涡桨某型航改燃气轮机轴内腔温度高故障研究

高 军，王 辉

(株洲航发动科南方燃气轮机有限公司，湖南 株洲 412000)

目前国内已经建立了100多台套QDR20型热电联供成套机组，其核心机为某涡桨航空发动机经过局部改装改型燃气轮机，使用的燃料有焦炉煤气、天然气、煤层气等等，为客户在环保和经济上带来了利益。其中燃气轮机的可靠性和使用寿命是用户最关心的问题之一。燃气轮机在大修出厂试车时需要监控轴内腔温度，此参数是间接表征燃气轮机中后轴承运行状态的关键指标，对燃气轮机平稳长久运行至关重要。在燃气轮机修理过程中，随着燃气轮机修理次数增加及零部件长时间重复使用，出现了大量零部件超差且很难恢复其设计尺寸，多台发动机在总装后试车时出现轴内腔温度超过规定的情况，使发动机无法正常交付。为此针对厂内试车所产生的轴内腔故障进行攻关，研究、分析涡桨某型航改燃气轮机轴内腔温度高产生的原因，并针对性地制定出有效的改进措施，预防其轴腔温度高，提高厂内试车合格率，保证外场运行的安全性，延长燃气轮机运行寿命。

1 故障现象

涡桨某型航改燃气轮机在厂内试车过程中，时常出现轴内腔温度超过规定的情况(规范要求为轴内腔温度≤115 ℃)。统计最近几个月一次试车产生此故障的比例高达60%，外场每年质保期内返厂大修的燃气轮机中轴内腔故障的比例达70%。该故障为发动机局部性能故障，与燃烧室机匣、油路、中后轴承封严装置等有关系。涉及的零部件主要包括燃烧室机匣、外中内封气圈、喷油环、封严套、后轴承封严圈、单篦齿封严圈、篦齿封严圈[1-2]。

2 原理分析[3-5]

燃气轮机轴内腔温度高(在排除其他如设备、仪表等异常情况下)，通常是因为滑油没有带走轴承产生的热量或者是因为外界高于120 ℃的热气进入到轴腔内及其联通的管道内。轴内腔测温实际检测的是轴腔内产生油气混合物的温度，致使轴腔内油气混合物增多、温度升高主要由以下几方面因素产生：

1) 前中后轴承的封严都是气体封严，且封严气的温度均高于轴腔温度，封严效果不好，直接导致热气渗漏过多，致使轴腔温度升高。

2) 滑油压力或流量不足，导致润滑油无法将轴承摩擦产生的热量带走。

3) 燃烧室存在裂纹，致使热气渗漏进轴腔，直接导致轴腔温度高。

4) 装配时中轴承喷油环进油孔与轴承座出油孔中心偏离，致使进入到喷油环的油量减少，导致轴承缺油。

2.1 中轴承封严间隙超差的影响[2]

中轴承的封严是由空气通过内篦齿封严装置实现的，主要构成有外、中封气圈篦齿封严装置和内篦齿封严装置，如图1所示。来自压气机10级后约260 ℃的高压空气经外、中封气圈篦齿封严装置，进入为减小转子轴向力而设置的卸荷腔B后分为两路，一路经内封气圈上的气道流至C腔，再由导气管引至调压口(见图2)；另一路经内篦齿封严装置封严滑油，工作过的空气经过轴承形成油雾进入涡轮轴腔，通过轴腔的导管引入油雾分离器。通过对中轴承的工作过程分析可知，如果篦齿封严件的间隙超差，则会破坏空气压差，导致高温空气进入轴内腔，因为压力太大会使滑油有过多泡沫，或者将润滑油膜吹除，引起轴腔内油雾温度升高。同时减少轴承滑油润滑，大大缩短轴承使用寿命。

2.2 后轴承封严间隙超差的影响[2]

