燃气轮机动力涡轮热负荷机械运转试验方法

张三多，刘京春，王兆丰

(西安航空发动机(集团)有限公司，陕西西安710021)

燃气轮机动力涡轮热负荷机械运转试验方法

张三多，刘京春，王兆丰

(西安航空发动机(集团)有限公司，陕西西安710021)

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动力涡轮工厂检验性试车的方法。采用空气管路连接动力涡轮进气口与排气口，构成密闭闭环回路，利用电动机驱动动力涡轮运转，涡轮叶片搅动空气使其升温，实现了热态空负荷机械运转的试验状态，达到了在额定工作转速下进行机械磨合运转试验，和在一定温度下对动力涡轮进行热态检验试验的目的。本方法对其他型号动力涡轮试车具有重要参考价值。

工业燃气轮机；动力涡轮；机械运转；热态试车；空负荷试验

1 引言

工业燃气轮机机组制造中，检验性试车必不可少[1，2]。燃气轮机主机都在专用试车台上进行，但专用试车台投资大、建设周期长，对试制型号或无批量型号的动力涡轮来说，建设专用车台不可取。风机生产厂商，为了试验压缩机等设备，建有大功率、可调速的拖转试验台，若能充分利用这些现有设备，做些小改动、小配套，实现兆瓦级大功率工业燃气轮机的动力涡轮工厂检验性试车，不失为一种经济、有效的方法。本研究在已有驱动装置(异步电机、液力耦合器、增速箱等)的基础上，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，在动力涡轮上通过空气管路连接，构成密闭回路闭环，用电动机驱动动力涡轮运转，从而实现热态空负荷机械运转试验。

2 试验目的与要求

本试验为闭式热态空负荷机械运转试验，是工厂检验性试车。试验目的为：①对动力涡轮进行工作转速下的机械磨合运转试验；②对动力涡轮进行机械振动监测，了解其振动特性(由于计算无法确定实际机匣的支撑刚度[3]，临界转速只能通过试验获得)；③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；④测量并记录封严压缩空气的温度、压力；⑤检查转速传感器的工作情况；⑥在一定温度下对动力涡轮进行热态检验，检验各密封点的封严效果、转动件与静子件间的间隙和配合，及壳体热膨胀状态；⑦检验动力涡轮的制造和装配质量。

试验对象为某兆瓦级高转速工业燃气轮机的双级动力涡轮。输出轴带半联轴器，与试车台增速箱输出端匹配。

3 试验方法

采用拖转试验[4]方式进行试验：将动力涡轮排气蜗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，使空气在密闭回路中不断循环，达到预定的出口温度(150～450℃)；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。

用电动机驱动动力涡轮进行磨合运转，从动力涡轮气流入口顺气流看转动方向为顺时针方向。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。图1为动力涡轮出口到进口空气管路连接示意图。

图1 动力涡轮出口到进口空气管路连接示意图Fig.1 Air line connects the power turbine inlet with its outlet

4 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和空气循环系统组成。

4.1 驱动装置

驱动装置由异步电机、液力耦合器、增速箱等组成，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。动力输入方式为通过联轴器连接动力涡轮轴与增速器输出轴。

4.2 润滑油系统

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方法，供油系统原理见图2。供油系统由圆弧齿轮泵、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，用于监控进入涡轮滑油系统的供油压力、温度，同时为供油系统压力调整提供依据。

图2 滑油供回油系统原理图Fig.2 Lubricating oil system

拖转试验采用强制回油系统，由单螺杆泵(配变频电机)、调节阀、检流计、压力传感器和温度传感器组成。回油系统的出口直接接入试验台回油管口。

4.3 空气密封供气系统

空气供气系统是将压缩空气除水、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，压缩空气经减压阀调至试验所需压力。

4.4 电气控制显示与试验参数测量系统

电气控制系统中的电源，主要是对电控柜、驱动供回油泵的电机、显示仪表及特种测试仪器仪表供电。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。为满足试验过程中对回油泵流量调节的需要，采用变频器实现对回油泵电机的变频调速，并在电控柜上设置回油泵转速调节旋钮，实现回油泵转速在一定范围内可调。

