燃机动力涡轮拖转试验方法

1、燃机动力涡轮拖转试验方法张三多 王兆丰 屈育物摘要：阐述了利用工厂动力设备，在非专用试验车台上，进行兆瓦级大功率工业燃气轮机的动力涡轮工厂检验性试车方法。采用通过空气管路连接，构成密闭回路闭环，用电动机驱动动力涡轮进行运转，使空气升温，进行热状态空负荷机械运转试验，达到在额定工作转速下机械磨合运转试验和在一定的温度下，对动力涡轮进行热状态检验试验目的，本研究对其它型号动力涡轮试车具有重要的参考价值。关键词：工业燃机，动力涡轮，机械运转，空负荷试验中国分类号：V231 文献标识码：A 文章编号：Study of the mechanic running test of A Type of Pow

2、er Turbine ZHANG San-duo WANG Zao-feng Qu Yu-wuAbstract: A rig test method was illustrated for the power turbine of the high-power industrial gas turbine of 30 MW on unspecialized test rig using plant power facility. A closed circuit cycle was constructed through air-line connection and the power tu

3、rbine was driven by electric motor. The power turbine was given mechanic grounding-in test at normal operation speed and thermal test verification by heating air and making a mechanic running test of thermal state and void load. The study is of great importance of reference for the test of other typ

4、es of power turbines.Key words: Industrial gas turbine, Power turbine, Mechanic running, Void load test.1. 引言动力涡轮是燃气轮机的重要部件，燃气发生器产生的高温、高压燃气在动力涡轮内膨胀作功，通过动力涡轮转化为轴功率，同时经动力涡轮的输出轴带动诸如压缩机、发电机、船舶推进器等负载。 新设计、新研制的动力涡轮及大修过的动力涡轮在与燃气发生器组装进行燃气轮机整机试验前，为检查其装配制造质量、机械运转性能以及磨合等目的，需要借助其他动力拖动进行机械运转试验（简称拖转试验），以便降低随整机进行检

5、查性试验的成本和技术、安全风险。在拖转试验时, 需借用外部动力来拖动, 这使本来向外输出功的机械变成由外界向其输入功的对象。这时, 其工作状态与设计工作状态相比有很大变化, 再加上有不同的外力拖动方式, 致使其工作状况更为复杂且多样化, 而且未知因素较多, 所以进行拖转试验方法研究是十分必要的。国内没有专业的燃机动力涡轮拖转试验设备、此前也没有作过电机驱动的燃机动力涡轮拖转试验。国内外大都是将动力涡轮与燃气发生器组装在一起，随整机进行机械运转试验，未单独进行拖转试验。对于动力涡轮拖转试验，开展试验的单位相对较少，技术资料有限，缺乏相关标准。本研究在工厂的动力设备上，利用原有驱动装置：异步电机、

6、液力耦合器、增速箱等，将动力涡轮排气涡壳出口到动力涡轮进口通过空气管路连接，构成密闭回路闭环系统，用电动机驱动动力涡轮运转，使叶片搅动空气升温，空气在密闭回路中不断循环，达到预定的出口温度，进行热状态空负荷机械运转试验，达到在额定工作转速下机械磨合运转试验和在一定的温度下对动力涡轮进行热状态检验，检验各密封点的封严效果和转动件与静子件间隙与配合，壳体热膨胀状态；检验动力涡轮的制造和装配质量。2.试验目的本试验为闭式热状态空负荷机械运转试验，试验对象为兆瓦级，高转速工业燃气轮机的双级动力涡轮。是工厂检验性试车。试验目的：对动力涡轮进行工作转速下机械磨合运转试验；对动力涡轮进行机械振动监测，了解其

7、振动特性；测量轴承腔的润滑油进油温度、进油压力、回油温度、回油压力、滑油流量，检测与掌握滑油系统的工作情况；测量记录封严压缩空气的温度、压力；检查转速传感器的工作情况；在一定的温度下，对动力涡轮进行热状态检验，检验各密封点的封严效果和转动件与静子件间隙与配合，壳体热膨胀状态；检验动力涡轮的制造和装配质量。3. 拖转试验方法研究 拖转试验有不同的方法，不同的方法达到的最终状态是不一样 的。 3.1. 动力涡轮在外力拖动下的运转工作状态特性的对比 外动力拖动主要有正向拖动( 与正常工作转动方向一致) 及反向拖动两种形式, 这两种形式原则上都能达到动力涡轮机械运转试验的目的。 针对具有一定反力度的涡

8、轮，在进、排气口全开及额定转速条件下,有正常工作状态及在外力拖动下的正向转动和反向转动三种运转状态。当然，随着转速的变化，转子的轴向位移、发热量和耗功等都要随之相应发生变化，其规律是显而易见的，通过分析可得到其主要特征如下：( a)用热燃气膨胀作功的正常工作状态 转子自主正向转动，按涡轮模式工作。 ( b) 在外力拖动下的正向转动状态 转子在外力正向拖动下，这时空气将正向流动，动力涡轮将按涡轮-压气机混合型模式运转。( c) 在外力拖动下的反向转动状态 转子在外力反向拖动下，叶片内弧迎击空气，空气自扩散口排出，形成压气机效应。由于气动损失将显著增加，绝热效率下降，其实际的压气机效应不很大。3.