后轴承封严主要由外篦齿封严装置(后轴承封严圈和单篦齿封严圈组成)和内篦齿封严装置(后轴承封严圈和篦齿封严圈组成)，如图3所示。其主要工作过程为燃烧室第二股气流进入高压腔D腔，然后经过外篦齿封严装置达到封严腔E,并将压力降至0.25 MPa。E腔内的空气再分为两路，一路通过内篦齿封严装置来封严滑油;一路经内导管引至调压口(见图2), 该调压口一是防止涡轮轴腔内由于封严气流的积聚和滑油蒸发而压力愈来愈高，二是控制与调节封严腔的压力。调压口装有前、后孔径不同的调整垫，后孔孔径可调(共八组孔直径由φ=16 mm至φ=4 mm，每组孔径差2 mm)，前孔的直径各组相同。同样，通过对后轴承的工作过程分析可知，如果篦齿封严件的间隙超差，则会破坏空气压差，导致高温空气进入轴内腔，会引起轴腔内油雾温度升高。同时减少轴承滑油润滑，大大缩短轴承使用寿命。

2.3 轴承润滑油路中积碳的影响[3-4]

由于航改燃气轮机主要用于地面发电，主要燃料为焦炉煤气，电站建设地方主要在焦化厂，焦炉煤气气质较差，含多种腐蚀元素，地面厂区空气质量也较差，空气中漂浮着煤炭粉尘，很多电站没有使用进气过滤系统或者系统没有很好维护，使得空气中的粉尘进入到压气机系统后到中轴承油路，产生积碳；另外，使用的滑油品质以及对燃气轮机维护力度大多偏低，加之长时间运行，使得滑油管路中存在大量积碳。上面所产生的积碳停留在燃烧室机匣内部油路、回油池和集气盒等部位，燃烧室机匣修理时这些积碳清理不彻底，残留一些积碳，这些积碳使得滑油的流量变小、润滑能力变差，带走轴承的热量自然减小，轻则使轴内腔温度升高，重则引起轴腔爆燃，影响极大。

2.4 燃烧室机匣微裂纹的影响[3，6]

燃烧室机匣是一个典型的钣金焊接零件，焊缝比较多，经过长时间高温环境使用后，钣金部件脆性增加，在热应力作用下容易产生微裂纹，在燃气轮机工作过程中，高温热气可以通过这些裂纹渗到油路中来而引起轴内腔温度升高。需要注意的是，燃烧室机匣在大修工艺中虽有2～3次密封性检查，但依旧会有一定概率的机匣密封性检查合格，但试车中会产生裂纹，其原因是因为密封性检查的条件为常温环境，比较宽容，而试车时燃烧室机匣工作环境为200～400 ℃，且机匣内外温差大，热应力也大，密封性检查发现不了的微裂纹在这种环境下会被发现。在燃气轮机修理中经常会看到这种情况，这种比例占燃气轮机大修数量的10%左右。

2.5 中轴承喷油环的影响

中轴承喷油环是安装在燃烧室机匣中轴承座内直接给中轴承喷油的零件，如图4所示，如果进入到喷油环的油量不够，则会导致中轴承欠润滑，轴腔温度升高。在燃气轮机修理过程中，发现大量中轴承座内部一出油孔与喷油环进油槽无法对准，使得轴承座出油孔中只有部分油流入到喷油环中，使得喷到中轴承的油量减少，引起轴腔温度高。

2.6 内封气圈与中轴承座安装间隙的影响

内封气圈是安装在中轴承上面且与中、外封气圈构成篦齿封严装置来封住轴承处的滑油，如图5所示。在燃气轮机修理中，由于燃烧室机匣轴承座与内封气圈配合处常年不修理，加之轴承座为20号钢且壁薄，使得轴承座与内封气圈配合处尺寸超差严重(变大变椭)。另外，内封气圈与轴承座配合的外径常年不修理，两个零件的尺寸超差使得配合面间隙过大，从而使得B腔内的高温气体过多流入到轴承处而引起轴腔温度升高，图5中线路1和2为高温气流经内封气圈外圆与轴承座内孔间隙流入路径[2]。

