第24卷 第3期
2010年9月
5燃 气 轮 机 技 术6GAS TURB INE TECHNOLOGY Vol 124 No .3Sept .,2010
半导体模块高 慧
(中国石油西气东输管道公司，上海 200122)
摘 要：本文以西气东输管道GE PGT25+燃气轮机高压压气机16级动叶的断裂失效事故为例，参照原设备供应商对事故原因的分析，提出了二阶扭振疲劳与叶片间不稳定流存在关联的概念，以及天然气管道输送用燃气轮机压缩机组运行中应注意的问题。关 键 词：燃气轮机；压气机；动叶；断裂 中图分类号:TK474.7+1 文献标识码:B 文章编号:1009-2889(2010)03-0058-04
西气东输天然气管道全长3900k m，设计输量170@104
m 3
/a ，全线共有22座压气站，安装有44
台/套30M W 级天然气压缩机组。其中,GE 油气新比隆公司PG T25+/PCL800燃气轮机驱动离心式压缩机22台/套；罗罗能源RB211-24G /RF*BB36燃气轮机驱动离心式压缩机组15台/套；西门子变频电机驱动离心式压缩机组7台/套。
黄鳝精PGT25+/PCL800机组的动力部分为GE L M2500+型燃气轮机，在2006~2009年期间陆续完
成安装调试并投入商业运行。截止2009年10月，单机累计运行时间最长的已达13000h 。
2009年5月9日，西气东输管道定远压气站的一台PGT25+/PCL800机组，在执行4000运行小时的例行维护孔探检查中发现:L M 2500+高压压气机16级全部76片动叶无一例外地发生了非常严重的断裂损坏。断裂失效形式基本可以分为:¹翼端顶部径向开裂;º径向开裂并在1/2处断裂;»尾部断裂(详见图1)。
图1 叶片断裂失效形式
这台机组自2008年11月10日投产以来，累计运行4106小时，成功启动次数61次，故障和其它保护跳车9次。
1 L M2500+简介
L M2500+是美国通用电气在上世纪90年代中后期，在L M2500基础上，为获得更大输出功率和更高的热效率进行改进形成的30M W 级驱动用燃气
轮机，其主要竞争对象是罗尔斯#罗伊斯RB211-24G 。L M 2500+与L M2500相比主要在以下方面做了改进:
在L M2500的第1级叶片前增加了零级压气机叶片，形成新的17级轴流压气机；采用了新设计的可调入口导叶(I G V )，与之后的7级可调静叶相配合，使部分负荷性能改善，并降低了压气机喘振的可
*收稿日期:2009-11-05 改稿日期:2009-12-21
第3期PGT25+燃气轮机高压压气机16级动叶断裂原因及预防措施
能，但是燃气发生器的长度增加了345.44mm 。
(2)压气机叶型改变
第1级动叶被重新设计成基于CF6-80C2叶型的更高效、更结实的宽弦叶片，去除了常规L M2500第l 级动叶中部的阻尼突肩。第2、3级压气机动叶也采用了CF6-80C2/L M6000的叶型设计。新设计了零级静叶，从零级到第6级静叶都是可调的，零级到第11级静叶还采用了CF6-80C2/L M6000的叶型设计。
新增加零级和修改的压气机设计，使空气流量增加了23%，达到85.8kg/s ，压比从18.8增加到23.1。
(3)修改燃气发生器涡轮
修改二级涡轮的动叶叶型以适应更大的流量，第1级动叶和静叶都采用单晶叶片。除第2级动叶外，其它叶片都升级为性能更好的的材料。修改了
热力密封设计，使用了CF6-S OE 的密封装置。
2 L M2500+高压压气机16级动叶断裂失效分析
2009年5月，西气东输定远压气站L M2500+高压压气机16级动叶发生全部断裂事故后，在业主的要求下,GE 油气公司将燃气发生器整机运回工厂，进行了拆解检查和原因分析。
(1)根据叶片断口的显微组织看，没有发现材料的滑移变形，如图2
。
图2 叶片断口的显微组织
(2)根据叶片翼尖显微照片看，没有发现叶尖与壳体内壁密封之间有摩擦现象，如图3
。
图3 叶片翼尖显微组织
(3)根据材料金相显微组织和材料硬度检测，均符合AST M8.5要求，可以认为叶片不存在材料质
量缺陷，如图4
。
图4 材料金相显微组织
根据对断裂叶片样品的金相分析，导致16级动
叶断裂失效的原因如下:¹未知激励源引起的叶片二阶扭振疲劳断裂，没有更多的运行数据和资料复现激励源。
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燃气轮机技术第24卷
º现场在燃气轮机未运行期间可能存在振动激励源。
修理方法和处理措施是:
¹修剪尾部翼端可以使16级动叶上的应变能重新分布，从叶尖将高应变区移动位置(如图5)，将减小应变能量约35%。
º在15级增加一个额外的静叶，可以改变叶片上的气动特性，将减少16级动叶上的气动应力30%
。
图5第16级动叶的应变能
事实上，本次给出的修理方法和GE公司2001
-SB161&162服务报告完全一致。因此，显而易见
L M2500+高压压气机16级动叶容易在尾部翼端发
生断裂事故不是偶然的。2001年以来，这一问题在
全球其它用户也时有发生。处理措施都是一样。由
此可知,L M2500+高压压气机16级动叶比较容易发
生断裂故障，其或多或少存在设计缺陷和问题。无
论这一问题的频繁发生与为增加输出功率和提高热
效率而进行的改进是否有必然联系，但存在一定设
计缺陷是事实。
GE的分析报告称:2001年以来，经过修剪16
级动叶尾部边缘和增加15级静叶数量后，再没有收
到16级动叶断裂的故障报告，并说明这一改进是有
效的。但是GE从来没有提到这种修理对发动机性
能的影响。尽管这个影响比较难以定量测量，但事
实上通过修剪叶片后对其输出功率和效率的影响是
必然的。
3压气机叶片二阶扭振成因分析
究竟为什么会在高压压气机16级动叶处容易
产生扭振高周疲劳?二阶扭振与哪些因素有关系
呢?透平转子段不稳定流模型(Doorl y(1991))对不
稳定流的成因分析，不难发现动叶扭振高周疲劳与
叶片间的不稳定流存在直接关系。动叶传热和气动
应力受流动不稳定的影响明显。流动不稳定性是由
于动叶对交替静叶的相对运动产生的。对于第一级
动叶来说,Doorly总结的不稳定性的主要成因如下:
(1)尾流叶道
由于静叶后缘处尾流的原因，上游静叶栅出口
