基于叶片状态和参数/结构适应的燃气轮机转子延寿原理与方法

The gas turbine is the core equipment for the natural gas transport and liquefaction, coal chemical and energy industries. Poor working conditions make it sensitive to failure in the whole systems. Currently, overhaul and replacement of the turbine blades of these machines are doing after a limited running time. However, rubbing and blade fracture often occur owing to operating environment and other reasons, many units hardly reach predetermined operating cycle, or even bring serious accidents due to blade fracture. In the process of stable operation, these machines often run inefficiently due to large blade tip clearance. This project first establish the overall rotor-shell dynamic model and the gas system thermodynamic model of gas turbine, specially considerate relative motion of the blade-shell in the effect of centrifugal force field and temperature field, and the influence of external operating environment to machines state. Then propose the tip clearance optimization theory and methods based on control of the rotor axial displacement, which improving the efficiency of machine and avoiding the blade rubbing with the stator. On this basis, proposed the model-based blade temperature optimization principle and methods to avoid the thermal fatigue of the blade. Finally, investigate blade condition monitoring and early fault prediction based on measurement of tip clearance. This project aims to provide theoretical and technical support to ensure the safety, efficient and long-period running of the gas turbines.

燃气涡轮机械是天然气输运与液化、煤化工等能源工业的核心装备。恶劣的工作条件使其成为整个装备系统中故障的敏感多发部位。目前对这些机械几乎都是在运行限定的时间后对其解体并更换透平叶片。然而由于运行环境等原因，常发生动静碰摩、叶片断裂等故障，很多机组达不到预定的运转周期，甚至因叶片断裂造成严重事故。在机组稳定运行过程中，往往由于叶顶间隙过大而低效运行。本项目首先建立燃机转子－壳体整体动力学模型及气路系统热力学模型，重点考虑叶片－壳体在离心力场和温度场作用下的相对运动及外部运行环境对机组运行状态的影响；然后提出基于转子轴向位移控制的叶顶间隙优化理论与方法，在提高机组效率的同时避免叶片同静子发生碰摩；在此基础上，避免叶片的热疲劳，提出基于模型的叶片温度场优化调控原理和方法；最后，研究基于叶顶间隙测量的叶片状态监测与早期故障预示关键技术。本项目旨在确保燃气轮机组的安全、高效和长周期运行提供理论和技术

燃气涡轮机械是天然气输运与液化、煤化工等能源工业的核心装备。恶劣的工作条件使其成为整个装备系统中故障的敏感多发部位。由于运行环境等原因，常发生动静碰摩、叶片断裂等故障，很多机组达不到预定的运转周期，甚至因叶片断裂造成严重事故。在机组稳定运行过程中，往往由于叶顶间隙过大而低效运行。本项目主要研究内容及成果如下：(1)研究叶片状态监测与早期故障预示，并提出裂纹叶片的故障特征。研究结果表明随着裂纹长度增长，在激振力作用下，叶片响应频率不断下降，同时叶尖位移响应值不断增大；对于变截面扭转叶片，出现了特有的双响应峰现象。综合分析了刚度随机失谐和含裂纹叶片两种失谐形式下叶盘结构的振动特性，结果表明依靠对叶片振动频率与幅值变化的监测并不能有效判断裂纹的存在，而裂纹叶片的振动幅值反向现象可作为裂纹监测的依据之一。(2)提出基于触发脉冲法的叶尖间隙监测方法，并在此基础上提出并开发出基于转子轴向位移控制的叶顶间隙调控理论与调控系统。结果表明应用于叶片振动参数的测量实验中，该方法很好的弥补了叶尖通过传感器时的定位偏差问题，相较于峰值定位法，叶片定位更加准确。实验研究结果表明，本项目提出的叶尖间隙调控精度小于5微米。 (3)研究影响叶片振动测量精度的因素，并提出一种需要较少传感器又能提高测量精度的叶片同步振动参数分析方法。通过低转速到高转速运行过程，测量出叶片振动位移随转频变化之间的关系，根据非线性最小二乘拟合算法获得叶片共振点处的运转转频、振动最大幅值、相位、振动恒偏量，通过GARIV算法获得各叶片在对应共振频率点处的倍频值，结合扫频拟合获得的叶片振动参数可做出叶片坎贝尔图。基于以上的识别方法，提出了叶尖计时传感器的布置方法。通过建模仿真和实验研究结果表明，该方法具有较高的测量精度。本项目研究成果可为我国燃气轮机、航空发动机及汽轮机研发奠定理论基础。