施曉煒 錢(qián)衛(wèi)武

摘要：某公司三菱M701DA型號(hào)燃機(jī)在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)14級(jí)和15級(jí)動(dòng)葉鎖鍵存在兩種配合方式。以這兩種配合方式作為研究對(duì)象，從三個(gè)方面對(duì)比分析其對(duì)壓氣機(jī)運(yùn)行安全性和可靠性產(chǎn)生的不同影響，最終確定正確的動(dòng)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(guān)鍵詞：壓氣機(jī);動(dòng)葉;鎖鍵;配合方式

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U263.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0182-02

0? 引言

某公司#5機(jī)組燃機(jī)為三菱M701DA型號(hào)，壓氣機(jī)共計(jì)19級(jí)，壓氣機(jī)動(dòng)葉通過(guò)輪轂上的鎖鍵進(jìn)行固定，鎖鍵存在兩種不同型號(hào)的鎖鍵，一種普通連接鎖鍵，一種位于180°對(duì)稱(chēng)位置的封口鎖鍵，如圖1。在2020年12月一次檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)14級(jí)和15級(jí)動(dòng)葉鎖鍵原先配合方式與檢修要領(lǐng)書(shū)上提供的配合方式存在偏差，其中一塊鎖鍵翻轉(zhuǎn)了180°，這直接說(shuō)明動(dòng)葉鎖鍵原先配合方式可能存在問(wèn)題，會(huì)直接影響壓氣機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，需要對(duì)這兩種動(dòng)葉鎖鍵配合方式進(jìn)行對(duì)比研究。

1? 研究對(duì)象

在檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)動(dòng)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(chǎn)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(duì)，鎖鍵產(chǎn)生的隘口位于輪轂槽道與動(dòng)葉相銜接的位置，如圖3。

以動(dòng)葉鎖鍵這兩種不同的配合方式作為研究對(duì)象，從以下三個(gè)方面對(duì)比分析其會(huì)對(duì)壓氣機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性產(chǎn)生的不同影響，主要包含氣流擾動(dòng)、積垢、腐蝕。氣流擾動(dòng)指的是氣流在葉片上流動(dòng)時(shí)，由于葉片的不規(guī)則形狀產(chǎn)生的擾動(dòng)。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(fā)生的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，在一定條件下葉片上持續(xù)電離出金屬離子，從而葉片發(fā)生減薄現(xiàn)象。

2? 對(duì)比研究

2.1 氣流擾動(dòng)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]氣流在壓氣機(jī)級(jí)中運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)損失，主要包含葉型損失、環(huán)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(jìn)而產(chǎn)生摩擦、分離，這些造成了流動(dòng)能量的損失。環(huán)端面損失，是由于氣流沿著氣缸和轉(zhuǎn)子輪轂表面所流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦和渦流損失。二次流損失，是由于氣體實(shí)際流動(dòng)是復(fù)雜的，特別是頂部和根部附近，流動(dòng)的物理現(xiàn)象更加復(fù)雜，出現(xiàn)很多和主流方向大不相同的流動(dòng)，這些可以擾亂主流的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生損失。因而，葉型損失、二次流損失主要存在葉片及葉片周?chē)?，環(huán)端面損失存在于氣缸及轉(zhuǎn)子輪轂表面。在設(shè)計(jì)工況下，葉型損失、二次流損失和環(huán)端面損失約占總損失40%、40%及20%。同時(shí)當(dāng)氣體流量增加時(shí)，環(huán)端面損失會(huì)有所增加，是由于流量增大時(shí)產(chǎn)生的摩擦損失將增加。二次流損失會(huì)隨流量增大而略有降低，但變化不大。設(shè)計(jì)工況下，葉型損失一般較小，但偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)較大時(shí)，就會(huì)明顯增大，是由于沖角加大，氣流發(fā)生脫離，流動(dòng)情況嚴(yán)重惡化所致。在由此可以確認(rèn)氣流在壓氣機(jī)級(jí)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流在葉片上流動(dòng)產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在輪轂上流動(dòng)的影響，同時(shí)受葉片自身狀況影響較大。

對(duì)方式二進(jìn)行分析（方式二現(xiàn)場(chǎng)圖如圖4），由于壓氣機(jī)動(dòng)葉鎖鍵產(chǎn)生的隘口位于動(dòng)葉邊緣，氣流在葉片上流動(dòng)時(shí)，葉片上氣流會(huì)經(jīng)輪轂槽道與動(dòng)葉之間的間隙進(jìn)入隘口，在隘口內(nèi)產(chǎn)生渦旋進(jìn)而形成氣流擾動(dòng)，擾動(dòng)能量可以在隘口內(nèi)部不斷積聚，進(jìn)而引起壓氣機(jī)葉片由根部產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生額外的能量損失，影響壓氣機(jī)動(dòng)葉的動(dòng)力性能，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成壓氣機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生喘振的頻率增加，對(duì)壓氣機(jī)運(yùn)行的安全性及可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

