燃气轮机压气机可调导叶传动机构卡涩及防范措施研究

摘 要：燃气轮机压气机入口可调导叶运行中发生异常，会导致压气机内部旋转失速，甚至引发喘振，造成叶片大面积损伤的恶性事故。本文对不同燃机压气机可调导叶传动机构进行了分析，并对传动机构常见的故障进行了介绍，提出了相应的防范措施，对燃气发电企业设备隐患排查具有一定的借鉴意义。

关 键 词：燃气轮机；可调导叶；旋转失速；恶性事故；传动机构.；故障；防范措施

Study On Jamming And Preventive Measures Of Adjustable Guide Vane Transmission Mechanism Of Gas Turbine Compressor

Liu-Jiansheng

Abstract: The abnormal operation of the adjustable guide vane at the inlet of the gas turbine compressor will lead to the internal rotation stall of the compressor and even surge, resulting in the malignant accident of large-area blade damage. This paper analyzes the adjustable guide vane transmission mechanism of different gas turbine compressors, introduces the common faults of the transmission mechanism, and puts forward the corresponding preventive measures, which has a certain reference significance for the troubleshooting of equipment hidden dangers in gas-fired power generation enterprises.

keywords:gas turbine; Adjustable guide vane; Rotating stall; Malignant accident; Transmission mechanism; Fault; Preventive measures

1.问题提出背景

燃气发电具有技术先进、利于电网调峰和更加环保等优势，随着国内天然气产量的大幅提升和国外LNG气源的充裕，国内经济发达地区燃气发电机组得到了较好的发展，在国内发电领域占有一定的比重。为了提高燃机的运行效率1，合理配置不同负荷段的空气流量，压气机一般采用可调导叶对进气流量进行调节。由于燃机技术流派、生产厂家的的不同，压气机可调导叶的结构也存在一定的差异。目前主流的发电燃气轮机均配置有可调导叶，其中三菱、GE、西门子公司生产的F级燃机压气机配置一级可调导叶，安萨尔多AE94.3A配置两级可调导叶，各厂家生产的容量更大的H级燃机均采用多级压气机对空气流量进行调节。

压气机可调导叶一般均采用缸外转动环通过传动机构对各叶片进行控制。燃机的液压系统提供高压油作为操作动力，控制油动机带动转动环转动，转动环通过摆臂对各叶片的角度进行控制，进而按照设计曲线改变压气机的进气流量2。为了保证压气机的安全运行，可调叶片通流面积严格按照设计压气机的喘振特性进行设计，并留有足够的裕度，以保证压气机运行稳定。如果可调导叶在运行中发生松脱，就会改变压气机某一弧段的进气流量，在压气机内部产生严重的旋转失速3，诱发喘振，强烈的气流激振会对压气机造成大面积损坏。近几年国内某型号的燃气轮机因可调叶片传动部件松脱、断裂造成数起压气机“剃光头”的恶性事故，给生产企业带来了巨大的经济损失。

2.可调叶片传动机构简介

压气机可调导叶安装于压气机入口位置，可根据需要设计多级可调导叶。如图1所示，该压气机设计了两级可调导叶，一般压气机入口的可调导叶称为IGV，第二级可调导叶称为CV1。

图1 燃机压气机可调叶片（两级）结构图

为达到压气机进气流量调节的目的，为可调导叶设计了较为复杂的传动机构（如图2所示）。可调导叶通过连接杆连到转动环上，转动环由静叶持环支撑。液压传动机构安装于压气机下部支座，并通过连杆连接到转动环上，使其能够带动转动环转动。

图2 压气机可调叶片传动机构立体图

当液压执行机构接受指令动作，带动转动环动作，转动环进而拉动小连杆动作，小连杆、摇臂与可调导叶叶根轴通过螺栓连接，从而带动可调导叶转动，通过改变叶片角度调节进气流量。

3.压气机可调导叶事故及原因分析

3.1 可调导叶异常的典型事故案例

1.广东某热电企业燃机压气机入口可调叶片卡涩，导致压气机进气无法正常调节，后对传动机构进行解体检查，消除卡涩后问题得到解决。

2.上海某热电企业燃机第二级可调导叶传动连杆断裂1根，造成压气机损坏的恶性事故，动静叶片严重损伤。

3.江苏某热电企业燃机压气机第二级导叶传动连杆断裂多根，造成压气机损坏的恶性事故，造成压气机动静叶片大面积损伤。

3.广东某热电企业燃机投产以来多次发生压气机第二级导叶卡涩故障，运行中无法正常调节，维持限位运行。

3.2 原因分析

3.2.1可调导叶卡涩的原因

压气机可调导叶传动部件配合间隙过小，连接部分存在锈蚀现象，部分传动连杆关节轴承卡涩，均会造成执行机构无法推动转动环，造成压气机进气无法进行调节，机组增减负荷受到一定限制。

3.2.2传动连杆断裂的原因

可调导叶叶片与转动环连杆强度不能满足要求。由于小连杆直径较小，在可调导叶出现卡涩后不能承受液压机构的推力，造成断裂，导致可调叶片失去控制，压气机内部气流激振并诱发喘振，导致叶片损坏。

