葉片軸技術在燃機維護中的運用論文

　　燃氣輪機是天然氣輸送的主要動力設備之一，在天然氣長輸管道增壓中應用較廣。燃氣輪機周期保養工作一般由用戶組織人員在現場完成，大中修(航改型燃氣輪機25000h為中修，50000h為大修;工業輕型燃氣輪機30000h為大修)一般返回制造廠由原始設備制造商(OEM)完成，可以根據實際情況選擇零部件的損壞、更新和修復方式。以某壓氣站Taurus70燃機的一次事故維修為例，介紹燃機現場維修葉片排序配平方法以及軸對中關鍵技術，以期為燃機現場維修提供指導。

　　1Taurus70燃機主體結構與故障描述

　　Taurus70燃氣輪機由美國索拉公司生產，設計功率7MW，主體結構為:14級壓氣機葉片(其中包括4級可調靜葉)、環形燃燒室、2級燃氣渦輪和2級動力渦輪(圖1)。機組以氣動方式啟動，起動機為蝸桿式氣動馬達。附屬齒輪箱位于進氣側的軸端，安裝有氣動馬達和主滑油泵。潤滑油系統由兩臺油泵(主滑油泵和輔助滑油泵)及輔助管路組成，輔助滑油泵主要為泵體起動和緊急停機提供潤滑油，由不間斷電源(UPS)供電。除啟動系統和潤滑油系統外，還包括燃料氣系統、空氣系統、控制系統和消防系統等。某壓氣站Taurus70燃機燃料氣中含有重烴組分，出現故障時，1級渦輪靜子葉片部分燒蝕，1級渦輪轉子葉片全部輕微燒蝕，燃機壓氣機狀態完好。由于更換受損的熱部件不會對轉子動平衡產生太大影響，而且現場需要盡快恢復生產，因此，決定由OEM廠商提供專用工具并派專業工程師現場更換受損部件。

　　2葉片配平技術

　　2.1概述由于燃機不同葉片之間存在質量差異，且各個葉片的質心位置不完全相同，如果不重新排序而僅僅更換葉片，將會破壞渦輪盤的平衡狀態而出現不平衡量。較大的不平衡量會引起機組振動，當振動超過一定范圍時，不僅會使燃氣輪機緊固件松脫、失效，而且還會誘發各種受力零部件的疲勞損傷，甚至發生疲勞斷裂，直接影響燃機的工作可靠性和使用壽命。因此，在安裝或更換葉片過程中，需要改變葉片在渦輪盤上的排列順序，調整轉子質量分布，將不平衡量控制在最小范圍內，該過程叫做葉片配平。通常情況下，葉片配平首先由計算機完成復雜的預排序過程，然后在動平衡機上進行試驗驗證，不平衡量滿足要求時才可裝配使用;或是將數據傳真給生產廠家，由生產廠家通過計算機程序模擬計算后，提供葉片排序方案。若不具備上述條件，則需要采取簡易的人工排序方法。人工排序方法既可用作確定平衡機上的初步試驗方案，又可確定葉片的實際排序方案。

　　2.2方法假設燃機渦輪盤是平衡的，葉片配平方法主要有2種:簡單排序法(如逆序插值法[1])和優化排序法[2]。兩種配平方法均采用盡量使所有葉片的總不平衡質量矩最小的原則。實際上，渦輪盤的不平衡量一定存在，因此，為了確保結果的準確性，Taurus70現場維修更換渦輪轉子葉片時，考慮了渦輪盤的不平衡量。Taurus70燃機第1級渦輪轉子葉片共有52片，由于每片葉片的過熱燒蝕情況大致相同，基本不會影響整個轉子的動平衡。因此，按照舊葉片的質量分布對新葉片進行排序配平:①分解前，用標記筆在舊葉片的葉形表面上順時針標記序號1~52，同時，在渦輪盤相對應的榫槽位置上標記序號1~52;②拆除所有舊葉片并稱重，將葉片質量按順序輸入計算機排序軟件，得到不平衡質量矩的大小和方向;③對新葉片稱重，按照質量從輕到重依次標記序號1~52，將質量數值輸入計算機葉片排序軟件中進行運算，使不平衡質量矩的大小與舊葉片近似相等;④安裝葉片時，調整渦輪盤與新葉片的角度，使新葉片不平衡量的角度方向與舊葉片方向基本一致(最多相差半個相鄰葉片角間距)，確保葉片更換前后整個葉輪的平衡。該排序方法沒有葉片數量的限制，且考慮了渦輪盤的不平衡量，但不適合舊葉片質量損失較大或者變形較嚴重的情況。