對(duì)比方式一（方式一現(xiàn)場(chǎng)圖如圖5），由于壓氣機(jī)動(dòng)葉鎖鍵產(chǎn)生的隘口位于輪轂槽道中間，氣流在輪轂上流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方式二，從而在隘口處不會(huì)形成渦流，進(jìn)而不會(huì)產(chǎn)生氣流擾動(dòng)，因此壓氣機(jī)葉片不會(huì)因此由根部產(chǎn)生振動(dòng)，更不會(huì)影響壓氣機(jī)動(dòng)葉的動(dòng)力性能。另外根據(jù)前面所述，由于動(dòng)葉鎖鍵產(chǎn)生的隘口位于輪轂槽道中間，在氣體流量增大時(shí)，對(duì)壓氣機(jī)動(dòng)葉葉片產(chǎn)生的影響較小，不會(huì)使壓氣機(jī)動(dòng)葉的葉型損失增大。

2.2 積垢

對(duì)方式二進(jìn)行分析，主要由于氣流擾動(dòng)進(jìn)一步的影響，隨著氣流進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的微小的塵屑會(huì)在隘口位置進(jìn)行沉降堆積，也就是產(chǎn)生積垢。根據(jù)文獻(xiàn)[2]在積垢過(guò)程中，由于葉片葉根吸力面尾緣附近有一層明顯的低速區(qū)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(dòng)產(chǎn)生的積垢會(huì)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(lái)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(shì)，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(jī)效率顯著下降。同時(shí)當(dāng)積垢使得葉片的厚度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使得葉片的載荷增加，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致葉片會(huì)發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響壓氣機(jī)的正常工作。

對(duì)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(huì)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(huì)遠(yuǎn)低于方式二，方式一葉片葉根積垢的厚度會(huì)小于方式二，壓氣機(jī)效率所受影響會(huì)小于方式二。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]積垢改變了氣流的進(jìn)氣角，增加了葉片的表面粗糙度，減小了壓氣機(jī)喉部面積和氣流通道的流通能力，使得壓氣機(jī)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(shù)等流場(chǎng)特征參數(shù)的分布，使其受到的表面應(yīng)力增加，長(zhǎng)期工作可造成應(yīng)力疲勞甚至發(fā)生斷裂，對(duì)壓氣機(jī)運(yùn)行的安全性及可靠性產(chǎn)生嚴(yán)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(jī)動(dòng)葉所受積垢作用的影響程度遠(yuǎn)小于方式二。

2.3 腐蝕

對(duì)方式二進(jìn)行分析，隨著隘口及葉根位置積垢程度逐漸加劇，氣流在對(duì)應(yīng)位置沖刷不斷加強(qiáng)，涂層逐漸出現(xiàn)裸露情況。[4]在一定相對(duì)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(dòng)至隘口位置容易附著其表面形成水膜，同時(shí)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(chǎn)生的鹵性離子與葉片中活性金屬持續(xù)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，破壞葉片表面的鈍化層，加劇腐蝕。由于壓氣機(jī)一直在運(yùn)行，在氣體的作用下，葉片表面的溶液不斷分化、發(fā)霉，不斷重復(fù)前面的過(guò)程，在葉片上不斷形成腐蝕原電池，對(duì)葉片內(nèi)部進(jìn)行腐蝕，加上葉片材料的各處細(xì)微組織成分不均勻，使葉片內(nèi)部的腐蝕速度加快。當(dāng)腐蝕持續(xù)發(fā)生以后，隨后在葉片機(jī)械應(yīng)力、疲勞應(yīng)力的復(fù)合作用下，葉片葉根會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生斷裂情況，對(duì)壓氣機(jī)運(yùn)行的安全性及可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)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(dòng)時(shí)，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(mǎn)足葉片葉根發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件，從而葉片葉根發(fā)生腐蝕的可能性遠(yuǎn)低于方式二，進(jìn)而壓氣機(jī)葉片產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生斷裂情況的可能性會(huì)遠(yuǎn)低于方式二。

3? 結(jié)論

綜上所述，最終壓氣機(jī)動(dòng)葉上的普通連接鎖鍵的配合方式應(yīng)選擇方式一，即兩塊平行鎖鍵凸緣方向一致，鎖鍵產(chǎn)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(dòng)時(shí)，產(chǎn)生影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方式二，不會(huì)由于產(chǎn)生渦流而引起氣流擾動(dòng)，葉片葉根不會(huì)因此發(fā)生振動(dòng)，不會(huì)影響壓氣機(jī)動(dòng)葉的動(dòng)力性能。②葉片葉根附面層的積垢速率不會(huì)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(jī)動(dòng)葉所受積垢作用的影響程度遠(yuǎn)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(mǎn)足葉片葉根發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件，葉片葉根發(fā)生腐蝕的可能性遠(yuǎn)低于方式二，進(jìn)而壓氣機(jī)葉片產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生斷裂情況的可能性會(huì)遠(yuǎn)低于方式二。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦樹(shù)建，孫守林，張艷春，等.燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)裝置 [M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2]孫海鷗，王立松，王忠義，萬(wàn)雷.積垢條件下壓氣機(jī)性能衰退數(shù)值模擬[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（11）：1773-1778.

[3]李釗，王永華，黃帥，楊春. 積垢對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)影響的數(shù)值分析[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（6）：637-644.

[4]張普青.渦噴八型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的腐蝕與防護(hù) [C]//江蘇省航空航天學(xué)會(huì).2011年航空維修理論研究及技術(shù)發(fā)展學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2011：32-33.