9、2. 外力拖动的方案选择 外力拖动的可行方案受多方条件制约, 其中主要包括牵引功率、转子轴向位移、内部发热等因素，此外还应考虑静子件的位移等因素, 避免造成动静件的碰磨。在讨论方案时, 一般不推荐排气口封闭的方案, 因为排气口封闭后机匣内部将产生强烈鼓风发热, 内部温度将在较短时间内达到或超过允许的温度值。尽量采用拖转试验时的排气口打开情况。通过能量转化和轴向位移等综合分析,可得到拖转试验时实际排气口（正转向后排气，反转向前排气）全开情况下各方案的特点如表表1 方案比较表方案12 34状态前后部全开、反转后部封闭、反转前后部全开、正转前部封闭、正转耗功量大较小较大小轴向位移量大（正向）较小（正

10、向）较大（反向）小（反向）发热量稍低稍高低稍低动力涡轮在外力拖动下的工况与正常工作状态工况大不相同, 其特点是因外界对其作功而产生压气机效应, 因转动方向不同,压气机效应也不一样, 正转时产生涡轮-压气机混合效应,轴向推力方向也相反。在上述试验方案中, 方案4耗功最小，轴向位移最少，发热量稍高，采用此方案作试验较为有利。 4. 试验方法试验方法是：将动力涡轮排气涡壳出口到动力涡轮进口通过空气管路连接，构成密闭回路闭环系统，用电动机驱动动力涡轮运转，使叶片搅动空气升温，空气在密闭回路中不断循环，达到预定的出口温度150450。在动力涡轮进口处设节流阀（通过空气调节，使动力涡轮接近无负荷运转）。用

11、电动机驱动动力涡轮进行磨合运转，转动方向是从动力涡轮气流入口顺气流看为顺时针方向。与动力涡轮工作方向相同，通过监测动力涡轮的转速、振动和轴承腔的润滑油参数来确认动力涡轮的机械运转性能。见图1试验系统示意图。图1 试验系统示意图5.试验设备根据试验要求及现场条件，本试验系统设备由驱动装置，润滑油系统，空气密封供气系统，电控显示与测量系统，空气循环系统组成。5.1.驱动装置驱动装置由异步电机、液力耦合器、增速箱等，通过调整液力耦合器的耦合度来调整动力涡轮的试验转速，为保证有效传动同时能够适应机组存在的轴向、径向和角向安装偏移，选用叠片挠性联轴器，通过联轴器连接动力涡轮轴与增速器输出轴）。5.2润滑

12、油系统滑油供回油系统为动力涡轮滑油系统提供符合要求压力、流量的清洁润滑油，用于对轴承的润滑和冷却，同时可实时对滑油系统的工作状态进行监测。润滑油系统采用与试验台共用的润滑油站。动力涡轮拖转试验采用增压供油的方法，供油工艺系统由圆弧齿轮泵（额定压力1.6MPa，流量6m3/h）、溢流阀、调节阀、过滤器、流量计、压力传感器和温度传感器组成。圆弧齿轮泵用于将低压滑油进行增压；溢流阀和调节阀用于调整、保持试验所需的供油压力；过滤器过滤精度20m；流量计用于监控滑油的流量，检测滑油系统的实际的供油量；压力传感器和温度传感器放置动力涡轮滑油入口处，用于监控进入涡轮滑油系统的供油压力、温度，同时是供油系统压

13、力调整的依据。滑油回油采用强制回油系统，由单螺杆泵、调节阀、检流计、压力传感器和温度传感器组成。单螺杆泵用于抽走动力涡轮内混有空气的滑油，通过变频电机调速改变螺杆泵流量，保证动力涡轮回油管路有适宜的真空度；检流计用于观察回油管路内流动情况；调节阀用于背压调节，满足螺杆泵内的润滑要求；回油系统的出口直接接入试验台回油管口。5.3空气密封供气系统空气供气系统是将压缩空气经除水、过滤后，以规定压力和流量供入动力涡轮进气口，用于气封密封。气封系统由气水分离器、过滤器、减压阀和压力传感器等组成，气源由试验台厂房压缩空气提供，接入气封系统后，经减压阀将压缩空气调至试验所需压力。5.4电气控制显示与试验参数

