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摘要：某公司三菱M701DA型号燃机在检修过程中发现压气机14级和15级动叶锁键存在两种配合方式。以这两种配合方式作为研究对象，从三个方面对比分析其对压气机运行安全性和可靠性产生的不同影响，最终确定正确的动叶锁键配合方式。
Abstract： During the maintenance of Mitsubishi M701DA gas turbine， it is found that there are two matching modes of lock key of the 14th and 15th stage compressor blade.Taking two matching modes as the object of study， the different effects on the safety and reliability of compressor operation are compared and analyzed from three aspects， and the correct matching mode of rotor lock key is finally determined.
关键词：压气机;动叶;锁键;配合方式
Key words： compressor;blade;lock key;matching mode
中图分类号：U263.12 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0182-02
0 引言
某公司#5机组燃机为三菱M701DA型号，压气机共计19级，压气机动叶通过轮毂上的锁键进行固定，锁键存在两种不同型号的锁键，一种普通连接锁键，一种位于180°对称位置的封口锁键，如图1。在2020年12月一次检修过程中发现，压气机14级和15级动叶锁键原先配合方式与检修要领书上提供的配合方式存在偏差，其中一块锁键翻转了180°，这直接说明动叶锁键原先配合方式可能存在问题，会直接影响压气机运行的安全性和可靠性，需要对这两种动叶锁键配合方式进行对比研究。
1 研究对象
在检修过程中，发现压气机动叶上的普通连接锁键存在两种配合方式，主要在于后一块锁键的方向，一种是两块平行锁键凸缘方向一致，锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，如图2;另一种是两块平行锁键凸缘方向相对，锁键产生的隘口位于轮毂槽道与动叶相衔接的位置，如图3。
以动叶锁键这两种不同的配合方式作为研究对象，从以下三个方面对比分析其会对压气机运行的安全性和可靠性产生的不同影响，主要包含气流扰动、积垢、腐蚀。气流扰动指的是气流在叶片上流动时，由于叶片的不规则形状产生的扰动。积垢指的是气流中裹挟的微小的尘屑，在叶片上堆积从而形成。腐蚀，在叶片上发生的腐蚀主要是电化学腐蚀，在一定条件下叶片上持续电离出金属离子，从而叶片发生减薄现象。
2 对比研究
2.1 气流扰动
根據文献[1]气流在压气机级中运动过程时，会产生流动损失，主要包含叶型损失、环端面损失及二次流损失。叶型损失，是由于气体的黏性使得紧靠叶型表面一层气流情况有异于主流，进而产生摩擦、分离，这些造成了流动能量的损失。环端面损失，是由于气流沿着气缸和转子轮毂表面所流动产生的摩擦和涡流损失。二次流损失，是由于气体实际流动是复杂的，特别是顶部和根部附近，流动的物理现象更加复杂，出现很多和主流方向大不相同的流动，这些可以扰乱主流的运动产生损失。因而，叶型损失、二次流损失主要存在叶片及叶片周围，环端面损失存在于气缸及转子轮毂表面。在设计工况下，叶型损失、二次流损失和环端面损失约占总损失40%、40%及20%。同时当气体流量增加时，环端面损失会有所增加，是由于流量增大时产生的摩擦损失将增加。二次流损失会随流量增大而略有降低，但变化不大。设计工况下，叶型损失一般较小，但偏离设计点较大时，就会明显增大，是由于冲角加大，气流发生脱离，流动情况严重恶化所致。在由此可以确认气流在压气机级中运动时，气流在叶片上流动产生的影响远远大于在轮毂上流动的影响，同时受叶片自身状况影响较大。
对方式二进行分析（方式二现场图如图4），由于压气机动叶锁键产生的隘口位于动叶边缘，气流在叶片上流动时，叶片上气流会经轮毂槽道与动叶之间的间隙进入隘口，在隘口内产生涡旋进而形成气流扰动，扰动能量可以在隘口内部不断积聚，进而引起压气机叶片由根部产生振动，产生额外的能量损失，影响压气机动叶的动力性能，长时间运行会造成压气机运行过程中发生喘振的频率增加，对压气机运行的安全性及可靠性产生严重影响。
