【摘要】近几年来，发电行业已有上千台F型燃气轮机并网。虽然，这些机组完成了数百万小时高效、低排放的运行，但是还未达到完全无故障运行的程度。部套配件市场的开发突出了一些问题，并向最终用户提供了一个能够改进可靠性并延长部套使用寿命的契机。

【关键词】延长燃机；动叶；使用寿命

1、引言

公司负责设计和提供具有成熟结构设计的工业燃气轮机和F型机使用的，并具备现有技术水平的低排放燃烧系统和耐高温燃气管道的部套。其产品供应给配件市场以及火电公司下属的100多台机组。过去的5年里，开发了新的产品，覆盖了多种型号的燃机机组。最近，开发了一种新的机型兼容第2级动叶，该动叶的设计能够延长叶片的使用寿命。首次运行大修间隔期（24，000小时）后，最终用户都有过过多的叶片不能进行修补的经历。下文将针对现有产品的寿命限制问题来说明设计上进行的改进。

2、DS与EQ

传统上对定向凝固（DS）材料进行优化，然后将轴向负荷传送到径向使晶粒生长（径向），这样就损失了轴向的机械性能。因此，DS材料具有各向异性（晶粒生长的方向不同则性能不同）；而由等轴晶粒（EQ）构成的材料具有各向同性（在所有方向上的性能相对等同）。所以，DS材料在晶粒生长方向上的强度较大，而在横向强度上要比对应的EQ材料的强度低。

新的动叶设计中采用的具有等轴晶粒结构的镍基合金来代替目前的定向凝固的材料。PSM109材料能够弥补轴向材料性能较差的缺陷，从而避免了DS材料在该项应用中经常发生的缺陷。

如果在燃机第2级上采用整体尾带动叶，持续的离心荷重使围带与叶顶发生偏置，在轴向上产生了动叶围带应力---在该方向上，定向凝固的铸件没有最大蠕变特性。与此相反，具有等轴晶粒结构的材料在所有方向上具有均匀蠕变特性，从而允许设计人员采取措施来防止动叶的高负荷区域产生较低的蠕变强度。因此，从EQ锻件到DS锻件如果动叶总蠕变强度呈递增趋势，围带中的DS动叶比EQ动叶先断裂，并且铸件主要都分延长的蠕变寿命不再有效。

根据对EQ设计做出的预测，其他动叶的使用寿命有少许延长，而且没有影响相关主轴系统的寿命。

3、刀形齿配置

为了进一步改进原始设计，拥有一种新型刀形齿配置的专利，采用这种刀形齿后可以减少围带上的轴向载荷。

很多带整体围带的动叶的设计中，刀刃和刀形齿能够在蜂窝式密封圈上切出一个凹槽，这样就使围带在所有的运行工况下均有足够的面积进行密封，而且不会与密封条相接触。尽管如此，在机组运行过程中，在围带和叶型部分的界面区仍会产生弯矩。该应力是由于围带顺着叶顶边缘的悬臂的重量过大造成的。而且由于位于围带刀刃处的刀形齿的重量又使弯矩加大。随着刀形齿远离叶型部分的移动，围带和叶型部分之间的弯矩会增大，从而降低了围带的耐用性能。

围带和刀形齿的相对位置如何减少围带弯曲应力。左侧的围带显示了直接放在叶型部分上的刀形齿。右侧的围带显示了放置在刀刃一侧端部的刀形齿。这种悬臂式设计就导致围带向叶型部分过渡圆角处产生较大的弯曲应力。

给出了围带在一定温度、材料和设计下，围带区的寿命期望值。这些数据经过制造商硬件的规格化后可以说明新的设计可以延长围带的使用寿命，因而能够直接受益。还有一点需要注意的是：即使围带温度升高，也仍然能够大大延长其使用寿命。根据进行的蠕变断裂试验，计算出围带在分析温度和应力下寿命的估测值。在实件上进行采样，对DS和EQ两种材料进行了横向和径向（与晶粒定向平行）蠕变断裂试验。材料的样件取自动叶。

4、减小应力

根据材料数据和温度，应力分析，综合来看围带的设计大大延长了其使用寿命。除此之外，围带上最大应力的预测位置，通过公司下属系列机型上实际观察到的损坏情况得到了验证。给出了用于系列机型的动叶的蠕变断裂情况，两种设计产生的分析应力估计值进行了对比。从中可以看出，应力的最小化应归功于新型的刀形齿设计和优化的叶型部分与围带的过渡圆角。

5、验证试验

对所开发的叶片，通过旋转振动试验以及满负荷试验，从性能和可靠性两方面进行了综合维验证。

5.1旋转振动试验

开发设计结束后，为验证工艺性和振动特性，制造了实物大小 的试验叶片，在高速动平衡设备上进行了旋转振动试验。为此制造了一系实物大小的试验叶片，并将它们装上旋转振动试验的转子，然后将转子放入高速动平衡的真空室内，一边利用空气激振，一边利用电机驱动，使其转速产生变化，测量共振时产生的振动应力或振幅，确认其振动特性。

5.2带负荷试验

通过旋转振动试验对振动特性进行确认之后，制作实物大小的试验汽轮机转子及气缸，同样利用汽轮机带负荷试验设备，进行综合验证试验。

作为汽轮机叶片专用开发和验证设备，一直用于新开发叶片及其要素的技术开发和验证。实际上是利用蒸气，使之在与实机相同状态或更严格的条件下工作，通过对产生叶片上的振动应力以及流动状况的测量，时行性能以及可靠性的综合验证。

利用这台试验设备可以测量出力、蒸汽流量和蒸汽参数以进行性能评价，可通过皮托管横向测量去测量叶片温度和叶片进出口流量，以确认内部流动状况。利用应变片测量振动应力，籍此来评价其振动强度，并从低真空低流量到高真空高流量，进行全范围详细测量。通过此试验，除了对性能、流动状态以及随机振动、共振振动应力时行确认外，也可对高性能和高可靠性进行验证。

通过测量结果与设计值的比较，确认能够满足当初设计性能，达到了高性能化。另外，也确认了流型能满足设计要求。能过振动强度的测量，以及在变转速试验时对不同负荷状态下的共振振动应力进行测量，确认了其振动强度，还评价了驱动汽轮机在低负荷运行状态下的随机振动应力，确认其符合设计要求。

6、结论

结合等轴晶粒第2级动叶设计的改进和材料的更换最终形成了一种可以连续使用2个大修间隔期的动叶。几乎所有的动叶都可以在第一大修间隔期后进行修正，在整个第二大修间隔期内可无故障运行24，000个小时。

总的来讲，EQ零件的制造成本比要替换掉的的制造成本低。各种影响力使现有的市场复杂化了，但是，由于长期的服务协议，很多燃气轮机的业主仍有零件的存货或与存在合同关系。如果没有存货，或者长期的合同已经期满，则EQ动叶是一种强有竞争力的替代品。设计的新型EQ动叶目前正处于铸造后期阶段，并可于今后初用于商业机组。