14、测量系统电气控制系统中的电源主要对电控柜、驱动供、回油泵的电机、显示仪表以及特种测试仪器仪表的供电。采用耐油动力电缆从试验站电力配电柜内的电源母线上取电。电控柜上设置供、回油泵电机启停控制按钮和电机运行状态指示灯，系统具有短路、过载保护功能。为了满足试验过程中对回油泵流量进行调节需要，采用变频器实现对回油泵电机进行变频调速，并在电控柜上设置有回油泵速调节旋钮，实现回油泵转速在一定范围内可调。在电控柜上安装有工艺系统测量传感器的二次仪表以及特种测试的部分仪表，可对动力涡轮拖转试验过程中工艺系统实时的压力、温度、流量等参数进行观察。和转速、振动等参数测量系统，试验中增加了壳体位移测量表，测定了壳体

15、的热变形数值，对机匣温度控制设计有帮助. 5.5空气循环系统空气循环系统是将动力涡轮排气口与进气口连接，形成空气的自循环它由过渡段、金属波纹管，蜗壳进口堵盖、手动闸阀、压力传感器和温度传感器组成。手动闸阀用于补充进气；金属波纹管用来补偿管路在水平方向和竖直方向的位移量；温度传感器和压力传感器用于检测空气温度和压力；滤网用于防止外界杂质吸入涡轮内部。6.试验内容 试验内容按照燃气轮机动力涡轮拖转试验试验大纲进行，试验程序如下： 6.1试验前因应具备的条件 在试验中应采用计量部门校验合格的测量仪器，测量参数允许值、精度应满足要求： 1）、试验设备完成调试，检查合格。2）、测量仪表检验合格（合格证明

16、在有效期）。3）、试验大纲、工艺规程完成审批手续。4）、动力涡轮装配完成，按图纸要求各项检验合格且第一、二级涡轮盘盘心、轮缘、安装边配合止口等径向尺寸及荧光探伤检查检验报告完整。5）、按试验工艺规程将动力涡轮安装于试验台上，调整工艺底架，保持动力涡轮轴成水平状态，通过联轴器与增速箱输出轴连接并保证同心。 6）、按工艺规程连接好封严压缩空气供给管，进、回油管路和各测试电气信号。7）、将动力涡轮转速传感器与转速监测系统相连。8）、将4个振动传感器（动力涡轮轴承腔壳体上2个、动力涡轮支撑环机匣上2个）分别与振动监测系统相连。9）、将轴承外环温度、流道空气温度传感器与温度监测系统相连。10）、开车前向

17、动力涡轮供封严压缩空气。11）、在确认封严压缩空气接通并符合要求后，起动滑油系统，使滑油从台架油箱通过动力涡轮进行2030分钟循环。检查、清理金属屑信号器。6.2试车程序1）手动盘车，检查动力涡轮内部有无杂音等现象。2）向动力涡轮供封严压缩空气，起动滑油系统（先启动回油泵，再启动供油泵），把动力涡轮缓慢加速到1000rpm，监视滑油泄漏情况，记录其转速值、振动值和滑油温度， 3）以小于600rpm/min的加速率把动力涡轮转速增至2500rpm，记录转速值、振动值和滑油温度，并在此期间观察滑油系统有无泄漏。4） 以小于600rpm/min的加速率将动力涡轮转速增至4500rpm±50

18、rpm，记录转速值、振动值和滑油温度，并在此期间观察振动情况，记录峰值振幅和相应的动力涡轮转速。检查壳体温度，并控制机壳的表面温度的温升率在150/h 。在此过程中测定第一临界转速值。5） 以小于600rpm/min的加速率进行爬台阶试验，每升500转停5分钟，记录转速值、振动值和滑油温度，并在此期间观察振动情况，记录峰值振幅和相应的动力涡轮转速。 6）将动力涡轮转速加速到工作转速，稳定10分钟，记录数据。7）以小于小于600rpm/min的减速率将动力涡轮转速减速到2500rpm，缓慢打开进气管线调节阀放气，以调节气体温度，控制机壳的表面温度的温度下降率在150/h 。记录数据，检查滑油箱油

19、位的变化情况并检查滑油是否泄漏。8）将动力涡轮转速减速到1000rpm，稳定运转至机壳的表面温度下降至150以下时停车。9）在停车过程中，听检有无杂音。10）目视检查滑油管路； 检查金属屑信号器；脱开检测仪表并封住各测试口；当转速为零后，润滑和封严系统应继续工作，并每隔5分钟，手动盘车180°，当滑油排油口温度在30-35，机壳的表面温度下降至50以下时，才能脱开供油、供气接口。7试验分析与结论按照此拖转试验方法，进行闭式热状态空负荷机械运转试验，进行了某兆瓦级大功率工业燃气轮机的动力涡轮工厂检验性试车，达到了试验目的。停机后检查盘车正常、无杂音，外部可视部件无损伤、无泄漏、螺栓无松动，用内窥镜检查未发现任何异常情况。6.1在检查开车和正式试验两次试车过程中，都测到第一阶临界转速，根据过渡态振动变化趋势监测情况判断，该机组临界转速为4000转/