3.2.3诱发喘振的机理

为了实现对压气机流量控制，防止发生喘振，压气机设计了可调导叶。可调导叶在执行机构的控制下进行开关调节操作，正常情况下的调节操作如图3所示。

注： u 为动叶速度；w1， w1′， w1″为气流相对动叶速度；c1， c1′， c1″ 为气流速度；

c1a， c1a′， c1a″为气流径向分速度； rp， rp′， rp″为可转导叶水平夹角。

图3 可调导叶的调节方式示意图

当可调导叶连杆断裂脱开，该导叶将处于不受控制的自由状态。如该导叶被卡在关小位置（如图4所示），该处的通流将变小，后部气流速度、压力、流量也将变小，进入后部动叶的方向也将发生改变。将会造成该叶片后部的压力和流速降低，并会导致进入后部动叶片的气流攻角变化，可能造成叶片后部气流脱离失速。在动叶转动的作用下，失速的气流将随叶轮旋转，对整个压气机内部流场造成剧烈扰动，严重时就会导致气流拥塞、出口压力降低，甚至发生压气机喘振，导致压气机叶片严重损坏事故。

图4 可调导叶失去控制时所处的位置

3.2 不同厂家的结构差异

通过对不同厂家可调导叶传动机构（如图5）比较可以看出，GE公司可调导叶传动机构采用齿轮、齿条组合传动，能够承受较大的转矩。三菱公司可调导叶采用金属板进行连接，具有较高的强度。西门子公司可调导叶IGV、安萨尔多燃机可调导叶IGV、CV1均采用小连杆机构，连杆直径较小，强度较低，且结构比较复杂，机构润滑设计也较为简单。

综上所述，西门子、安萨尔多采用的可调叶片传动机构由于连杆强度低于其他厂家机组，且结构复杂，卡涩时不足以承受油动机的力矩，易造成小连杆在运行中脱落或断裂。连杆一旦发生断裂，就会造成可调叶片失控，进而引发压气机喘振事故。

a GE燃机 b 三菱燃机 c 安萨尔多、西门子燃机

图5 压气机可调叶片传动连杆示意图

4.防范措施

为确保可调导叶不发生卡涩，应对叶片的约束装置进行评估，采取润滑、防锈等有效措施保证导叶两端销轴转动灵活。对于位于压气机外部的传动机构环境较为复杂，除进行定期检查外，建议加装防护罩进行保护，防止出现卡涩等故障。为此在燃机压气机进气可调导叶的设计制造、装配、检修维护等方面提出防范措施。

4.1设计制造

（1）优化可调导叶传动部件结构，提高各部件的材质等级，选用强度更高、耐腐蚀的材料制造可调导叶连杆等传动机构。如采用高强度不锈钢材质加工制作连接部件，既能获得较高的强度，又能起到防锈的作用。

（2）合理设置液压机构力矩和连杆强度。可以通过改变导叶连杆形式提高强度，对传动部件的结构强度进行校核，避免油动机动作中拉断连杆；

（3）可调导叶的转动环、小连杆及摇臂等连接部件采取防止松脱措施，必要时进行点焊加固处理。

4.2装配工艺

（1）严格按照设计要求对各部件进行装配，油动机连杆、导叶传动连杆的螺栓紧固力矩满足设计要求。对连接部件的间隙也要按设计规范进行全面检查，保证传动部件动作灵活不卡。

（2）安装前对液压执行机构油管路进行清洗和油冲洗，液压油质检验合格，保证执行机构动作正常。

4.3检修维护

（1）严格控制压气机各部件的检修维护工艺，合理设置检修项目和明确检修周期，确保检修质量。检修后要及时开展IGV和CV1等部件的试验工作，试验中对传动部分进行检查并记录，发现问题及时进行处理。

（2）对可调导叶的转动环等连接部件定期进行清理、检查和润滑，做好防锈防腐，如出现锈蚀及时进行清理。

（3）机组启动前对可调导叶开度进行远方与就地校准，并在运行中进行比对，确保可调导叶开度准确。

（4）关注IGV和CV1执行机构的指令反馈设置偏差报警，出现卡涩及时安排解体检修。严禁强行活动严重卡涩的可调导叶。如运行中不能消除卡涩，应通过逻辑进行限位处理，并及时安排停机检查。

5.小结

随着国内燃气轮机安装数量的不断增多，压气机入口可调导叶故障出现较为频繁，一般表现为可调导叶传动机构偏斜、磨损或润滑不良引起的卡涩现象，导致压气机无法正常调节。由于个别燃机传动机构设计不合理，与叶片相连的连杆强度不足，一旦连杆紧固螺母松脱，连杆变长或缩短，均会造成油动机力矩全部作用在该连杆，导致该连杆断裂，引发压气机内部气流扰动，引发破坏力巨大的喘振事故。本文对压气机可调导叶传动机构进行了解析，并对卡涩故障产生的原因进行了分析，并提出了较为可行的防范措施，为燃气发电企业的运行和维护管理提供了借鉴。

参考文献：

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[2] 熊超,刘震华,张英,等，GE 9F燃气轮机主要控制系统及IGV系统分析[J].吉林电力,2020,48(03):45-47

[3] 刘建生.燃气轮机压气机旋转失速原因分析[J].发电设备,2017,31(03):193-195