华电电力科学研究院有限公司 石 岩 郑 健 贾小伟 梁 晶 徐 毅

航改型燃气轮机（简称航改机）是在航空发动机的基础上经技术改进发展而来的，其最大保留了航空发动机的结构，与其他传统动力相比具有功率大、结构紧凑、质量轻、维护方便、可靠性高等优点，在军事和工业领域都得到了广泛的应用。LM2500型燃气轮机属于GE公司的代表性航改型燃气轮机，自上世纪70年代正式投用以来，已经产生LM2500、LM2500+、LM2500+G4等一系列型号，涵盖了从23MW至33MW的功率等级，整机性能也不断提高。其中LM2500+G4型燃气轮机是GE公司2005年开发的新一代航改型燃气轮机，不但具有LM2500系列燃气轮机的高可靠性和可用性，且发电效率和排烟温度更高，是最适合燃气分布式能源系统的燃气轮机之一[1]。

某分布式企业LM2500型燃气轮机例行维护检查时，孔探检查发现透平中机匣（TMF）部分肋板外圈靠动力涡轮侧发现裂纹，均超出标准要求且部分裂纹存在交叉，并存在向焊缝和内衬出气边扩展的趋势。结合TMF设计原则及特点对裂纹生成因素分析，燃气轮机运行时产生的热变形和热应力是裂纹产生的主要原因，此外TMF振动、力学性能的稳定性都会造成裂纹产生和扩展。

1 航改型燃气轮机机匣特点

机匣是航改型燃气轮机的重要零件之一，其外形结构复杂，不同的航改机、航改机不同部位其机匣形状各不相同，基本特征是圆筒形或圆锥形的壳体和支板组成的构件。机匣是航改机本体的支架，连接着航改机的各个部件：内部连接动力涡轮和燃烧室，外面连接各路管道。机匣的振动直接反映整机的振动水平，频繁且较大的振动可能会使机匣出现裂纹、变形甚至疲劳破坏[2]。

航改机机匣在工作状态下需承受气体负荷和质量惯性力，其次还承受热负荷、声负荷及一些装配应力，其中承受气体负荷和质量惯性力以轴向力、横向力或侧向力、弯矩、扭矩等形式作用在机匣上，热负荷由高温和内外温差引起，应力由热负荷对材料强度带来的变化所引起。因此机匣的结构设计除要具备支撑功能外，还必须满足强度、刚度和稳定性要求[3]。航改机透平中机匣（TMF）位于高压透平与动力涡轮之间，其支撑承受多种载荷作用，力学环境恶劣且处于高温环境中，需满足冷却、密封等要求[4]。

2 TMF裂纹出现过程分析

某分布式企业配置LM2500+G4型燃气轮机2017年12月正式投产，引擎总运行小时数/启动次数：13170小时/107次启动，机组从进入COD以来一直运行在部分负荷10～12MW范围，期间严格按照OM手册进行燃机维护及定检工作，共完成4次定检工作。例行13000小时维护检查时，通过对燃机本体孔探检查、机械检查，在透平中机匣部分肋板外圈靠动力涡轮侧发现裂纹。

图1 TMF1号肋板裂纹及对应支撑位置示意图

图2 TMF5号肋板裂纹及对应支撑位置示意图

TMF所有8个支撑均出现裂纹，裂纹长度在51～65mm之间，均超出了GE公司手册标准50.4mm的要求，且部分裂纹存在交叉并存在向焊缝和内衬出气边扩展的趋势，继续运行可能导致裂纹加速扩展、材料脱落，进入通流部分，造成下游低压透平损坏，也可能会造成冷却空气通过裂纹泄漏到TMF支撑腔，最终影响推力平衡，还可能使得TMF无法对内部的轴承系统提供可靠支撑。裂纹检测中支撑号码、裂纹长度（mm）、允许长度（mm）、超出长度（mm）、超出比例（%）分别为：#1/65/50.4/14.6/29.0、#2/60/50.4/9.6/19.0、#3/57/50.4/6.6/13.1、#4/58/50.4/7.6/15.1、#5/51/50.4/0.6/1.2、#6/58/50.4/7.6/15.1、#7/65/50.4/14.6/29.0、#8/64/50.4/13.6/27.0。

