关于MS6001型燃气轮机推力瓦温度的探讨.doc

关于MS6001型燃气轮机推力瓦温度的探讨一、叶片结垢引起轴向力的变化燃气轮机工作时，气流对转子组件，包括压气机转子和透平转子，都会产生轴向作用力。这些作用力在转子轴线方向的代数和将力图使转子产生轴向运动，这一轴向运动会导致燃机转动部分和静止部分发生摩擦，引发重大事故。因此，必须设法平衡抵消转子所受的轴向力。无论是压气机还是透平，轴向力的方向总是从气流的高压端指向低压端。因此压气机和透平分别所受的轴向力方向正好相反，两力可以部分的抵消。由于压气机级数多，加之GE公司的燃气透平设计惯用冲动式叶型，故其轴向力FC比透平轴向力FT大，因此轴向力通常指向气流的反方向。用于抵消该方向上的轴向运动的推力瓦称为主推力瓦。在设计上，应使燃机在额定工况时的轴向力尽可能小。现代燃机的主推力瓦普遍采用了结构较为复杂的可自动均匀受力的摇块式瓦块。机组仅在起停或变负荷时轴向合力的方向可能变为顺气流方向，此时用以抵消轴向力的是副推力瓦。副推力瓦的结构比较简单，通常是上下两块的固定瓦，尺寸也比主推力瓦小。机组烧重油时，透平通流部份的结垢与燃料品质、抑钒剂品种及其添加量等诸多因素有关，但总是随着连续运行时间的增加而增加。结垢部分地阻塞了透平动、静叶片的喉部通流面积。透平叶栅在根部虽然接近纯冲动式，但沿叶高方向仍具有一定的反动度，亦即在动叶片的中、顶部乃是具有一定膨胀度的收缩流道。实际流动的收缩流道有以下关系式：式中：G 为流量；Fmin 为流道喉部面积；P0 、TO 分别为流道进口压力、温度；P 为流道出口压力； 为多变指数；R 为气体常数；k 为绝热指数对于轴流压气机而言，由于在工作转速下其特性曲线甚陡，亦即当压比在相当大的范围内变化时其流量G 基本不变。由此不难证明，在流量G 不变的情况下，由于结垢使流道喉部通流面积Fmin 减小，从而造成流道进口（即动叶前）压力P0 升高。这等效于透平轴向力FT 的增加，破坏了原有轴向合力F的平衡。随着通流部分结垢渐增，逆气流方向的轴向合力逐渐减小，直至反向，使副推力瓦开始受力，然后轴向合力顺气流方向逐渐增加，副推力瓦受力也增加。这个过程是随着机组连续运行时间的增加而渐变的。机组水洗后，透平通流部份的结垢被清除掉，压气机背压降低，转子轴向力与气流方向相反，主推受力，主推瓦温升高，而副推力瓦不受力，其温度与推力轴承的回油温度一致。随着连续运行时间的增加，转子轴向力因透平结垢增加而逐渐改向，主推瓦温逐渐下降而副推瓦温逐渐升高，最后主推瓦温趋向与回油温度几近一致，表明此时的主推已不受力，而副推瓦温却随着连续运行时间的不断增加而增加。对于频繁启停的机组而言，透平通流部份的结垢会因受冷热冲击而部份剥落，在很长的累计运行时间内，压气机背压均无明显升高，从而副推瓦温也不致因累计运行时间的增加而增加。经验表明，透平通流部份的结垢速率除与重油含钒量有关外，还与抑钒剂的品质有关。例如当采用水溶性的硫酸镁抑钒剂时，结垢较快。我厂也曾使用过多种油溶性抑钒剂，它们对结垢的形成速率和可水洗性等各不相同。通过试用分析比较，最终选定了某种较适合于烧180#重油的油溶性抑钒剂。此外，无论采用哪种抑钒剂，过量添加都会使结垢迅速增加。现已有不少燃机电厂燃用重油，由此引起的通流部分积灰和结垢是不可避免的。因此我们相信推力瓦温度异常问题应当引起制造厂家和燃气轮机电厂的普遍关注。二、 透平喷嘴径向气封结构对瓦温的影响常规的MS6001 燃机透平第二、三级静叶隔板与转子之间均采用迷宫式气封。