　　3軸對中技術

　　旋轉機械故障大多與對中不良有關，若設備對不良，運動中會發生振動、聯軸器損壞、軸承磨損、油膜失穩、軸撓曲變形等故障。對于高速運轉的燃氣輪機，對中尤其重要。

　　3.1基本原理與數學模型軸對中目的是使燃氣輪機軸與壓縮機軸在同一條直線或近乎在同一條直線上。在現場維修過程中，壓縮機軸已經固定，只需要調整燃氣輪機兩個支點的位置來實現燃氣輪機軸與壓縮機軸同軸。在安裝過程中，經常遇到的不對中偏差主要有2類:平行偏差和角度偏差。平行偏差是指相互連接的兩軸在互相平行時發生錯位;角度偏差是指兩軸的軸線不平行，相交成一定角度。以壓縮機輸入軸為基準，利用千分表測量燃機輸出軸上、下、左、右4個位置的端面跳動量(A1、B1、C1、D1)和徑面跳動量(A2、B2、C2、D2)(圖2)。理論上，A1+C1=B1+D1，A2+C2=B2+D2，這也是復核測量數據準確與否的依據。測量時，假設A點為基準點，則A1與A2均為0，記錄其他各點跳動量。對中時，壓縮機軸水平，燃機軸中心線與壓縮機軸中心線之間的夾角可以分解為燃機軸與水平面之間的夾角和燃機軸與壓縮機軸所在豎直平面的夾角(圖3)，然后利用端面跳動的4個數值進行計算。在豎直平面內，兩軸之間的幾何位置關系(圖4)為:式中:Y1為燃機左右支撐點的高度差，mm;Y2為燃機左支撐點與壓縮機軸的高度差，mm;L為燃機左右支撐點沿燃機軸向的距離，mm;D為測量端面圓跳動時千分表測針的直徑，mm。如果不考慮墊板彈性變形，燃機右端應提高的高度為Y=Y1+Y2，燃機O端應提高的高度為Y2。水平平面內角度的調節原理與上述豎直平面相似。在水平平面內，壓縮機軸與燃機軸的幾何位置關系(圖5)為:式中:X1為燃機左右支撐點相對壓縮機軸所在豎直平面的距離，mm;X2為燃機左支撐點與壓縮機所在豎直平面的距離，mm。為了使燃機軸移動至壓縮機軸所在豎直平面內，燃機的右支撐點應該首先水平移動X1距離，然后燃機在水平方向上整體向壓縮機軸所在豎直平面平移X2距離。

　　3.2冷態對中補償燃機機組對中通常是在冷態條件下進行，而絕大多數設備運行時均存在一定程度的熱膨脹。只有明確機組的熱膨脹量，才能確定熱對中數據以及冷態對中的補償量[3-4]。Taurus70燃機冷態對中補償量通常由OEM廠商提供。定義Y>0為冷態對中補償量，則A2+Y=C2-Y，即C2-A2=2Y，這就是Taurus70燃機冷態對中補償時調整高度方向的依據。

