（江苏华电戚墅堰发电有限公司 江苏常州 213011）
摘要：针对某电厂PG9351燃气轮机压气机的动、静叶升级改造后发生了进口导叶材料缺失问题，在介绍压气机升级改造过程中压气机改造前后进口导叶和缸体之间的间隙变化的基础上，根据历次检修测量数据，结合各次处理措施分析了问题产生的原因，并利用揭缸检查情况说明了分析的正确性。
关键词：燃气轮机；材料缺失；压气机进口导叶
Analyses and countermeasure for PG9351 Gas turbine Inlet Guide Vane material loss
Wu Yinchen
（Jiangsu Huadian Qishuyan Electric Power Co.Ltd，Changzhou 213011，CHINA）
Abstract：This paper describe Inlet Guide Vanes material loss after PG9351 gas turbine blades and stator vanes were upgraded. Based on introducing the change of the clearance between inlet Guide vane and casing after the compressor upgrade，according to the data from several measurements and several countermeasures，the reason for the problem was analyzed which was proved to be correct after the inlet guide vanes were dissembled.
Keywords：gas turbine，material loss，Compressor Inlet guide vane
自从PG9351机组投产以来，压气机进口导叶和缸体刮擦的现象就经常时有发生，而该类型机组在进行了增强型压气机第4包改造工作后，虽然对压气机进口导叶进行了改造，但是，在改造后，某厂还是存在进口导叶和缸体刮擦，进而导致了进口导叶上材料缺失，并且该缺失的材料通过气流携带至压气机通流部分，导致部分压气机叶片因此受损。本文详细描述了压气机进口导叶的升级前和升级后的间隙的变化情况，及改造之后直至受损的发展、故障及分析和处理过程。
1机组概况
某厂两台S109FA SS联合循环发电机组，燃机型号为PG9351，余热锅炉为加拿大福斯特.惠勒电力机械有限公司生产的高、中、低三压，一次中间再热、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉。汽轮机型号为D10，三压、中间再热，单轴，冲动式无抽汽纯凝式机组。
其中PG9351机组的IGV（压气机进口导叶）是通过内外两个轴套安装在内外喇叭口上，在每个可转导叶转轴的外端装有一个小齿轮，该小齿轮环绕进气缸外表面布置、该小齿轮与在水平中分面处分为上下 两个半环、由螺栓连成一体的齿圈相啮合，齿圈由布置在压气机前支撑腿处的液压机构控制而旋转，从而带动可转导叶旋转而改变其安装角度。[1]进气可转导叶的作用就是在机组启动和停机过程中，以及机组带部分负荷运行情况下，为避免压气机出现喘振，控制关小IGV角度，扩大压气机防喘裕度[2]，在部分负荷下，改变其安装角度提高机组的热力性能，每个工况下该IGV的角度通常在机组调试的时候就会确定。
该厂的#2机组的压气机升级改造完成于2011年4月，当时的点火小时数为21170，启停次数为484，跳机次数为25次，在压气机升级改造过程中，GE公司对压气机进口导叶进行了改型，在升级改造中对压气机进口导叶的叶型进行了改进，优化了启动程序，改善了流动稳定性，降低了气流经进口导叶对0级动叶的激励。在实施IGV改造的过程中，更换了IGV叶片、齿轮、齿条和执行机构，增大了IGV的开度范围，由于行程的变化，还更换了IGV的执行机构。[3]
2 升级改造前和升级改造后压气机进口导叶的数据分析
2.1压气机升级改造前压气机进口导叶数据分析