电控柜上安装有工艺系统测量传感器的二次仪表，及动力涡轮转速、振动等参数的测量系统，可对动力涡轮拖转试验过程中工艺系统实时的压力、温度、流量及动力涡轮的转速和振动等参数进行监测。

在动力涡轮排气蜗壳、支承部位安装有位移测量表，以测定动力涡轮变形量，有助于分析机匣的热膨胀情况。

4.5 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。其由过渡段、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。

5 试验内容

燃气轮机动力涡轮拖转试验按试验大纲要求[5]进行，试验程序如下：

(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1 000 r/min，监视滑油泄漏情况，记录其转速、振动值和滑油温度。

(3)以小于600 r/min的加速率把动力涡轮转速增至2 500 r/min，记录转速值、振动值和滑油温度，期间观察滑油系统有无泄漏。

(4)以小于600 r/min的加速率将动力涡轮转速增至(4 500±50)r/min，记录转速、振动值和滑油温度，期间观察振动情况，记录峰值振幅和相应的动力涡轮转速。检查机壳温度，并将机壳表面温度的温升率控制在150℃/h。在此过程中，测定第一临界转速值。

(5)以小于600 r/min的加速率进行爬台阶试验，转速每升高500停5 min，记录转速、振动值和滑油温度，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 min，记录数据。

(7)以小于600 r/min的减速率将动力涡轮转速减至2 500 r/min，缓慢打开进气管线调节阀放气以调节气体温度，机壳表面温度的温降率控制在150℃/h。记录数据，检查滑油箱油位变化情况和滑油是否泄漏。

(8)将动力涡轮转速减至1 000 r/min，稳定运转至机壳表面温度降至150℃以下时停车。

(9)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 min手动盘车180°，当滑油排油口温度在30～35℃，机壳表面温度下降至50℃以下时，才能脱开供油、供气接口。

6 试验结果分析

(1)按照此闭式热状态空负荷机械运转试验方法，对该兆瓦级大功率工业燃气轮机的动力涡轮进行工厂检验性试车，试车过程正常，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。

在检查开车和正式试验两次试车过程中，都测到了第一临界转速。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4 000 r/min。因为在通过该转速区域时，轴承箱体水平测点(机匣内部)振动值迅速增加，在偏离该转速区域时振动值迅速下降。与计算值相差10%。

(2)动力涡轮转子直径较大，特别是多级涡轮，拖转试验过程中温升很快，在高转速下应减少停留时间，以利控制循环空气温度。

(3)试验过程为密闭式循环，不同于工作状态，滑油供油量、封严空气流量和压力不能完全模拟工作状态，必须现场掌控封严空气与滑油腔压力，防止滑油窜入高温区而引起燃烧。

7 结论

燃气轮机动力涡轮热态闭式循环机械运转试验在国内尚属首次，属于开拓创新性试验研究，本试验为燃气轮机动力涡轮工厂试车摸索出一条新路。

本次燃气轮机动力涡轮拖转试验，机械磨合运转正常，滑油系统工作正常，测定了第一临界转速，整个试验过程中机械振动满足设计要求。拖转试车完成了动力涡轮在工作转速范围内的试验内容，实现了对动力涡轮的机械运转性能及装配质量初步检查的基本要求，达到了试验目的，解决了动力涡轮工厂检验性试车问题。

[1]HG/T 3650-1999，烟气轮机技术条件[S].

[2]API Std 616-1998，用于石油、化工、燃气工业的燃气轮机[S].

[3]某型燃驱压缩机组动力涡轮转子临界转速计算报告[R].四川成都：中国燃气涡轮研究院，2012.

[4]吴爱中.动力涡轮在外力拖转下的工况分析[J].汽轮机技术，2004，46(5)：359—362.

[5]某首台燃气轮机动力涡轮拖转试验大纲[R].西安：西安航空动力股份有限公司，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

文献标识码：A

：1672-2620(2014)04-0048-03

2014-03-10；

：2014-08-14

张三多(1956-)，男，四川德阳人，高级工程师，型号副总设计师，主要从事航空发动机设计和工业燃气轮机设计工作。