蔣福東

摘 要：旋轉失速是葉輪機械內部條件非定常流動的一種失穩(wěn)現(xiàn)象，它是壓氣機嚴重偏離設計工況或在惡劣的流場畸變等進氣條件下，一種由系統(tǒng)或局部擾動誘發(fā)的不穩(wěn)定流動。旋轉失速影響機器的穩(wěn)定工作范圍和運行可靠性，嚴重時可導致災難性事故。介紹了M701F4燃氣輪機在調試試運及日常運行中出現(xiàn)的旋轉失速現(xiàn)象特征，分析了其產生的原因，并提出了應對措施。

關鍵詞：燃氣輪機；旋轉失速；葉片質量；進氣壓損

中圖分類號：TK478 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.024

多級軸流壓氣機作為燃氣輪機的三大部件之一，關系著燃氣輪機的效率和安全、穩(wěn)定運行。對多級軸流式壓氣機氣動失穩(wěn)前的流動特征進行研究，一直是燃氣渦輪研究領域的關鍵課題。一旦出現(xiàn)旋轉失速，葉片所承受的長時間振動應力將導致壓氣機轉子葉片壽命降低。旋轉失速的發(fā)展會導致壓氣機喘振。喘振時，壓氣機的出口壓力、流量等參數(shù)會出現(xiàn)大幅度的波動，機組的轉速和功率都不穩(wěn)定，并伴有強烈的機械振動，對燃氣輪機有極大的破壞性。因此有必要分析旋轉失速產生的原因，采取積極的應對措施，從而盡量避免旋轉失速的發(fā)生。

1 M701F4燃氣輪機旋轉失速現(xiàn)象

M701F4燃機在啟動或停機過程中發(fā)生旋轉失速的現(xiàn)象——軸振突變，并伴BPT（葉片通道溫度）、燃燒室殼體壓力、進氣室靜壓、進氣室差壓和#1、#2 軸承密封空氣壓力等參數(shù)的異常變化，如圖1所示。

2 M701F4燃氣輪機旋轉失速原因分析

2.1 旋轉失速過程

對于M701F4燃氣輪機壓氣機，其通流設計好后，從入口到出口的軸向速度基本確定，以防止流動分離和損失增加。在啟動升速期間，由于低轉速壓縮空氣的能力降低，后面級的體積流量和速度增加。然而，每個級都有體積流量的限制，當流量達到限制（堵塞），就會導致入口質量流量降低，如圖2所示。進口流量降低會導致進氣角變大，機組啟動時，氣流會在葉背分離產生失速，從而產生旋轉失速，如圖3所示。

2.2 旋轉失速具體原因

壓氣機發(fā)生旋轉失速的原因大體上可以歸納為以下兩點：①壓氣機性能不足。壓氣機失速邊界線往下偏移，與共同工作線相交而發(fā)生旋轉失速或喘振。造成此類旋轉失速或喘振發(fā)生的主要原因是壓氣機制造、加工、安裝的質量不佳以及運行時候進氣不均勻。②系統(tǒng)匹配問題導致運行壓比偏大。共同工作線往上偏移，與失速邊界線相交而發(fā)生旋轉失速或喘振。造成此類旋轉失速或喘振發(fā)生的主要原因是與壓氣機共同工作的其他部件，例如SFC、進氣過濾器、擴壓器、透平等性能不足。

2.2.1 葉片質量的影響

葉片質量的影響主要指葉片的加工制造質量，運行過程中葉片表面臟污等的通流性能惡化。

2.2.2 葉頂間隙的影響

葉頂間隙的大小對燃氣輪機的性能影響有如下幾點：①間隙大會使空氣從轉子葉片葉尖處泄漏流動，使壓氣機流量和效率降低。頂部間隙增加1%，壓氣機流量減少約1%，效率減小約1.3%.②在給定轉速和流量的條件下，泄漏渦的存在（特定情況下才會發(fā)生）會對主流區(qū)造成堵塞，改變主流區(qū)的流動特征，嚴重時會導致壓氣機級間匹配性能變差，使壓氣機的壓比降低，使得喘振線逼近工作線，喘振裕度降低，容易發(fā)生旋轉失速。