　　3.3軸對中方法與步驟

　　3.3.1方法軸對中方法較多，比較常用的有三表對中法、雙表對中法和單表對中法，此外，還可以利用角尺、塞尺以

　　及激光對中儀進行對中，所有的對中方法本質上是相似的。安裝燃氣輪機時，雙表對中法較適用，該方法采用2個千分表(圖6)，其中一個用于測量軸向偏差，主要測量燃氣輪機軸是否與壓縮機軸平行;另一個用于測量徑向偏差，主要測量兩軸平行時燃氣輪機與壓縮機軸的同心度。如果兩軸在軸向上存在竄動量，則需要采用三表法利用千分表測量軸向偏差并消除竄動量。

　　3.3.2步驟燃機對中時，高度的調節通過加減支架與基座之間的金屬墊片實現;水平方向的調節，通過旋擰水平方向的頂絲實現。對中時，首先調節高度方向，使燃機軸線與壓縮機軸線在同一水平面內，然后校正兩軸在水平方向的夾角直至平行，最后整體水平移動燃機，使燃機軸與壓縮機軸在同一豎直面內，同時，還要確保兩軸軸向間距在一定范圍內。軸對中的具體操作步驟:①測量燃氣輪機輸出軸端面跳動B1和D1兩點的偏差值，判斷燃機軸偏離壓縮機軸的方向。②以B1和D1為基準點，調整P端水平頂絲，旋轉表架所在壓縮機軸，監控千分表B1和D1兩點數值的變化，直至︱B1-D1︱在規定范圍內停止調整。③測量燃機渦輪輸出軸徑面跳動B2和D2兩點的偏差值，根據結果判斷平移燃機的方向。④利用O、P兩端的水平頂絲同步推動燃機，同時旋轉表架所在的壓縮機軸，監控千分表B2和D2兩點數值的變化，直到︱B2-D2︱在規定范圍內，停止調整。為了保證燃機兩端移動距離相等，可事先在兩端架設兩塊量表并調零，移動時只需保證兩表顯示的移動距離一致即可。⑤擰緊燃機地腳螺栓至規定力矩;測量燃機輸出軸端面跳動A1和C1兩點的偏差值，利用三角形相似原理，計算燃機P端所需增減的墊片厚度值;松開地腳螺栓，增減墊片。⑥再次擰緊地腳螺栓至規定力矩;利用千分表測量徑面跳動的A2和C2兩點的偏差值，通過在O點和P點增減墊片來判斷A2和C2的差值;松開地腳螺栓，增減墊片。此時，對中的粗調工作已全部完成，接下來按照上述步驟進行對中的微調。微調時，首先測量并調整墊片厚度，使燃機軸與壓縮機軸在同一水平面內，然后進行水平擺動的調整，需要反復調整直至端面跳動量和徑面跳動量均在允許范圍內。

　　3.4軸對中調整注意事項(1)Taurus70燃機與ManTurbo壓縮機通過聯軸器連接，聯軸器的兩個軸端均采用了撓性軸設計(考慮熱膨脹問題)。安裝千分表座時應首先擰緊壓縮機聯軸器的頂絲，擰緊后彈簧鋼板不再起作用，撓性軸變為剛性軸。利用千分表測量端面跳動和徑面跳動時，應測量聯軸器安裝座的止口處，且測量面應擦拭干凈并涂上潤滑油。(2)燃機兩個支撐點一共有4組墊片，每次增減墊片時，應保持左、右地腳增減墊片的厚度相同，使左持水平。(3)注意垂度的影響。千分表的測量端頭由于受到重力以及千分表架剛度的影響，在測量標準圓的3:00、6:00、9:00和12:00位置時均存在讀數誤差，此誤差稱為垂度[5]。通常采用專用的工具來確定千分表架垂度的大小，只有在表架剛度足夠好時才可以忽略垂度。綜上所述，Taurus70燃氣輪機對中采用了雙表對中法，取得了較好的效果，燃機一次性啟機成功，且振動指標等均滿足要求。隨著輸氣管道用燃氣輪機的不斷增加，燃氣輪機的場站現場維修工作日益頻繁，只有不斷總結實踐經驗，才能使燃氣輪機現場維修技術得到快速完善和發展。

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