对比方式一（方式一现场图如图5），由于压气机动叶锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，气流在轮毂上流动时，产生影响远远小于方式二，从而在隘口处不会形成涡流，进而不会产生气流扰动，因此压气机叶片不会因此由根部产生振动，更不会影响压气机动叶的动力性能。另外根据前面所述，由于动叶锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，在气体流量增大时，对压气机动叶叶片产生的影响较小，不会使压气机动叶的叶型损失增大。
2.2 积垢
对方式二进行分析，主要由于气流扰动进一步的影响，随着气流进行运动的微小的尘屑会在隘口位置进行沉降堆积，也就是产生积垢。根据文献[2]在积垢过程中，由于叶片叶根吸力面尾缘附近有一层明显的低速区域，即为附面层，由于隘口紧贴着叶片叶根，隘口位置由于气流扰动产生的积垢会加快叶根位置的附面层的积垢速率，使得叶片叶根变得越来越厚。在叶片叶根变厚以后，叶片叶根处整体的静压呈减小趋势，这表明加厚叶片以后叶片通道的增压效果明显下降，压气机效率显著下降。同时当积垢使得叶片的厚度发生变化时，会使得叶片的载荷增加，严重时甚至会导致叶片会发生断裂，严重影响压气机的正常工作。 对比方式一，由于隘口位于轮毂槽道中间而非叶片叶根位置，叶片叶根位置的附面层不会因此加快积垢速率，叶片叶根的厚度仅受附面层的影响，积垢程度会远低于方式二，方式一叶片叶根积垢的厚度会小于方式二，压气机效率所受影响会小于方式二。
根据文献[3]积垢改变了气流的进气角，增加了叶片的表面粗糙度，减小了压气机喉部面积和气流通道的流通能力，使得压气机的压比、效率降低。另外，积垢改变了叶片叶根及轮毂槽道的形状，影响着叶片表面的压力、速度和湍流粘性系数等流场特征参数的分布，使其受到的表面应力增加，长期工作可造成应力疲劳甚至发生断裂，对压气机运行的安全性及可靠性产生严重影响。由于方式一的积垢程度低于方式二，从而方式一中的压气机动叶所受积垢作用的影响程度远小于方式二。
2.3 腐蚀
对方式二进行分析，随着隘口及叶根位置积垢程度逐渐加剧，气流在对应位置冲刷不断加强，涂层逐渐出现裸露情况。[4]在一定相对湿度（大于70%）条件下，由于隘口的存在，空气中的水分随气流在叶片上流动至隘口位置容易附着其表面形成水膜，同时空气中的卤化物（腐蚀源）存在于积垢中，两者互相融合形成卤化物溶液，电离出卤性离子。由于隘口紧贴着叶片叶根，隘口处不断产生的卤性离子与叶片中活性金属持续发生电化学腐蚀，破坏叶片表面的钝化层，加剧腐蚀。由于压气机一直在运行，在气体的作用下，叶片表面的溶液不断分化、发霉，不断重复前面的过程，在叶片上不斷形成腐蚀原电池，对叶片内部进行腐蚀，加上叶片材料的各处细微组织成分不均匀，使叶片内部的腐蚀速度加快。当腐蚀持续发生以后，随后在叶片机械应力、疲劳应力的复合作用下，叶片叶根会产生裂纹甚至发生断裂情况，对压气机运行的安全性及可靠性产生严重影响。对比方式一，由于隘口位于轮毂槽道中间而非叶根位置，空气中的水分随着气流在轮毂流动时，即使在轮毂槽道中间位置的隘口形成水膜，由于隘口未紧贴着叶片叶根，不满足叶片叶根发生电化学腐蚀的条件，从而叶片叶根发生腐蚀的可能性远低于方式二，进而压气机叶片产生裂纹甚至发生断裂情况的可能性会远低于方式二。
3 结论
综上所述，最终压气机动叶上的普通连接锁键的配合方式应选择方式一，即两块平行锁键凸缘方向一致，锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，主要原因在于：①方式一的隘口由于位于轮毂槽道中间，气流在轮毂上流动时，产生影响远远小于方式二，不会由于产生涡流而引起气流扰动，叶片叶根不会因此发生振动，不会影响压气机动叶的动力性能。②叶片叶根附面层的积垢速率不会因方式一中的隘口位置的影响而加快，从而方式一中的压气机动叶所受积垢作用的影响程度远小于方式二。③即使在方式一的隘口位置形成水膜，由于隘口未紧贴着叶片叶根，不满足叶片叶根发生电化学腐蚀的条件，叶片叶根发生腐蚀的可能性远低于方式二，进而压气机叶片产生裂纹甚至发生断裂情况的可能性会远低于方式二。
参考文献：
[1]焦树建，孙守林，张艳春，等.燃气轮机与燃气——蒸汽联合循环装置 [M].北京：中国电力出版社，2007.
[2]孙海鸥，王立松，王忠义，万雷.积垢条件下压气机性能衰退数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报，2018，39（11）：1773-1778.
[3]李钊，王永华，黄帅，杨春. 积垢对压气机流场影响的数值分析[J].海军航空工程学院学报，2011，26（6）：637-644.