因此，M701F4燃氣輪機在機組本體復裝時應嚴格控制通流間隙，盡量將裝配值控制在設計值的下偏差。

2.2.3 SFC出力的影響

在M701F4燃氣輪機在啟動過程中，首先由SFC（靜態(tài)變頻裝置）拖動轉子旋轉達點火轉速700 rpm，然后SFC和燃氣燃燒產生的熱能作功一同將機組轉速提升至3 000 rpm，其中，SFC在機組轉速2 000 rpm時開始退出。在啟動過程中，SFC的容量不足（余量不夠），將導致燃機在升速過程中需多噴入燃料，導致BPT溫度上升，壓氣機壓比增加，進氣流量減小，壓氣機發(fā)生旋轉失速，乃至喘振。

2.2.4 IGV和壓氣機抽氣閥的影響

燃氣輪發(fā)電機組在設計上主要針對機組在額定轉速的范圍內工作，在啟動升速或停機過程中，由于機組轉速遠低于額定轉速，這個過程雖然短暫，但因轉速和流量偏離設計工況太大，因此在機組啟動或停機過程中就更容易發(fā)生旋轉失速乃至喘振現(xiàn)象。

為了確保燃機的良好起動，提高氣動加速性能、壓氣機喘振裕度，并最大限度地減小啟動或停機運行期間喘振的可能性，M701F4燃氣輪機安裝有可調的進口導向葉片（IGV）和壓氣機抽氣閥。這兩個系統(tǒng)功能一起限制機組啟動或停機期間壓氣機的空氣流量和壓力。

M701F4機組在啟動和停止時，根據(jù)燃機的轉速調節(jié)IGV的位置，在發(fā)出啟動令且轉速小于2 745 rpm時，IGV位于中間開度（36.17%，22°），以減小進氣流量，擴大壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，防止旋轉失速及喘振的發(fā)生。從目前已經發(fā)生旋轉失速的機組來看，有必要對啟停過程中IGV的開度和抽氣閥進行調整。

2.2.5 進氣壓損的影響

M701F4燃氣輪機進氣系統(tǒng)由壓氣機進氣過濾系統(tǒng)和壓氣機進氣過渡段兩大部分組成。安裝進氣過濾系統(tǒng)是因為空氣中包含的顆粒雜質將會對燃氣輪機通流部分產生侵蝕、積垢甚至腐蝕，因此必須進行過濾凈化處理，以確保燃機壽命。

當進口空氣濾網(wǎng)由于某種原因堵塞時，進氣壓力損失將顯著增加。進氣壓力的損失，使得壓氣機進口壓力降低，在保持壓氣機出口壓力不變時，壓氣機的比功將增加，這時透平出力將更多地用在帶動壓氣機上，使得燃氣輪機的功率和效率降低。另外，進口壓力降低會使空氣比容增加，空氣質量流量減少，M701F4在啟動過程中容易發(fā)生旋轉失速。

3 對策措施

已經投運的M701F4（F4+）機組，對于由葉片臟污及SFC出力不足引起的旋轉失速，建議定期進行葉片水洗，并增加SFC出力。對于由制造精度累積誤差造成的葉片不良引起的旋轉失速，建議調整壓氣機的運行特性，以最大限度地避免旋轉失速。

3.1 壓氣機離線水洗

壓氣機葉片臟污需要定期進行離線水洗，特別是壓氣機劣化明顯時要增加水洗頻率。一方面可以清潔葉片，另一方面可以確保各級流道的光滑，避免氣流擾動引起的分離損失等。水洗后能恢復壓氣機效率，減小透平耗功、降低壓比，增加進氣流量。