TMF所有8个支撑裂纹根据结构位置，相应裂纹周向分布图如图3。#1、#7位置裂纹最大，#5位置裂纹最小，呈现顶部裂纹较大，底部裂纹相对较小的分布趋势。

图3 TMF肋板裂纹周向分布图

3 TMF裂纹生成因素分析

TMF中的支撑结构由于两端固定，存在约束，在燃机启停或负荷变动时受到热应力作用，一旦热应力大于其材料强度可能造成裂纹形成，同时支撑内部冷却空气与支撑外部存在较大温度差，易加剧裂纹形成，故而GE公司手册提到此处允许有不超过50.4mm的裂纹。经了解同类机型未出现过TMF支撑裂纹超过50.4mm的情况，且根据GE方面反馈未发生类似情况。结合TMF设计原则及特点，对这些支撑裂纹生成因素分析如下：

热变形与热应力影响。TMF位于燃气涡轮后，在航改机正常工作时处于高温环境下，材料的弹性模量减小，从而使刚度减弱，影响转子系统的动力特性，此外气流通道部分结构刚度弱化引起的变形量增大还会影响叶轮间的间隙变化和气动效率[5]。在航改机启停时工作温度剧烈变化，可能出现大温度梯度，造成结构热膨胀不协调从而产生热应力，在运行中的高温下该结构还容易产生热疲劳和屈曲变形。

振动影响。TMF在工作过程中承受多种载荷，频繁且较大的振动可能使其出现裂纹，因此在结构设计时必须保证其在宽的频率范围内对激励力具有低敏感性，防止有害振动的产生[6]。该燃机投产至今在9MW负荷附近运行时，GG（燃机燃气发生器）、PT（动力涡轮）前后端轴承振动如图4，皆远离报警值（GG端振幅报警值4mil、跳机值7mil，PT端报警值7mil、跳机值10mil），且至今振动基本无变化，因此振动不是裂纹产生的主要原因。

图4 历年振动情况图

连接结构力学性能的稳定性。TMF主要由多个承力部件连接组成，部件间的载荷通过连接结构传递。当连接结构受到交变载荷作用时，接触面间由于接触应力和状态的差异会发生周期性的相对变形或滑移，造成微动损伤，从而使连接部位接触状态发生变化，导致连接结构力学性能失稳，引起结构整体的刚度损失，造成支承松动[5,7]，严重时会带来安全隐患。

4 结语

结合TMF设计原则及特点对支撑裂纹生成因素分析，燃气轮机运行时产生的热变形和热应力是裂纹产生的主要原因，此外TMF的振动、连接结构力学性能的稳定性都会造成裂纹产生和扩展。因此在燃气轮机的日常运维当中要注意如下方面：

加强对振动的监测，尤其需监测运行过程中的变化趋势，对开机前后的振动情况进行比较，特别是位于高压透平和动力透平附近的振动。对轴承稳定运行状态的振动指标进行跟踪记录，在振动变化超过稳态值25%幅值时，无论是增加还是减小都视为危险工况，应研究考虑是否停机；加强排气分散度和燃烧脉动趋势的分析，主要是负荷稳定阶段的变化趋势，对于排气分散度不仅观察其数值，同时应注意记录温度最高及最低热电偶部位是否发生变化；充分利用停机机会对TMF支撑处裂纹扩展情况进行连续监测。在检查时应加强裂纹形貌、扩展长度、裂纹深度的检查与比较，如裂纹扩展速率加快、裂纹增多、出现新的交叉裂纹等，应考虑暂不启机运行；及时共享相关数据和信息，定期组织人员对机组运行情况进行远程会诊。