[4]张普青.涡喷八型发动机压气机叶片的腐蚀与防护 [C]//江苏省航空航天学会.2011年航空维修理论研究及技术发展学术交流会论文集，2011：32-33.
Abstract： During the maintenance of Mitsubishi M701DA gas turbine， it is found that there are two matching modes of lock key of the 14th and 15th stage compressor blade.Taking two matching modes as the object of study， the different effects on the safety and reliability of compressor operation are compared and analyzed from three aspects， and the correct matching mode of rotor lock key is finally determined.
关键词：压气机;动叶;锁键;配合方式
Key words： compressor;blade;lock key;matching mode
中图分类号：U263.12 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0182-02
0 引言
某公司#5机组燃机为三菱M701DA型号，压气机共计19级，压气机动叶通过轮毂上的锁键进行固定，锁键存在两种不同型号的锁键，一种普通连接锁键，一种位于180°对称位置的封口锁键，如图1。在2020年12月一次检修过程中发现，压气机14级和15级动叶锁键原先配合方式与检修要领书上提供的配合方式存在偏差，其中一块锁键翻转了180°，这直接说明动叶锁键原先配合方式可能存在问题，会直接影响压气机运行的安全性和可靠性，需要对这两种动叶锁键配合方式进行对比研究。
1 研究对象
在检修过程中，发现压气机动叶上的普通连接锁键存在两种配合方式，主要在于后一块锁键的方向，一种是两块平行锁键凸缘方向一致，锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，如图2;另一种是两块平行锁键凸缘方向相对，锁键产生的隘口位于轮毂槽道与动叶相衔接的位置，如图3。
以动叶锁键这两种不同的配合方式作为研究对象，从以下三个方面对比分析其会对压气机运行的安全性和可靠性产生的不同影响，主要包含气流扰动、积垢、腐蚀。气流扰动指的是气流在叶片上流动时，由于叶片的不规则形状产生的扰动。积垢指的是气流中裹挟的微小的尘屑，在叶片上堆积从而形成。腐蚀，在叶片上发生的腐蚀主要是电化学腐蚀，在一定条件下叶片上持续电离出金属离子，从而叶片发生减薄现象。
2 对比研究
2.1 气流扰动
根據文献[1]气流在压气机级中运动过程时，会产生流动损失，主要包含叶型损失、环端面损失及二次流损失。叶型损失，是由于气体的黏性使得紧靠叶型表面一层气流情况有异于主流，进而产生摩擦、分离，这些造成了流动能量的损失。环端面损失，是由于气流沿着气缸和转子轮毂表面所流动产生的摩擦和涡流损失。二次流损失，是由于气体实际流动是复杂的，特别是顶部和根部附近，流动的物理现象更加复杂，出现很多和主流方向大不相同的流动，这些可以扰乱主流的运动产生损失。因而，叶型损失、二次流损失主要存在叶片及叶片周围，环端面损失存在于气缸及转子轮毂表面。在设计工况下，叶型损失、二次流损失和环端面损失约占总损失40%、40%及20%。同时当气体流量增加时，环端面损失会有所增加，是由于流量增大时产生的摩擦损失将增加。二次流损失会随流量增大而略有降低，但变化不大。设计工况下，叶型损失一般较小，但偏离设计点较大时，就会明显增大，是由于冲角加大，气流发生脱离，流动情况严重恶化所致。在由此可以确认气流在压气机级中运动时，气流在叶片上流动产生的影响远远大于在轮毂上流动的影响，同时受叶片自身状况影响较大。
对方式二进行分析（方式二现场图如图4），由于压气机动叶锁键产生的隘口位于动叶边缘，气流在叶片上流动时，叶片上气流会经轮毂槽道与动叶之间的间隙进入隘口，在隘口内产生涡旋进而形成气流扰动，扰动能量可以在隘口内部不断积聚，进而引起压气机叶片由根部产生振动，产生额外的能量损失，影响压气机动叶的动力性能，长时间运行会造成压气机运行过程中发生喘振的频率增加，对压气机运行的安全性及可靠性产生严重影响。
