重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室全溫全壓排故試驗(yàn)

羅智鋒，劉重陽，黃治國(guó)，王秀蘭，李華東

(1.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.中航發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，北京100028)

重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室全溫全壓排故試驗(yàn)

羅智鋒1，劉重陽1，黃治國(guó)2，王秀蘭1，李華東1

(1.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703；2.中航發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，北京100028)

詳細(xì)介紹了某重型燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃料燃燒室全溫全壓試車臺(tái)建設(shè)，及全溫全壓排故試驗(yàn)。建立的全溫全壓試車臺(tái)滿足使用要求，積累的試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)更高指標(biāo)的試驗(yàn)器建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)；燃燒室全溫全壓試驗(yàn)重現(xiàn)了電廠故障，驗(yàn)證了燃燒室壁面燒蝕的原因，為燃燒室現(xiàn)場(chǎng)排故及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，同時(shí)也獲得了寶貴的全溫全壓燃燒室排故試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

重型燃?xì)廨啓C(jī)；燃燒室；天然氣；試驗(yàn)臺(tái)；全溫全壓；排故

1　引言

某重型燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃料燃燒室，受試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰Φ南拗?，在降壓模擬條件下完成了主要熱態(tài)性能數(shù)據(jù)的錄取及試驗(yàn)調(diào)試工作，試驗(yàn)結(jié)果(除污染物排放指標(biāo)外)基本滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。但在電廠試運(yùn)行期間，脫機(jī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒室有燒蝕現(xiàn)象。為盡快排除故障，需對(duì)燃燒室開展全溫全壓試驗(yàn)研究，查找故障原因，制定改進(jìn)措施。為此，擬在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，通過新建和適應(yīng)性改造設(shè)備，以滿足燃燒室全溫全壓試驗(yàn)需求。本文介紹了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室全溫全壓試車臺(tái)建設(shè)，及全溫全壓試驗(yàn)排故的基本情況。

2　試驗(yàn)設(shè)備

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室全溫全壓試車臺(tái)組成如圖1所示。在現(xiàn)有燃燒室試驗(yàn)器的基礎(chǔ)上，通過新建天然氣增壓站、天然氣控制系統(tǒng)，改造天然氣管網(wǎng)，改進(jìn)設(shè)計(jì)全溫全壓扇形試驗(yàn)件(包括試驗(yàn)機(jī)匣、前后轉(zhuǎn)接段、測(cè)量段)、測(cè)試受感部實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)臺(tái)原理如圖2所示，空氣系統(tǒng)氣源由壓縮機(jī)組提供，空氣流量采用流量孔板計(jì)量，空氣利用天然氣加溫爐間接加溫?？商峁毫Α?.5 MPa、溫度≤928 K、流量≤21 kg/s的純凈高溫壓縮空氣。

圖1　燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室全溫全壓試車臺(tái)組成圖Fig.1 The arrangement of high-temperature and pressure test rig for the gas turbine combustor

圖2　燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室全溫全壓試車臺(tái)原理圖Fig.2 The schematic diagram of high-temperature and pressure test rig for the gas turbine combustor

天然氣增壓站由兩臺(tái)往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)并聯(lián)增壓，可提供壓力≤2.5 MPa、流量(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓) 0～2 300 m3/h的天然氣燃料。天然氣控制系統(tǒng)分四路，分別供應(yīng)燃燒室副擴(kuò)散區(qū)、主擴(kuò)散區(qū)、環(huán)形區(qū)和點(diǎn)火預(yù)燃室。點(diǎn)火支路燃料流量不予計(jì)量，只需通過自力式壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)點(diǎn)火噴嘴前后壓差以滿足預(yù)燃室點(diǎn)火需求；其他三路燃料流量分別采用安裝在各支路上的質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，并通過各支路上的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)具備手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制模式，可根據(jù)試驗(yàn)需要切換。

另外，天然氣為易燃易爆氣體，為此采取了完善的安保措施。整個(gè)燃料供給系統(tǒng)元器件選用良好的防爆功能產(chǎn)品，并采取有效措施消除靜電；天然氣增壓站具備獨(dú)立完整的安保體系，確保系統(tǒng)在超溫、超壓等非正常工作狀態(tài)下聲光報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)保護(hù)；天然氣控制系統(tǒng)設(shè)置了阻火器、單向閥和快速切斷閥，以阻止火焰回傳、壓力反串及緊急情況下的快速停車；控制軟件具有關(guān)鍵壁溫監(jiān)測(cè)、超溫報(bào)警并按預(yù)先設(shè)置控制規(guī)律降低燃料量的試驗(yàn)件保護(hù)機(jī)制。

