MS6001型燃气轮机压气机一级动叶片断裂分析

来源:用户上传      作者: 雷 军,闫纪萍,常红英

　　摘要 燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等主要部件组成，其中压气机的性能对燃气轮机性能有很大的影响。而压气机的喘振工况是气流强烈脉动的工况，在这种工况下运行的燃气轮机不仅振动大，而且可能发生叶片断裂的严重事故，因而不允许在这种工况下运行，但是除此之外，还可能有其它原因能够造成叶片的断裂，本文只针对MS6001型燃气轮机压气机的一级动叶片断裂进行简要的分析。
　　关键词 燃气轮机；压气机；叶片断裂
　　中图分类号[TE99] 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）34-0103-02
　　压气机有轴流式和离心式两种。轴流式是多级的，离心式是一级或两级的，其工作原理和性能分别与通用的轴流压缩机和离心压缩机相同。轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合，在功率大于1mW的大、中型燃气轮机中普遍应用。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式，因而在1mW以下的小功率燃气轮机中广泛采用离心式压气机，由于级数少因而缩短了压气机的轴向长度。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。
　　2006年专家对燃气轮机压气机断裂的马氏体不锈钢ASTM403叶片进行了宏观检查、化学成分分析、硬度测试、断口分析（体视显微镜和扫描电镜分析）、微观金相组织检验分析、扫描电镜和能谱分析，通过以上各项实验的综合分析并结合叶片运行工况特点，得出叶片断裂的主要原因是烟气颗粒对叶身冲蚀形成的点状凹坑缺陷在交变应力的作用下所引起的低周疲劳开裂。
　　1 断裂原因分析
　　MS6001型燃气轮机压气机叶片材质为403，属于马氏体不锈钢，淬透性好，一般经油淬活空冷后才能得到马氏体组织。这种钢具有较高的硬度，韧性，较好的耐腐蚀性，热强性和冷变形性能，减震性也很好。为了更好地分析MS6001型燃气轮机压气机叶片的断裂原因，指导机组修复和随后的安全运行，我们做了以下各项试验分析：宏观检查，化学分析，硬度测试，端口分析，金相检验，扫描电镜和能谱分析以及综合分析。
　　1.1 宏观分析
　　通常叶片工作部分在型线近叶根附近断裂，整个端口高低不平，叶身、底座和断口上都覆盖有黑色的氧化层，不同区域颜色有所差异，源区最深，扩展区较深，瞬断区较浅，叶身内弧侧有多处明显的点蚀坑，根据运行工况推断应为烟气颗粒冲蚀所致。断口从宏观上看，源区有明显的疲劳贝壳纹特征，瞬断区呈明显的纤维状特征。
　　1.2 硬度测试
　　在叶片底部取样进行布氏硬度试验，在样品上取三点进行测量，结果硬度值相当接近，分别为：250，249和250。硬度值在13叶片钢的正常经验硬度值范围内。
　　1.3 断口分析
　　体视显微镜观察分析断裂源区和瞬断区形态有明显的差异，断口起源于内弧侧的点蚀坑，以点蚀坑为中心有典型的疲劳贝壳纹特征，瞬断区呈典型的纤维状。断裂源区靠近叶身内弧侧中部，瞬断区位于叶片进气侧。扫描电镜观察分析用400型扫描电子显微镜观察叶片断口微观形貌，结果表明断裂起源于叶身表面的点蚀坑，断裂源区附近的马氏体板条上有低周疲劳条纹特征。疲劳裂纹在点蚀坑内萌生，进而在应力作用下逐渐扩展，扩展区内有一定的疲劳条带特征，而瞬断区则为沿晶断裂特征。
　　2 采取改进措施
　　2.1 调整压气机进气导向叶片间隙
　　燃气轮机在运行过程中，进气导向叶片（IGV）叶片是以燃机的转速信号为控制基准，有电液伺服控制开度，最小开度为34°，最大开度为86°，IGV叶片在此范围内连续可调。IGV叶片在燃气轮机起停机等低转速过程中是防止压气机喘振的重要机构之一。
　　喘振是由于压气机空气流量出现波动，忽大忽小，压力出现脉动，时高时低，严重时出现压气机气流倒流的现象，同时还会出现低频的怒吼声，使机组伴随强烈的震动，叶片受到交变的强激振力，造成机组灾难性的事故。因此，IGV叶片的安全可靠性对于燃气轮机至关重要。而IGV叶片的安全可靠性主要取决于其是否卡涩、转动是否失灵，叶顶与进气内缸间隙、叶根与进气外刚间隙是否超过规范。
　　2.2 调节透平动叶膨胀间隙
　　由于燃气轮机透平转子在高温高压的环境中运行，透平动叶必定产生一定的膨胀，即透平动叶叶根部分在冷态下（停机状态）需保留一定的间隙，其中一级动叶为叶根0.2mm~0.3mm，这样才能使透平叶片在高温状态下运行时膨胀后处于正常的工作状态。在实际使用中，MS6001燃气轮机的第一级动叶叶身内部有径向冷却空气孔，防止运行时高温燃气对动叶的烧蚀和使动叶发生蠕变变形。旧型的一级动叶叶身内部设计了12个光滑冷却空气孔，而改进型一级动叶则设计了16个冷却空气孔，且沿叶片外缘呈二排布置，这样增加了气流在冷却空气孔内的摩擦、传热面积和滞留时间，显著提高了径向冷却空气的传热性能，更加降低了使叶身镍基合金基材的温度。燃机转子经过长期高温运行后，一些氧化物、积垢或积炭等会沉积在动叶的长柄叶根和Z型叶冠的间隙处，堵塞部分冷却空气孔，特别是燃烧重油燃料后，积垢更甚，这些积垢什物沉积在间隙中会严重影响透平动叶在运行过程中的不正常膨胀，使叶片产生应力，部分冷却空气孔堵塞降低了冷却效果，这些因素形成了事故的隐患。
　　3 结论
　　通过以上分析，我们只有找出燃气轮机叶片断裂的真正原因，从而才能够对症下药，采取相应的预防和检修措施，这样才能够有效的避免事故再次发生，使燃气轮机的正常工作得到保障。
　　
　　参考文献
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