)下的工況分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2004，46(5)：359—362.

[5]某首臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪拖轉(zhuǎn)試驗(yàn)大綱[R].西安：西安航空動(dòng)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

：1672-2620(2014)04-0048-03

2014-03-10；

：2014-08-14

張三多(1956-)，男，四川德陽(yáng)人，高級(jí)工程師，型號(hào)副總設(shè)計(jì)師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工作。