3　試驗(yàn)件

重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為包含20個(gè)火焰筒的逆流環(huán)管式燃燒室(圖3)。燃燒室位于壓氣機(jī)氣缸外側(cè)，高壓壓氣機(jī)出口的高溫高壓新鮮熱空氣，通過燃燒室進(jìn)口擴(kuò)壓器減速增壓后進(jìn)入燃燒室二股流通道逆向流動(dòng)，再通過火焰筒頭部環(huán)形燃燒區(qū)旋流器、中心燃燒區(qū)旋流器、環(huán)形燃燒區(qū)主燃孔、摻混區(qū)摻混孔及火焰筒壁面冷卻孔進(jìn)入火焰筒內(nèi)部，與燃料噴嘴噴入火焰筒的天然氣快速混合燃燒，摻冷后排出。

圖3　重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure scheme of a heavy-duty gas turbine combustor

試驗(yàn)件為帶18°扇形機(jī)匣的單管燃燒室，其燃料噴嘴共分三條流路，分別供應(yīng)環(huán)形燃燒區(qū)與中心燃燒區(qū)，其中中心燃燒區(qū)由主擴(kuò)散與副擴(kuò)散兩路供應(yīng)燃料。

圖4　全溫全壓扇形試驗(yàn)件機(jī)匣Fig.4 The sector casing for high-temperature and pressure test

全溫全壓扇形燃燒室試驗(yàn)件機(jī)匣(圖4)，主要由前后轉(zhuǎn)接段、扇形機(jī)匣、測(cè)量段組成。前轉(zhuǎn)接段與試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)氣管道連接，將圓形進(jìn)氣通道過渡為扇形通道；扇形機(jī)匣相當(dāng)于整機(jī)環(huán)形機(jī)匣的1/20扇區(qū)，機(jī)匣內(nèi)型面與整機(jī)基本一致，以確保流場(chǎng)的相似性；測(cè)量段用于安裝出口測(cè)量耙；后轉(zhuǎn)接段將燃燒室出口燃?xì)鈱?dǎo)引至排氣管道。測(cè)量段與后轉(zhuǎn)接段采用水冷套結(jié)構(gòu)。采用壓力容器強(qiáng)度理論計(jì)算公式[1]進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，和有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

試驗(yàn)前使用孔探儀對(duì)試驗(yàn)件關(guān)鍵安裝部位進(jìn)行了檢查(圖5)，試驗(yàn)件安裝符合要求。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

4　試驗(yàn)方法及測(cè)試參數(shù)

全溫全壓排故試驗(yàn)分兩次完成。首次試驗(yàn)主要是模擬電廠試運(yùn)行情況，采用的火焰筒結(jié)構(gòu)與電廠試運(yùn)行件相同(頭錐處開有冷卻孔)。燃燒室進(jìn)口參數(shù)和燃料流量隨相對(duì)功率的變化曲線分別如圖7、圖8所示。第二次試驗(yàn)更改了火焰筒結(jié)構(gòu)(對(duì)頭錐處冷卻孔進(jìn)行了封堵)。

燃燒室進(jìn)口空氣流量采用空氣系統(tǒng)流量測(cè)量裝置標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量，進(jìn)口總壓采用2支3點(diǎn)等環(huán)面分布的總壓耙測(cè)量，進(jìn)口靜壓采用4點(diǎn)合1點(diǎn)的壁面靜壓孔測(cè)量，進(jìn)口總溫采用2支單點(diǎn)K型總溫耙測(cè)量；燃燒室出口總溫采用布置在出口截面的10支11點(diǎn)S型總溫耙測(cè)量，測(cè)點(diǎn)沿徑向等環(huán)面分布。第二次試驗(yàn)在環(huán)形區(qū)內(nèi)環(huán)收縮段敷設(shè)了直徑為1 mm的鎧裝K型熱電偶檢測(cè)壁溫。

圖5　試驗(yàn)件安裝檢查照片F(xiàn)ig.5 The assemblage and examination of specimen

圖6　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 The test field

圖7　燃燒室進(jìn)口參數(shù)隨相對(duì)功率的變化Fig.7 Combustor inlet pressure vs.relative power

圖8　設(shè)計(jì)方案燃料流量隨相對(duì)功率的變化Fig.8 Fuel mass flow rate of design scheme vs.relative power

5　試驗(yàn)結(jié)果

首次試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件火焰筒環(huán)形區(qū)內(nèi)環(huán)收縮段有燒蝕現(xiàn)象(圖9)，與電廠試運(yùn)行期間燒蝕的位置相同，重現(xiàn)了電廠故障。第二次試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)件相同位置未發(fā)現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，環(huán)形區(qū)內(nèi)環(huán)收縮段壁溫隨相對(duì)功率的變化曲線如圖10所示。