机组在正常检修的时候，按照GE规范在进口导叶处通常需要测量压气机进气缸缸体和进口导叶叶根的间隙X1，压气机进气缸缸体内侧和进口导叶叶根的间隙X2，X1和X2测量位置及标识如图1所示。
该机组在升级改造前的IGV数据如下：
2008年3月，该机组运行了6577小时第一次小修，在小修前，我们检查了X1和X2间隙，发现从第33到36张叶片的X1的间隙非常小，最小的间隙是0.08mm。由于该次小修，结合了压气机0级动叶的更换工作，所以需要将压气机上半缸顶起。在压气机0级动叶更换结束后，将压气机进气缸重新回装并用螺栓把紧，发现最小的间隙变为第62，63，64张叶片处，最小的间隙为0.07mm。因此，将靠近X1间隙处的压气机进气缸缸体进行打磨，将最小间隙打磨至大于0.27mm。打磨后的数据第33到36张的间隙为0.45-0.55mm，第61到64张的间隙为0.45-0.27mm。其中第64张为0.27mm。
从图2，可以看出这几张叶片基本靠近中分面的位置。
第二组数据为2009年9月，该机组进行了投运以来的第二次小修，距离上一次小修时间为8174小时，未进行打磨处理前的数据为，第33到35张叶片的X1间隙为0.38-0.53mm，第61到64张叶片为0.08-0.41mm，尤其是#64叶片处，从0.27mm减少至0.07mm。可以看出虽然上次打磨处理后，第63，64张叶片位置处的间隙继续变小。对这些间隙变小的部位的缸体表面继续打磨处理，打磨后第33到35张的间隙为0.44-0.48mm，第61到64张叶片的间隙为0.46mm。
可以看出的是，在没有升级改造前的历次检修中，IGV的第64张叶片的X1值在该台机组上一直是所有间隙中最小的。
2.2压气机升级改造后压气机进口导叶数据分析
在压气机升级升级改造中，所有的进口导叶、齿轮、全部更换，压气机升级改造后的进口导叶叶顶间隙调整至明显大于修前的间隙，第33到35张叶片的间隙在改造后增加至1.14-1.27mm。第61到64张的间隙在改造后增加至1.17-1.27mm。
2012年6月压气机升级改造后第一次小修，小修时检查叶顶和叶底间隙正常，发现进口导叶的套筒移出。发生套筒移出的叶片序号为第29张，第63张，第64张。在压气机升级改造前并未发生过该情况。
该机组在2013年12月完成了压气机升级改造后的第二次小修，在第二次小修中，按照例行检查，对IGV的叶顶和叶底间隙进行了检查。检查中经过测量发现第33，34，35，61，62，63，64张叶片的X1值（在IGV全开时进口导叶的靠中心侧和压气机缸体之间的间隙）都偏小，其中第33-35张叶片之间的间隙为0.31mm-0.35mm，第62-64张叶片之间的间隙为0.34-0.44mm。该间隙的正常值应该在0.63—1.35mm之间，并且发现在缸体中分面附近有轻微刮痕。可以看出即使改造后，第64张叶片处的间隙仍然继续明显变小，且幅度变大，从1.17mm降低至0.45mm。
3压气机进口导叶发生材料缺失原因分析
3.1压气机进口导叶材料缺失数据
在2014年9月22日，在对进气喇叭口进行水洗的清洁时发现，第64张叶片的出气边靠近缸体中心侧有材料缺失。此时距离上一次小修仅有2500小时。图3显示了该材料缺失的情况。从该材料缺失的部位可以看到有IGV和缸体的刮痕。
现场检查了IGV在最大开度时的间隙，部分叶片的X1小于GE的要求。其中第31-35张叶片的间隙为0.25mm-0.7mm。第62-64张叶片的间隙为0.35mm-0.45mm。
其中第34，35，36，37张叶片存在内衬套凸出的现象。
现场还发现从第31到34张叶片，第55到64张叶片有刮痕。其中第31到34张叶片为靠近中分面的位置，该刮痕发生在出气边而不是进气边，GE的规范中并没有要求测量出气边的进口导叶和缸体的间隙。其中第31和32张叶片，进气边和出气边都有刮痕。测量各个叶片出气边的数据，其中第31-35张叶片出气边的间隙为0.35-0.75mm，第62和63张叶片都为0.35mm，其中第64张叶片的出气边部分已经缺失，无法测量。
该数据和对应的进气边的数据相比，并不是完全一致，有的进气边的间隙是在标准内，而出气边的数据是偏小的，有的叶片相反。也就是说明GE规范要求测量的数据并不能完全避免此次故障。该叶片安装在轴向上的定位并不准确。
在IGV开度分别为最大角度，57度，最小角度时分别检查IGV的间隙，发现有刮擦现象的叶片在IGV关闭过程中，其间隙会变大。
