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        變幾何渦輪可靠性試驗研究

        2017-11-28 00:54:38寧有智張龍勞新力
        科技創(chuàng)新導報 2017年28期
        關(guān)鍵詞:燃氣輪機可靠性

        寧有智++張龍++勞新力

        摘 要:為滿足燃氣輪機變工況適應(yīng)性要求,使其在不同環(huán)境和工況下保持最佳性能,采用變幾何動力渦輪是有效手段之一。本文針對變幾何渦輪特點設(shè)計了相關(guān)試驗臺,利用液壓傳動裝置來驅(qū)動可轉(zhuǎn)導葉轉(zhuǎn)動,采用不同流量和溫度模擬燃氣輪機渦輪運行時的不同工況,通過試驗研究并驗證變幾何渦輪的可靠性。

        關(guān)鍵詞:燃氣輪機 變幾何渦輪 可靠性 可轉(zhuǎn)導葉

        中圖分類號:TK474 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)10(a)-0096-03

        燃氣輪機工作環(huán)境一般較為復(fù)雜,經(jīng)常需要在變工況條件下進行工作;如何保證變工況條件下,燃機獲得最佳性能成為一項關(guān)鍵性研究課題[1]。目前變幾何技術(shù)是解決該問題的一個有效方法[2]。本文主要通過試驗驗證變幾何渦輪的可靠性。

        1 試驗前工作及裝置介紹

        1.1 轉(zhuǎn)接段冷卻水套設(shè)計加工

        冷卻水套材質(zhì)采用304不銹鋼,外壁厚10mm,內(nèi)壁厚4mm,冷卻空氣管穿過內(nèi)外壁接入,供水管路用高壓軟管連接,轉(zhuǎn)接段與試驗件接口采用石墨纏繞墊密封。冷卻水套結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.2 液壓泵站測控元件調(diào)試

        變幾何渦輪試驗件通過液壓傳動裝置對轉(zhuǎn)動環(huán)施加切向力,進而通過聯(lián)動裝置帶動可轉(zhuǎn)導葉轉(zhuǎn)動。試驗研究中首先在冷態(tài)條件下完成液壓泵站測控元件的恢復(fù)及液壓行程調(diào)節(jié)。

        試驗過程中通過調(diào)整液壓泵出口壓力調(diào)節(jié)向傳動環(huán)傳遞力的大小,通過調(diào)節(jié)活塞上指針與行程開關(guān)的相對位置使活塞桿行程與可轉(zhuǎn)導葉位移要求相匹配。

        刻度盤與可轉(zhuǎn)導葉轉(zhuǎn)軸圓心重合,并將刻度盤固定在可轉(zhuǎn)導葉轉(zhuǎn)軸上。試驗中要求可轉(zhuǎn)導葉在-100~+100之間變化,因此調(diào)試過程中通過調(diào)整活塞桿行程及指針相對位置使可轉(zhuǎn)導葉位移滿足試驗要求。

        1.3 試驗裝置介紹

        變幾何渦輪結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)如圖2所示。試驗臺主要包括氣源、穩(wěn)壓箱、燃燒室、試驗段、空氣預(yù)熱器、燃油管路、燃氣管路、冷卻空氣管路和冷卻水管路。

        按照工質(zhì)分類該試驗臺由燃氣系統(tǒng)、冷卻空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)四部分組成。燃氣系統(tǒng)由三級離心空壓機組作為氣源提供實驗所需的壓縮空氣,空壓機組流量調(diào)節(jié)范圍1.5~2.7kg/s,額定工況壓比10。壓縮空氣經(jīng)穩(wěn)壓箱進入燃燒室燃燒產(chǎn)生高溫燃氣供入變幾何渦輪試驗段。

        (1)試驗臺空氣系統(tǒng)。

        試驗中氣源系統(tǒng)由三級離心空壓機組管路系統(tǒng)組成,試驗中可調(diào)節(jié)空壓機組出口壓力設(shè)定值,使試驗件進口壓力滿足試驗要求,在排氣管路中設(shè)置高溫調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)燃氣流量,同時在試驗系統(tǒng)中設(shè)置空氣-燃氣換熱器使冷氣溫度達到試驗要求。

        (2)供油燃燒系統(tǒng)。

        供油系統(tǒng)將柴油從油罐泵出,首先通過低壓油濾、閥門和燃油流量計,再經(jīng)過高壓油濾和供油閥,最終進入試驗燃燒室。在油泵后設(shè)有回油路,供油壓力可由回油閥和供油閥進行電動調(diào)節(jié)。

        啟動點火用的燃油則直接由設(shè)在實驗間內(nèi)的油箱供給,燃油經(jīng)過低壓油濾、電磁活門后進入試驗燃燒室的啟動噴嘴。

        (3)測量設(shè)備。

        變幾何渦輪結(jié)構(gòu)試驗需要監(jiān)測的試驗參數(shù)包括燃氣流量、燃氣溫度、燃氣壓力、冷氣溫度及冷氣流量。其中燃氣流量為間接測量量,需根據(jù)如下公式計算:

        因此檢定的儀器儀表包括空氣進口壓力傳感器、溫度傳感器、流量計差壓變送器。壓力傳感器、溫度傳感器及差壓變送器由黑龍江省計量院檢定,壓力傳感器檢定結(jié)果為2級精度,溫度傳感器精度為±1.5%,差壓變送器精度為0.5級。