圖9　排故試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.9 Debugging tests

圖10　環(huán)形區(qū)內(nèi)環(huán)收縮段壁溫隨相對(duì)功率的變化Fig.10 Wall temperature of constringency section in annular zone vs.relative power

從首次試驗(yàn)火焰筒環(huán)形區(qū)內(nèi)環(huán)收縮段燒蝕照片可以看出，內(nèi)環(huán)收縮段前端即縫槽出口附近壁面完好且呈綠色，說明該處壁面溫度未超過其材料GH3044的耐熱限制溫度1 173 K[2]，處于冷卻氣膜的有效防護(hù)之下；燒蝕部位位于氣膜冷卻段后端，說明該處壁面溫度較高，已超過材料耐熱限制溫度。從第二次試驗(yàn)結(jié)果看，火焰筒環(huán)形區(qū)內(nèi)環(huán)收縮段未發(fā)現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，其壁面溫度在燃?xì)廨啓C(jī)整個(gè)運(yùn)行工況范圍內(nèi)均未超過1 100 K，說明內(nèi)環(huán)收縮段得到冷卻氣膜的有效防護(hù)。

分析認(rèn)為，內(nèi)環(huán)收縮段冷卻氣膜與燃?xì)鈱?duì)流強(qiáng)度較大，附壁性能差，氣膜有效長(zhǎng)度相對(duì)較短。這種結(jié)構(gòu)要獲得良好的冷卻效果，需保證適當(dāng)?shù)睦鋮s氣膜射流速度及合適的冷卻氣膜有效長(zhǎng)度[3-5]。另外，由于火焰筒環(huán)形區(qū)內(nèi)環(huán)壁面冷卻孔總開孔面積為2 279 mm2，頭錐處冷卻孔總開孔面積為605 mm2，火焰筒內(nèi)環(huán)總開孔面積增加了26.5%，這使得火焰筒內(nèi)環(huán)收縮段冷卻空氣流量相對(duì)減少，冷卻氣膜射流速度相對(duì)降低，縮短了氣膜的有效長(zhǎng)度，導(dǎo)致收縮段后端在缺乏良好冷卻氣膜防護(hù)情況下，遭受高溫燃?xì)庾茻l(fā)生燒蝕現(xiàn)象。

6　結(jié)束語

本文針對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)天然氣燃燒室排故試驗(yàn)需求及現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔悻F(xiàn)狀，在現(xiàn)有燃燒室試驗(yàn)器的基礎(chǔ)上，通過新建天然氣增壓站和天然氣控制系統(tǒng)，改造天然氣管網(wǎng)，改進(jìn)設(shè)計(jì)全溫全壓扇形試驗(yàn)件等措施，建立了燃燒室全溫全壓試車臺(tái)，并成功進(jìn)行了燃燒室全溫全壓排故試驗(yàn)。這表明建立的全溫全壓試車臺(tái)滿足使用要求，積累的相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)更高指標(biāo)的試驗(yàn)器建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)了降壓試驗(yàn)未能出現(xiàn)的電廠故障，驗(yàn)證了燃燒室壁面燒蝕的原因，為燃燒室現(xiàn)場(chǎng)排故及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，同時(shí)也獲得了寶貴的燃燒室全溫全壓排故試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

[1]GB150-1998，鋼制壓力容器[S].

[2]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)：第2卷變形高溫合金鑄造高溫合金[K].2版.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[3]焦樹建.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[4]趙強(qiáng)，劉慶國(guó).火焰筒壁氣膜冷卻效果試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，1999，25(3)：51—56.

[5]胡正義.燃燒室設(shè)計(jì)計(jì)算-流量分配、冷卻縫槽結(jié)構(gòu)和壁溫的關(guān)系[R].1992.

High-Temperature and Pressure Debugging Test of a Heavy-Duty Gas Turbine Combustor

LUO ZHi-feng1，LIU Chong-yang1，HUANG ZHi-guo2，WANG Xiu-lan1，LI Hua-dong1
(1.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China；2.China Aviation Engine Holdings Corporation LTD，Beijing 100028，China)

The high-temperature and pressure test rig construction for heavy-duty gas turbine combustor with natural gas,and the debugging tests were presented.Abundant construction experience was accumulat?ed in the process and it made a technology base for the higher index tester building.The combustor working faults in the electricity generating station were reappeared in the high-temperature and pressure tests and the reasons of combustor liner wall ablation were certificated,which is helpful for the combustor debugging and optimum design.At the same time,the valuable experience of high-temperature and pressure combus?tor debugging test are also got.

heavy-duty gas turbine；combustor；natural gas；test rig；high-temperature and pressure test；debugging

TK477

：A

：1672-2620(2014)06-0033-04

2014-04-01

羅智鋒(1980-)，男，陜西渭南人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)研究。