M701F4燃气轮机旋转失速应对措施

蒋福东

摘 要：旋转失速是叶轮机械内部条件非定常流动的一种失稳现象，它是压气机严重偏离设计工况或在恶劣的流场畸变等进气条件下，一种由系统或局部扰动诱发的不稳定流动。旋转失速影响机器的稳定工作范围和运行可靠性，严重时可导致灾难性事故。介绍了M701F4燃气轮机在调试试运及日常运行中出现的旋转失速现象特征，分析了其产生的原因，并提出了应对措施。

关键词：燃气轮机；旋转失速；叶片质量；进气压损

中图分类号：TK478 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.024

多级轴流压气机作为燃气轮机的三大部件之一，关系着燃气轮机的效率和安全、稳定运行。对多级轴流式压气机气动失稳前的流动特征进行研究，一直是燃气涡轮研究领域的关键课题。一旦出现旋转失速，叶片所承受的长时间振动应力将导致压气机转子叶片寿命降低。旋转失速的发展会导致压气机喘振。喘振时，压气机的出口压力、流量等参数会出现大幅度的波动，机组的转速和功率都不稳定，并伴有强烈的机械振动，对燃气轮机有极大的破坏性。因此有必要分析旋转失速产生的原因，采取积极的应对措施，从而尽量避免旋转失速的发生。

1 M701F4燃气轮机旋转失速现象

M701F4燃机在启动或停机过程中发生旋转失速的现象——轴振突变，并伴BPT（叶片通道温度）、燃烧室壳体压力、进气室静压、进气室差压和#1、#2 轴承密封空气压力等参数的异常变化，如图1所示。

2 M701F4燃气轮机旋转失速原因分析

2.1 旋转失速过程

对于M701F4燃气轮机压气机，其通流设计好后，从入口到出口的轴向速度基本确定，以防止流动分离和损失增加。在启动升速期间，由于低转速压缩空气的能力降低，后面级的体积流量和速度增加。然而，每个级都有体积流量的限制，当流量达到限制（堵塞），就会导致入口质量流量降低，如图2所示。进口流量降低会导致进气角变大，机组启动时，气流会在叶背分离产生失速，从而产生旋转失速，如图3所示。

2.2 旋转失速具体原因

压气机发生旋转失速的原因大体上可以归纳为以下两点：①压气机性能不足。压气机失速边界线往下偏移，与共同工作线相交而发生旋转失速或喘振。造成此类旋转失速或喘振发生的主要原因是压气机制造、加工、安装的质量不佳以及运行时候进气不均匀。②系统匹配问题导致运行压比偏大。共同工作线往上偏移，与失速边界线相交而发生旋转失速或喘振。造成此类旋转失速或喘振发生的主要原因是与压气机共同工作的其他部件，例如SFC、进气过滤器、扩压器、透平等性能不足。

2.2.1 叶片质量的影响

叶片质量的影响主要指叶片的加工制造质量，运行过程中叶片表面脏污等的通流性能恶化。

2.2.2 叶顶间隙的影响

叶顶间隙的大小对燃气轮机的性能影响有如下几点：①间隙大会使空气从转子叶片叶尖处泄漏流动，使压气机流量和效率降低。顶部间隙增加1%，压气机流量减少约1%，效率减小约1.3%.②在给定转速和流量的条件下，泄漏涡的存在（特定情况下才会发生）会对主流区造成堵塞，改变主流区的流动特征，严重时会导致压气机级间匹配性能变差，使压气机的压比降低，使得喘振线逼近工作线，喘振裕度降低，容易发生旋转失速。

因此，M701F4燃气轮机在机组本体复装时应严格控制通流间隙，尽量将装配值控制在设计值的下偏差。

2.2.3 SFC出力的影响

在M701F4燃气轮机在启动过程中，首先由SFC（静态变频装置）拖动转子旋转达点火转速700 rpm，然后SFC和燃气燃烧产生的热能作功一同将机组转速提升至3 000 rpm，其中，SFC在机组转速2 000 rpm时开始退出。在启动过程中，SFC的容量不足（余量不够），将导致燃机在升速过程中需多喷入燃料，导致BPT温度上升，压气机压比增加，进气流量减小，压气机发生旋转失速，乃至喘振。

2.2.4 IGV和压气机抽气阀的影响

燃气轮发电机组在设计上主要针对机组在额定转速的范围内工作，在启动升速或停机过程中，由于机组转速远低于额定转速，这个过程虽然短暂，但因转速和流量偏离设计工况太大，因此在机组启动或停机过程中就更容易发生旋转失速乃至喘振现象。

为了确保燃机的良好起动，提高气动加速性能、压气机喘振裕度，并最大限度地减小启动或停机运行期间喘振的可能性，M701F4燃气輪机安装有可调的进口导向叶片（IGV）和压气机抽气阀。这两个系统功能一起限制机组启动或停机期间压气机的空气流量和压力。