对比方式一（方式一现场图如图5），由于压气机动叶锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，气流在轮毂上流动时，产生影响远远小于方式二，从而在隘口处不会形成涡流，进而不会产生气流扰动，因此压气机叶片不会因此由根部产生振动，更不会影响压气机动叶的动力性能。另外根据前面所述，由于动叶锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，在气体流量增大时，对压气机动叶叶片产生的影响较小，不会使压气机动叶的叶型损失增大。
2.2 积垢
对方式二进行分析，主要由于气流扰动进一步的影响，随着气流进行运动的微小的尘屑会在隘口位置进行沉降堆积，也就是产生积垢。根据文献[2]在积垢过程中，由于叶片叶根吸力面尾缘附近有一层明显的低速区域，即为附面层，由于隘口紧贴着叶片叶根，隘口位置由于气流扰动产生的积垢会加快叶根位置的附面层的积垢速率，使得叶片叶根变得越来越厚。在叶片叶根变厚以后，叶片叶根处整体的静压呈减小趋势，这表明加厚叶片以后叶片通道的增压效果明显下降，压气机效率显著下降。同时当积垢使得叶片的厚度发生变化时，会使得叶片的载荷增加，严重时甚至会导致叶片会发生断裂，严重影响压气机的正常工作。 对比方式一，由于隘口位于轮毂槽道中间而非叶片叶根位置，叶片叶根位置的附面层不会因此加快积垢速率，叶片叶根的厚度仅受附面层的影响，积垢程度会远低于方式二，方式一叶片叶根积垢的厚度会小于方式二，压气机效率所受影响会小于方式二。
根据文献[3]积垢改变了气流的进气角，增加了叶片的表面粗糙度，减小了压气机喉部面积和气流通道的流通能力，使得压气机的压比、效率降低。另外，积垢改变了叶片叶根及轮毂槽道的形状，影响着叶片表面的压力、速度和湍流粘性系数等流场特征参数的分布，使其受到的表面应力增加，长期工作可造成应力疲劳甚至发生断裂，对压气机运行的安全性及可靠性产生严重影响。由于方式一的积垢程度低于方式二，从而方式一中的压气机动叶所受积垢作用的影响程度远小于方式二。
2.3 腐蚀
对方式二进行分析，随着隘口及叶根位置积垢程度逐渐加剧，气流在对应位置冲刷不断加强，涂层逐渐出现裸露情况。[4]在一定相对湿度（大于70%）条件下，由于隘口的存在，空气中的水分随气流在叶片上流动至隘口位置容易附着其表面形成水膜，同时空气中的卤化物（腐蚀源）存在于积垢中，两者互相融合形成卤化物溶液，电离出卤性离子。由于隘口紧贴着叶片叶根，隘口处不断产生的卤性离子与叶片中活性金属持续发生电化学腐蚀，破坏叶片表面的钝化层，加剧腐蚀。由于压气机一直在运行，在气体的作用下，叶片表面的溶液不断分化、发霉，不断重复前面的过程，在叶片上不斷形成腐蚀原电池，对叶片内部进行腐蚀，加上叶片材料的各处细微组织成分不均匀，使叶片内部的腐蚀速度加快。当腐蚀持续发生以后，随后在叶片机械应力、疲劳应力的复合作用下，叶片叶根会产生裂纹甚至发生断裂情况，对压气机运行的安全性及可靠性产生严重影响。对比方式一，由于隘口位于轮毂槽道中间而非叶根位置，空气中的水分随着气流在轮毂流动时，即使在轮毂槽道中间位置的隘口形成水膜，由于隘口未紧贴着叶片叶根，不满足叶片叶根发生电化学腐蚀的条件，从而叶片叶根发生腐蚀的可能性远低于方式二，进而压气机叶片产生裂纹甚至发生断裂情况的可能性会远低于方式二。
3 结论
综上所述，最终压气机动叶上的普通连接锁键的配合方式应选择方式一，即两块平行锁键凸缘方向一致，锁键产生的隘口位于轮毂槽道中间，主要原因在于：①方式一的隘口由于位于轮毂槽道中间，气流在轮毂上流动时，产生影响远远小于方式二，不会由于产生涡流而引起气流扰动，叶片叶根不会因此发生振动，不会影响压气机动叶的动力性能。②叶片叶根附面层的积垢速率不会因方式一中的隘口位置的影响而加快，从而方式一中的压气机动叶所受积垢作用的影响程度远小于方式二。③即使在方式一的隘口位置形成水膜，由于隘口未紧贴着叶片叶根，不满足叶片叶根发生电化学腐蚀的条件，叶片叶根发生腐蚀的可能性远低于方式二，进而压气机叶片产生裂纹甚至发生断裂情况的可能性会远低于方式二。
参考文献：
[1]焦树建，孙守林，张艳春，等.燃气轮机与燃气——蒸汽联合循环装置 [M].北京：中国电力出版社，2007.
[2]孙海鸥，王立松，王忠义，万雷.积垢条件下压气机性能衰退数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报，2018，39（11）：1773-1778.
[3]李钊，王永华，黄帅，杨春. 积垢对压气机流场影响的数值分析[J].海军航空工程学院学报，2011，26（6）：637-644.
[4]张普青.涡喷八型发动机压气机叶片的腐蚀与防护 [C]//江苏省航空航天学会.2011年航空维修理论研究及技术发展学术交流会论文集，2011：32-33.