气流在轴向是不均匀的，因为静叶栅的相对运动，下
游动叶片不断切割这些尾流，所有尾流使动叶栅的
速度场和湍流场呈周期性变化。
(2)激波叶道
跨声速静叶的气流产生激波，激波冲击下游动
叶栅，产生另一不稳定性影响。
(3)势流的相互作用
静叶栅和动叶栅的相对运动引起势流场的周期
性的变化。增加动静叶栅间隙能减少这一类型的影
过程1v2PO响。
(4)附件的高能湍流
这是通过静叶通道后湍流度仍然与当地气流自
由流湍流度相当。
根据Doorly研究的不稳定流成因理论，引起燃
气轮机压气机或透平中不稳定流的主要因素之一是
来自上游叶片尾流的传播。尾流使自由流产生周期军用床
变化的不稳定速度、温度和湍流强度。由尾流引起
的速度降低还可能产生朝向或离开叶片表面的对
流。尾流使吸力面上不稳定的层流向湍流边界层的
转捩提前发生，存在不稳定流影响的传热特性清楚
地表明边界层转捩变化。图6是流经动叶栅的不稳
定性尾流传播的概念图。阴影部分表示上游叶片引
起的不稳定性区域。
L M2500+高压压气机16级动叶断裂与燃气发
生器的气动特性不无关系。由于为了提升输出功率
和提高热效率，不得不增加压气机的空气流量(增
加了零级压气机叶片后,L M2500+在全功率情况下
气流增加了20%)；另外采用了宽弦叶片后，减小15
h1n7
级静叶和16级动叶之间的间隙，由于静动叶栅之间60
第3期PGT25+燃气轮机高压压气机16
级动叶断裂原因及预防措施
图6流经动叶栅的不稳定尾流的传播(M ayle等,1991)的相对运动使得势流场的周期变化增加，这将更容易导致16级动叶的高周扭振的发生，最终导致叶片尾端翼部的疲劳断裂。
4预防措施
¹首先应严格遵守L M2500+燃气发生器的运行规程。
º尽可能避免在60%以下的低负荷运行，因为低负荷使压气机叶片通道上的不稳定流增加，气流转捩提前，缩短压气机叶片的使用寿命，对压气机损害极大。
»避免在较冷环境(5e以下)频繁启动发动机，因为冷态下反复启动，使压气机的叶片上的气动应力增加和应变能的分布不均，从而导致叶片断裂。
¼运行中加强对燃气发生器安装支撑可靠性、稳定性的检查维护，避免运行中外部振动激励的输入和振动叠加。
½机组运行中应密切注意燃气发生器振动检测数值的变化。
水下作业参考文献:
[1]GE油气5L M2500+H SPT技术规范、运行和维修手册6
Ana l ysis and P reven tion of H PC Stage16th R otor B lades T i p C rack i ng of
the PGT25+G as Turb i ne
G AO Hu i
(P etrochi na W est-East Gas P i pe li ne Co mpany,Shang ha i200122,Ch i na)
Abstr ac t:This pape r usesHPC stage16th blades ti p crack i ng on the GE PGT25+gas turb i ne ofW est-East gas P ipe lines as an exa m2 p l e,i n reference to the OE M s'ana l ysi s of the i ncident,suggests strong correlatio n bet ween the2nd torsio na l vi brati on fati gue and unsta2 b l e flo ws be t w een blades,as we ll as ot her issues when usi ng gas t urbi ne drivi ng co m pressor units for transport on gas pi pe li nes.
K ey word s:gas turb i ne;co m pressor;rotor b lade;da m age
(上接第48页)
A N ew Test M ethod for G as Turb i ne G overnor Syste m M odeli ng
LI Y i n g1,Z HA NG W en-hui1,LING Xiao-bo2,LIU Bei2
(1.East Chi na E lectric Po wer Test&R esearch Institute Co.,Lt d.,Shangha i200437,Chi na;
2.E lectr ic Po wer Co mmun ica ti on&D ispatch Center,Shanghai200122,China)
Abstr ac t:A new para m eters testm e t hod a i m ing at gas turb i ne speed gove rnor syste m m odeli ng f or po wer system si m ulatio n was pro2 posed i n th i s paper.Th ism etho d has been successfull y app lied i n a gas turb i ne generator set.This m et hod can avoi d the dist urbance of gri d frequency wave,obta i n stable gri d-frequency~unit-load curve of gas turb i ne speed governor syste m,and enhance the accura2 cy of the test pa rame ters and the reli ab ility of the si m ulati on m odels.
K ey word s:po wer syste m s i m u l a tion;gas t urbi ne;gove rnor syste m m odeli ng;param eters test;test m ethod
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