为保持透平叶轮有较低的工作温度，MS6001 燃机透平动叶均采用了长胫叶根，胫根处通以冷却空气以保持较低的轮间环境温度。冷却空气从压气机出口经一级持环和二级静叶引到二级隔板内腔，并由二级隔板前的通孔引向一级动叶后轮间空腔，一部分经一级动叶后的翼齿进入通流部份，另一部分则流经隔板和转子轮毂上的迷宫齿进入二级动叶前轮间空腔，并经二级动叶前的翼齿流入通流部份。二级动叶后轮间空腔的冷却和密封空气则来自转子内部，由二级叶轮后轮毂上的径向孔进入二级动叶后轮间空腔，并经三级隔板和轮毂上的迷宫齿进入三级动叶前轮间空腔。1999 年6 月#2 燃机中修时，明达电厂接受了GE 公司关于MS6001 燃机的升级改进建议，首次在MS6001 燃机上采用了航空发动机上先进的无间隙“刷子”气封。它是在二级静叶隔板上镶上一圈由细钢丝组成的“刷子”，使它紧贴在转毂表面形成无间隙的气封，如图6 所示。如上所述，当二级隔板采用迷宫式气封时，二级动叶前轮间空腔的密封空气来自一级动叶后轮间空腔通过迷宫齿的漏泄，因此二级动叶前轮间空腔内的压力必然低于一级动叶后轮间空腔内的压力。当二级隔板采用“刷子”气封后，二级动叶前轮间空腔的密封空气直接引自二级隔板内腔，其压力与一级动叶后轮间空腔内压力相同，亦即与迷宫式气封相比，二级动叶前轮间空腔内的压力提高了，从而使转子轴向力FT 有所增加，副推的受力亦增加。与#1 燃机主、副推力瓦温情况相比,#2机经1999 年6 月升级改造后，其副推瓦温的异常升高，我们推断，与采用“刷子”气封有关。三、推力轴承的供油系统对瓦温的影响MS6001 的推力轴承和压气机的前轴承（#1 轴承）布置在一起如图7 所示。滑油进油总管设在下轴承座，分别向#1 径向轴承和推力轴承供油。据GE 公司运行手册介绍，#1 径向瓦、主推力瓦和副推力瓦的供油量分别为57 、151 和30 升/分，亦即副推的供油量几乎为径向瓦的1/2 和主推的1/5 。某制造厂提供的相应进油孔径为10.3 、16.7 和7.3 的油路通流面积，也近似为上述比例，可见副推的供油量相对是较小的。据查明达电厂的下轴承座上没有副推的进油孔（参观另一同型燃机电厂亦证实此点），副推的滑油是靠径向瓦的前侧回油来提供的（这与副推的供油量为径向瓦的1/2 是否是一种巧合？）。由于用来冷却和润滑副推的滑油为径向瓦工作过的温度较高的回油，从而造成副推瓦温容易升高也是理所当然的。国内另一同型电厂曾提到其燃机确实有副推进油孔。如是，向副推提供的将是温度较低的“新鲜”滑油。据称该机组烧重油连续长期运行未曾发现副推瓦温有异常升高的现象，相反，径向瓦温倒是常常偏高，这可能是由于向副推供油而堵住了径向瓦向前侧的回油，使其回油只能向后侧进行，从而限制了它的供油量。四、 滑油供油温度对瓦温的影响显然，较低的滑油供油温度有利于对轴瓦的冷却，从而可在一定程度上缓解瓦温的升高。明达电厂#2 机在夏季连续运行时常因副推瓦温超过报警值而不得不降负荷（退出温控）运行。后将二台互为备用的冷油器同时并联投运以增加冷却水量，使供油温度降低5-6 ，从而避免了夏季连续发电时退出温控运行。五、 动叶叶身翼形气封齿磨损对瓦温的影响动叶根胫上的翼形齿主要用来密封其前后轮间空腔内的冷却和密封空气，它的过度磨损会导致密封空气大量流失，轮间空腔内压力降低，从而使部份炽热燃气倒流入轮间空腔，使轮间温度升高。轮腔内压力的改变也就改变了转子的轴向力。显然，当级后的轮间温度升高时，转子向后的轴向力增加，从而使副推瓦温升高。明达电厂二台机组副推瓦温的升高均伴随有二级后轮间温度升高的现象。综上所述，对于烧重油的燃气轮机而