综上所述，在停机状态下，即使刮擦的位置间隙也不一定最小，也没有为0。估计该进口导叶在运行中的间隙和不受力时的间隙是不同的，缸体存在变形。间隙的大小和刮擦情况并不完全一致。
在打开IGV外罩后检查了IGV的锁紧螺母，齿轮，均状况良好。但下半大部分弹性垫片存在锈蚀并且失去弹性，上半弹性垫片状态较好。
3.2压气机进口导叶材料缺失原因分析
由于压气机进口导叶IGV和摩擦环的刮擦进而导致IGV材料缺失是由多个因素共同作用引起的：
1、即使锁紧螺母的状态良好，在IGV动作期间，IGV受外力时仍然可能在其轴向上发生少许位移。
2、IGV在发生轴向位移趋势时，弹簧垫片本应产生拉力，但其生锈和失去弹性使其不能阻止IGV的轴向位移趋势。
3、部分IGV叶片的X1间隙过小，导致IGV一旦发生位移就可能产生叶顶刮擦。
4、摩擦环的下半部为无定位螺栓设计，它的微小错位也会影响到IGV的擦碰。
5、随着机组的运行，缸体的变形也会进一步减少IGV和摩擦环之间的间隙。
在对进口导叶的解体过程中发现，下半缸的进口导叶即使在锁紧螺母及弹簧片拆除后仍然无法沿着叶片的轴向移动，叶片柄和轴套及缸体之间存在明显的卡涩，该卡涩是由于叶片柄和轴套之间有较多的积垢造成的。该叶片无法在轴向上进行正常的移动，即该叶片在机组运行时在轴向上无法正常的位移，而对应的弹簧垫片也已经失去弹性。同时还发现即使将IGV导叶重新安装，在中分面处的进口导叶和缸体之间的间隙仍然偏小，和以前的压气机动叶和缸体的间隙的变化相比，说明缸体在中分面处存在缩缸的现象，导致中分面处变小。
4 对策及效果
可以看出的是，在没有升级改造前的历次检修中，IGV的第64张叶片的X1值在该台机组上一直是所有间隙中最小的，而且每次都通过对缸体打磨进行处理，在压气机升级改造前即使第64张叶片间隙远小于本次故障发生时的间隙，也发生了IGV和缸体刮擦的现象，但是确没有发生材料缺失的情况。
在升级改造后，该IGV的结构并不如升级前牢固，比如容易出现套筒的凸起及松动，该IGV的进气边的X1变小趋势明显。并且更易出现刮缸情况。
从目前的检查情况看，对该问题的解决对策主要为：
1、在水洗前清擦过程中做好防护措施，避免污垢进入下半缸的IGV套筒的缝隙中，避免由于污垢而导致IGV叶片无法在轴向正常窜动。
2、在运行中尽量不要进入透平间，避免对压气机缸有不正常的冷却导致缸体变形，同时在检修中在压气机底部做好支撑，避免缸体变形，进而减少进口导叶和缸体刮擦的情况。
在进行以上几个方面的措施后，在运行4000小时左右，又对靠近缸体中分面的压气机进口导叶和缸体的之间的间隙进行测量，未发现明显异常变化。
5 结束语
通过上述对该厂PG9351机组进口导叶和缸体的间隙在历次检修中数据变化的分析，表明进口导叶和缸体的间隙通常会随着机组运行时间变长而变小。即使在压气机升级改造后，压气机进口导叶和缸体的间隙也仍然是变小的趋势，而且由于导叶和缸体之间的摩擦还进一步导致了导叶的材料缺失。大量数据分析表明，间隙最小的位置及发现进口导叶材料缺失的位置主要在靠近缸体的中分面的位置。
建议同类型机组对该间隙加强测量，在运行中避免开透平间的门，引起透平间内的气流的非正常流动，在检修过程中，尽量将该间隙调整至上限，避免由于压气机进口导叶的材料的缺失而导致压气机动静叶受损，为机组运行带来安全隐患。
参考文献：
[1]任其智，赵小宁等. PG9351FA燃气轮机原理与应用教程，[M]. 北京：电子工业出版社，2014：93.
[2]张东晓. 大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书 综合分册，[M].北京：中国电力出版社，2009：69.
[3]庄清泉，荆迪. 9FA燃气轮机压气机隐患分析及升级改造[J] . 发电设备，2014，28（4）：275-278.
作者简介：
吴寅琛（1974），女，江苏常州，工程师，从事燃机发电技术及检修维护工作。
论文作者:吴寅琛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/13
标签：间隙论文; 叶片论文; 缸体论文; 机组论文; 中分论文; 缺失论文; 材料论文; 《电力设备》2017年第6期论文;