M701F4机组在启动和停止时，根据燃机的转速调节IGV的位置，在发出启动令且转速小于2 745 rpm时，IGV位于中间开度（36.17%，22°），以减小进气流量，扩大压气机的稳定工作范围，防止旋转失速及喘振的发生。从目前已经发生旋转失速的机组来看，有必要对启停过程中IGV的开度和抽气阀进行调整。

2.2.5 进气压损的影响

M701F4燃气轮机进气系统由压气机进气过滤系统和压气机进气过渡段两大部分组成。安装进气过滤系统是因为空气中包含的颗粒杂质将会对燃气轮机通流部分产生侵蚀、积垢甚至腐蚀，因此必须进行过滤净化处理，以确保燃机寿命。

当进口空气滤网由于某种原因堵塞时，进气压力损失将显著增加。进气压力的损失，使得压气机进口压力降低，在保持压气机出口压力不变时，压气机的比功将增加，这时透平出力将更多地用在带动压气机上，使得燃气轮机的功率和效率降低。另外，进口压力降低会使空气比容增加，空气质量流量减少，M701F4在启动过程中容易发生旋转失速。

3 对策措施

已经投运的M701F4（F4+）机组，对于由叶片脏污及SFC出力不足引起的旋转失速，建议定期进行叶片水洗，并增加SFC出力。对于由制造精度累积误差造成的叶片不良引起的旋转失速，建议调整压气机的运行特性，以最大限度地避免旋转失速。

3.1 压气机离线水洗

压气机叶片脏污需要定期进行离线水洗，特别是压气机劣化明显时要增加水洗频率。一方面可以清洁叶片，另一方面可以确保各级流道的光滑，避免气流扰动引起的分离损失等。水洗后能恢复压气机效率，减小透平耗功、降低压比，增加进气流量。

另外建议改造优化进气过滤器，如采用HEPA过滤器，它能有效地收集灰尘颗粒，尽量减少性能退化和灰塵颗粒对压气机叶片涂层的冲蚀。

3.2 提高SFC出力

SFC出力=压气机耗功-透平出力。提高SFC出力，燃机会往低出力方向，即压气机低压比方向偏移，从而减小了压气机的载荷，远离了失速/喘振边界。

3.3 调整压气机运行特性

从压气机叶片工作特性的角度考虑，压气机发生失速/喘振的主要原因是，某个或某几个级出现了“过载”。所以，必须对造成失速的级别进行“卸载”，才能避开旋转失速。具体为降低升速率、调节IGV角度和增加抽气流量。

3.3.1 降低升速率

燃气轮机运行时，要求总的出力大于平衡工作点（即大于0），才能实现升转速，如图4所示。图中AB实线为燃机运行时压气机与其他部件运行的稳态共同工作线。当加速运行时，共同工作线会往高压比偏移，如图中的虚线所示；当降低升速率时，加速工作线会往低压比方向，即稳态共同工作线方向偏移，压气机载荷减小，从而远离失速/喘振边界线。

目前采取的措施是，在1 600 rpm至1 900 rpm区间将升速率由135 rpm/min改为90 rpm/min。升速率降低，透平耗功减小，压气机载荷减小，压比减小。

3.3.2 调节IGV角度

可变导叶机构是改善失速、喘振裕度的有效措施之一。通过调节可变导叶的角度，可以控制下游叶片的进气角度，进而有效控制失速、喘振的发生。

目前采取的措施是，在启动升速阶段，开大IGV角度，由21.5%变到22%，使得进气流量增加。

3.3.3 增加防喘抽气流量

由于抽气口的设计比较敏感，如果影响下游进气的均匀性，将会引起设计工况的失速、喘振，因而只有通过增大防喘抽气的管径来增加防喘流量。

目前采取的措施是，实施逻辑改造为2 050 rpm前打开高压抽气阀，使得压气机前端流量增加，如图5所示。

4 结论

通过旋转失速应对措施的实施，很大程度上解决了M701F4旋转失速的问题，保障了机组安全运行。对于国内燃机运行而言，需要加强进气过滤系统的定期清理和压气机的水洗，提高燃机的效率，避免旋转失速的发生

参考文献

[1]蒋康涛.低速轴流压气机旋转失速的数值模拟研究[D].北京：中国科学院研究生院（工程热物理研究所），2004.

[2]魏沛亭，李应红，张百灵，等.多级压气机喘振边界点的通道流动特征[J].空军工程大学学报，2008，9（4）.

[3]马文生.多级轴流压气机气动优化设计研究[D].北京：清华大学，2009.

[4]杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行[M].北京：中国电力出版社，2005.

[5]马文生，顾春伟.叶顶间隙对压气机性能的影响[J].动力工程，2007，27（6）.

[6]侯乐毅.轴流压气机叶顶间隙流动研究[D].西安：西北工业大学，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.可调进口导叶预防压气机喘振的机理[J].南北桥，2008（9）.

[9]艾松.浅析压气机进气道布置形式对进口压损的影响[J].东方汽轮机，2006（1）.

[10]骆桂英，俞立凡.燃气轮机进气过滤系统的运行[J].发电设备，2008（5）.

〔编辑：王霞〕