另外建議改造優(yōu)化進氣過濾器，如采用HEPA過濾器，它能有效地收集灰塵顆粒，盡量減少性能退化和灰塵顆粒對壓氣機葉片涂層的沖蝕。

3.2 提高SFC出力

SFC出力=壓氣機耗功-透平出力。提高SFC出力，燃機會往低出力方向，即壓氣機低壓比方向偏移，從而減小了壓氣機的載荷，遠離了失速/喘振邊界。

3.3 調整壓氣機運行特性

從壓氣機葉片工作特性的角度考慮，壓氣機發(fā)生失速/喘振的主要原因是，某個或某幾個級出現(xiàn)了“過載”。所以，必須對造成失速的級別進行“卸載”，才能避開旋轉失速。具體為降低升速率、調節(jié)IGV角度和增加抽氣流量。

3.3.1 降低升速率

燃氣輪機運行時，要求總的出力大于平衡工作點（即大于0），才能實現(xiàn)升轉速，如圖4所示。圖中AB實線為燃機運行時壓氣機與其他部件運行的穩(wěn)態(tài)共同工作線。當加速運行時，共同工作線會往高壓比偏移，如圖中的虛線所示；當降低升速率時，加速工作線會往低壓比方向，即穩(wěn)態(tài)共同工作線方向偏移，壓氣機載荷減小，從而遠離失速/喘振邊界線。

目前采取的措施是，在1 600 rpm至1 900 rpm區(qū)間將升速率由135 rpm/min改為90 rpm/min。升速率降低，透平耗功減小，壓氣機載荷減小，壓比減小。

3.3.2 調節(jié)IGV角度

可變導葉機構是改善失速、喘振裕度的有效措施之一。通過調節(jié)可變導葉的角度，可以控制下游葉片的進氣角度，進而有效控制失速、喘振的發(fā)生。

目前采取的措施是，在啟動升速階段，開大IGV角度，由21.5%變到22%，使得進氣流量增加。

3.3.3 增加防喘抽氣流量

由于抽氣口的設計比較敏感，如果影響下游進氣的均勻性，將會引起設計工況的失速、喘振，因而只有通過增大防喘抽氣的管徑來增加防喘流量。

目前采取的措施是，實施邏輯改造為2 050 rpm前打開高壓抽氣閥，使得壓氣機前端流量增加，如圖5所示。

4 結論

通過旋轉失速應對措施的實施，很大程度上解決了M701F4旋轉失速的問題，保障了機組安全運行。對于國內燃機運行而言，需要加強進氣過濾系統(tǒng)的定期清理和壓氣機的水洗，提高燃機的效率，避免旋轉失速的發(fā)生

參考文獻

[1]蔣康濤.低速軸流壓氣機旋轉失速的數(shù)值模擬研究[D].北京：中國科學院研究生院（工程熱物理研究所），2004.

[2]魏沛亭，李應紅，張百靈，等.多級壓氣機喘振邊界點的通道流動特征[J].空軍工程大學學報，2008，9（4）.

[3]馬文生.多級軸流壓氣機氣動優(yōu)化設計研究[D].北京：清華大學，2009.

[4]楊順虎.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設備及運行[M].北京：中國電力出版社，2005.

[5]馬文生，顧春偉.葉頂間隙對壓氣機性能的影響[J].動力工程，2007，27（6）.

[6]侯樂毅.軸流壓氣機葉頂間隙流動研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2004.

[7]B.Lakshminarayana，M.Zaccaria，B.Marathe.The structure of tip clearance flow in axial flow compressors[J].ASME Journal of Turbomachinery，1995，117（3）.

[8]梁作南.可調進口導葉預防壓氣機喘振的機理[J].南北橋，2008（9）.

[9]艾松.淺析壓氣機進氣道布置形式對進口壓損的影響[J].東方汽輪機，2006（1）.

[10]駱桂英，俞立凡.燃氣輪機進氣過濾系統(tǒng)的運行[J].發(fā)電設備，2008（5）.

〔編輯：王霞〕