        燃氣溫度及壓力的測量布置在試驗件過渡段前的測量段上,溫度傳感器采用上海儀表三廠生產(chǎn)熱電偶(精度0.5%),冷氣流量采用旋進流量計(精度1%)測量,所有的測量參數(shù)都可由計算機實時采集并記錄。

        (4)試驗件介紹。

        變幾何渦輪(整環(huán))結(jié)構(gòu)驗證件由機匣組件、可轉(zhuǎn)導葉、護板、聯(lián)動裝置、柔性石墨墊片及軸套、冷卻空氣系統(tǒng)、操控系統(tǒng)等裝置組成。整套裝置通流部分燃氣溫度為800℃,外部壁面溫度為400℃左右,零部件在高溫作用下要產(chǎn)生變形,導致高溫氣體泄漏或轉(zhuǎn)動部件受阻,試驗?zāi)康氖菧y試渦輪可轉(zhuǎn)導葉結(jié)構(gòu)在高溫高壓條件下的密封結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動機構(gòu)的可靠性。

        2 試驗的步驟及方法

        2.1 試驗前檢查工作

        (1)進行渦輪可轉(zhuǎn)導葉試驗件外部檢查并檢查維護場地,試驗場地內(nèi)不應(yīng)有不相干的物體。

        (2)檢查試驗件與試驗臺聯(lián)接是否牢固無泄露。

        (3)開啟可轉(zhuǎn)導葉轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)和泵站冷卻風機,檢查冷態(tài)下導葉轉(zhuǎn)動是否正常。

        (4)開啟冷卻水系統(tǒng),檢查試驗件水套能否正常工作。

        (5)檢查其他管路和閥門的工作狀態(tài)。

        (6)檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作狀態(tài)(包括漏氣測量流量計、燃氣進氣流量測量裝置、壓力測試儀表等)。

        (7)檢查渦輪可轉(zhuǎn)導葉試驗件在底座上的固定,檢查螺栓連接,證實它們完全被擰緊。

        2.2 試驗系統(tǒng)啟動順序

        (1)啟動可轉(zhuǎn)導葉水套冷卻水裝置,并將閥門打到全開位置。

        (2)啟動可轉(zhuǎn)導葉轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng),按油泵啟動按鈕-油泵啟動-按油缸工作按鈕-油缸活塞桿開始工作-按冷卻器按鈕-冷卻器開始工作。

        (3)開啟空氣壓縮機系統(tǒng),進行可轉(zhuǎn)導葉試驗件冷吹,持續(xù)1~5min。

        (4)開啟燃氣發(fā)生系統(tǒng),緩慢推升工況,并按要求進行數(shù)據(jù)記錄。

        2.3 試驗停止

        (1)關(guān)閉點火油路電磁閥。

        (2)關(guān)閉可轉(zhuǎn)導葉控制系統(tǒng),按冷卻器停止按鈕,冷卻器停止,按油缸停止工作按鈕,油缸停止工作,按油泵停止按鈕,油泵停止。

        (3)對試驗管路系統(tǒng)冷吹,待管路系統(tǒng)溫度降至100℃以下,關(guān)閉空壓機組。

        (4)關(guān)閉冷卻水系統(tǒng)。

        3 試驗記錄

        本次變幾何渦輪結(jié)構(gòu)驗證試驗共分5次完成,試驗工作壓力0.4MPa,起始燃氣流量2.0kg/s。每次試驗啟動時調(diào)整燃油流量使燃氣溫度升高至500℃、600℃、700℃在各溫度點穩(wěn)定30min,最后將燃氣溫度提升至790℃,記錄轉(zhuǎn)動機構(gòu)往復(fù)運動次數(shù)直至關(guān)機。每次試驗停機冷卻后隨機選取可轉(zhuǎn)導葉轉(zhuǎn)動,檢查是否有由于熱應(yīng)力咬死現(xiàn)象。

        4 試驗件分解檢查

        試驗后對渦輪可轉(zhuǎn)導葉試驗件進行了分解檢查對關(guān)鍵的配合尺寸進行了復(fù)測,經(jīng)檢查渦輪可轉(zhuǎn)導葉機匣內(nèi)外表面狀態(tài)良好,可轉(zhuǎn)導葉葉頂和葉根處無摩擦痕跡,陶瓷轉(zhuǎn)軸和陶瓷軸套無磨損痕跡,柔性石墨軸套和柔性石墨墊片狀態(tài)良好,關(guān)節(jié)軸承上有輕微磨痕,試驗件整體狀態(tài)良好。

        5 試驗結(jié)論

        (1)在操控系統(tǒng)控制下變幾何渦輪可轉(zhuǎn)導葉共進行往復(fù)運動2656次,渦輪可轉(zhuǎn)導葉在高溫高壓條件下轉(zhuǎn)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活無卡死現(xiàn)象發(fā)生。

        (2)試驗件無燃氣泄漏。

        (3)試驗中應(yīng)用點溫計測量試驗件表面溫度約340℃。

        (4)液壓控制系統(tǒng)的行程開關(guān)設(shè)計精度為:±0.2mm,折合成導葉偏轉(zhuǎn)角度誤差為0.2°。

        (5)試驗結(jié)果表明變幾何渦輪總體結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。

        參考文獻

        [1] 惠宇,宋華芬.可轉(zhuǎn)導葉級對多級軸流渦輪特性的影響[J].燃氣輪機技術(shù),2008,21(3):36-39.

        [2] 潘波,白創(chuàng)軍,趙洪雷,等.變幾何渦輪對渦輪氣動性能的影響研究[J].燃氣輪機技術(shù),2012(3):40-43.endprint

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