3 采取措施

3.1 封严篦齿件的处理

图6为中后轴承封严篦齿件，其外圆篦齿与对偶件的石墨涂层组成封严系统，篦齿与石墨涂层的间隙至关重要(如表1)。为控制封严气流压力的关键参数，复测所有涉及到轴内腔温度高故障的封严篦齿件的篦齿尺寸，报废超差严重的零件，重新制定新的修理工艺，规范篦齿尺寸使用极限，如图7所示，大修时都必须按修理工艺进行尺寸测量，符合规范要求的则继续使用，不符合则报废处理。

序号图号名称设计尺寸尺寸配合公差1xx.30.013外封气圈ϕ287+0.110xx.15.135后封气圈ϕ286.60-0.10.40～0.612xx.15.135后封气圈ϕ267.2+0.10xx.30.014中封气圈ϕ267.050-0.10.15～0.353xx.30.015内封气圈ϕ92+0.090xx.15.031封严套ϕ92-0.12-0.210.12～0.304xx.44.807后轴承封严圈ϕ157.9+0.050xx.44.118单篦齿封严环ϕ157.80-0.040.095～0.055xx.44.807后轴承封严圈ϕ127.9+0.050xx.44.117篦齿封严件ϕ127.80-0.040.095～0.05

3.2 优化燃烧室机匣修理工艺

重新制定了超声波清洗—人工除积碳(配合除积碳溶液)—冲油检查的工艺路线，加强了对燃烧室机匣积碳的清洗力度。

对燃烧室机匣修理中增加一次密封性检查，特殊情况下需要进行加温密封性检查。密封性检查后如果没有发现泄露地方，则再增加目视检查，检查回油池、集气盒等部位的焊缝处及焊缝周边，是否存在可见且未穿透的裂纹。

采用热喷涂工艺修理中轴承座与外封气圈配合面，由于这个配合面较为特殊，上面有许多排气孔，涂层接触的面积很小，涂层制备困难且容易失效，为保证好的结合力，特采用超音速火焰喷涂工艺，先分别在两个零件上配合面增材制造一层316 L不锈钢涂层，然后采用磨削工艺将涂层加工到指定的尺寸，从而保证了配合面应有的尺寸、圆柱度和粗糙度。

3.3 优化内封气圈的修理工艺

原来修理工艺只修石墨涂层，长久使用后内封气圈的外径超差严重，采用热喷涂工艺对外径及端面进行修复。内封气圈的外径是配合面，这个面的宽度只有4 mm左右，制备的涂层容易被车削掉，容易失效，经过反复试验，最终采用316 L不锈钢粉末作为喷涂材料，然后用磨削工艺将涂层加工到设计尺寸，实现配合面的修复，保证与中轴承座配合面应有的间隙。

3.4 增加喷油环的修理工艺

原喷油环只有制造工艺，通过增加相关修理工艺，对喷油环的进油槽进行局部铣削(见图8)，增大与轴承座出油孔的接触面积，保证出油孔的油全部流入到喷油环；同时将喷油环上三个φ=1.3 mm的喷油孔增大到φ=1.5 mm，保证油量的供应，经过计算，油量可以增加约0.6 m3/h。(从1.8 m3/h增加到2.39 m3/h)

4 效果验证

在此型航改燃气轮机的修理工程中，通过贯彻以上改进措施，半年来共修理交付的此型燃气轮机共计约25台，厂内试车时的轴内腔温度最高为113 ℃，最低为87 ℃，除1台燃气轮机因燃烧室机匣试车裂纹导致轴内腔温度偏高外，其余燃气轮机试车轴内腔温度全部一次合格。其中5台轴内腔温度在100 ℃以下，另有9台在105 ℃以下。一次试车轴内腔温度合格率为96%(标准为≤115 ℃)，比原来大大提高。

5 结论

通过开展涡桨某型航改燃气轮机轴内腔温度高故障的分析研究，在分析发动机轴内腔温度高原因的基础上，制定了针对性的预防和排除发动机轴内腔温度高的技术措施，且相关措施在修理中贯彻并在发动机试车和外场使用中进行了验证。结果表明：这些措施可以有效排除此型航改燃气轮机的轴内腔温度高故障，大大提高轴内腔温度一次试车合格率，节省燃气轮机修理成本。