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葉片軸技術(shù)在燃機(jī)維護(hù)中的運(yùn)用論文
燃?xì)廨啓C(jī)是天然氣輸送的主要?jiǎng)恿υO(shè)備之一，在天然氣長輸管道增壓中應(yīng)用較廣。燃?xì)廨啓C(jī)周期保養(yǎng)工作一般由用戶組織人員在現(xiàn)場完成，大中修(航改型燃?xì)廨啓C(jī)25000h為中修，50000h為大修;工業(yè)輕型燃?xì)廨啓C(jī)30000h為大修)一般返回制造廠由原始設(shè)備制造商(OEM)完成，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇零部件的損壞、更新和修復(fù)方式。以某壓氣站Taurus70燃機(jī)的一次事故維修為例，介紹燃機(jī)現(xiàn)場維修葉片排序配平方法以及軸對中關(guān)鍵技術(shù)，以期為燃機(jī)現(xiàn)場維修提供指導(dǎo)。
1Taurus70燃機(jī)主體結(jié)構(gòu)與故障描述
Taurus70燃?xì)廨啓C(jī)由美國索拉公司生產(chǎn)，設(shè)計(jì)功率7MW，主體結(jié)構(gòu)為:14級壓氣機(jī)葉片(其中包括4級可調(diào)靜葉)、環(huán)形燃燒室、2級燃?xì)鉁u輪和2級動(dòng)力渦輪(圖1)。機(jī)組以氣動(dòng)方式啟動(dòng)，起動(dòng)機(jī)為蝸桿式氣動(dòng)馬達(dá)。附屬齒輪箱位于進(jìn)氣側(cè)的軸端，安裝有氣動(dòng)馬達(dá)和主滑油泵。潤滑油系統(tǒng)由兩臺(tái)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(dòng)和緊急停機(jī)提供潤滑油，由不間斷電源(UPS)供電。除啟動(dòng)系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)外，還包括燃料氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等。某壓氣站Taurus70燃機(jī)燃料氣中含有重?zé)N組分，出現(xiàn)故障時(shí)，1級渦輪靜子葉片部分燒蝕，1級渦輪轉(zhuǎn)子葉片全部輕微燒蝕，燃機(jī)壓氣機(jī)狀態(tài)完好。由于更換受損的熱部件不會(huì)對轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡產(chǎn)生太大影響，而且現(xiàn)場需要盡快恢復(fù)生產(chǎn)，因此，決定由OEM廠商提供專用工具并派專業(yè)工程師現(xiàn)場更換受損部件。
2葉片配平技術(shù)
2.1概述由于燃機(jī)不同葉片之間存在質(zhì)量差異，且各個(gè)葉片的質(zhì)心位置不完全相同，如果不重新排序而僅僅更換葉片，將會(huì)破壞渦輪盤的平衡狀態(tài)而出現(xiàn)不平衡量。較大的不平衡量會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)超過一定范圍時(shí)，不僅會(huì)使燃?xì)廨啓C(jī)緊固件松脫、失效，而且還會(huì)誘發(fā)各種受力零部件的疲勞損傷，甚至發(fā)生疲勞斷裂，直接影響燃機(jī)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?nèi)~片在渦輪盤上的排列順序，調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布，將不平衡量控制在最小范圍內(nèi)，該過程叫做葉片配平。通常情況下，葉片配平首先由計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜的預(yù)排序過程，然后在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，不平衡量滿足要求時(shí)才可裝配使用;或是將數(shù)據(jù)傳真給生產(chǎn)廠家，由生產(chǎn)廠家通過計(jì)算機(jī)程序模擬計(jì)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(jī)上的初步試驗(yàn)方案，又可確定葉片的實(shí)際排序方案。
2.2方法假設(shè)燃機(jī)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(yōu)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(zhì)量矩最小的原則。實(shí)際上，渦輪盤的不平衡量一定存在，因此，為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，Taurus70現(xiàn)場維修更換渦輪轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，考慮了渦輪盤的不平衡量。Taurus70燃機(jī)第1級渦輪轉(zhuǎn)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(huì)影響整個(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。因此，按照舊葉片的質(zhì)量分布對新葉片進(jìn)行排序配平:①分解前，用標(biāo)記筆在舊葉片的葉形表面上順時(shí)針標(biāo)記序號1~52，同時(shí)，在渦輪盤相對應(yīng)的榫槽位置上標(biāo)記序號1~52;②拆除所有舊葉片并稱重，將葉片質(zhì)量按順序輸入計(jì)算機(jī)排序軟件，得到不平衡質(zhì)量矩的大小和方向;③對新葉片稱重，按照質(zhì)量從輕到重依次標(biāo)記序號1~52，將質(zhì)量數(shù)值輸入計(jì)算機(jī)葉片排序軟件中進(jìn)行運(yùn)算，使不平衡質(zhì)量矩的大小與舊葉片近似相等;④安裝葉片時(shí)，調(diào)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(gè)相鄰葉片角間距)，確保葉片更換前后整個(gè)葉輪的平衡。該排序方法沒有葉片數(shù)量的限制，且考慮了渦輪盤的不平衡量，但不適合舊葉片質(zhì)量損失較大或者變形較嚴(yán)重的情況。
3軸對中技術(shù)
旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障大多與對中不良有關(guān)，若設(shè)備對不良，運(yùn)動(dòng)中會(huì)發(fā)生振動(dòng)、聯(lián)軸器損壞、軸承磨損、油膜失穩(wěn)、軸撓曲變形等故障。對于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)，對中尤其重要。
3.1基本原理與數(shù)學(xué)模型軸對中目的是使燃?xì)廨啓C(jī)軸與壓縮機(jī)軸在同一條直線或近乎在同一條直線上。在現(xiàn)場維修過程中，壓縮機(jī)軸已經(jīng)固定，只需要調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)兩個(gè)支點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)軸與壓縮機(jī)軸同軸。在安裝過程中，經(jīng)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(shí)發(fā)生錯(cuò)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(jī)輸入軸為基準(zhǔn)，利用千分表測量燃機(jī)輸出軸上、下、左、右4個(gè)位置的端面跳動(dòng)量(A1、B1、C1、D1)和徑面跳動(dòng)量(A2、B2、C2、D2)(圖2)。理論上，A1+C1=B1+D1，A2+C2=B2+D2，這也是復(fù)核測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否的依據(jù)。測量時(shí)，假設(shè)A點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，則A1與A2均為0，記錄其他各點(diǎn)跳動(dòng)量。對中時(shí)，壓縮機(jī)軸水平，燃機(jī)軸中心線與壓縮機(jī)軸中心線之間的夾角可以分解為燃機(jī)軸與水平面之間的夾角和燃機(jī)軸與壓縮機(jī)軸所在豎直平面的夾角(圖3)，然后利用端面跳動(dòng)的4個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。在豎直平面內(nèi)，兩軸之間的幾何位置關(guān)系(圖4)為:式中:Y1為燃機(jī)左右支撐點(diǎn)的高度差，mm;Y2為燃機(jī)左支撐點(diǎn)與壓縮機(jī)軸的高度差，mm;L為燃機(jī)左右支撐點(diǎn)沿燃機(jī)軸向的距離，mm;D為測量端面圓跳動(dòng)時(shí)千分表測針的直徑，mm。如果不考慮墊板彈性變形，燃機(jī)右端應(yīng)提高的高度為Y=Y1+Y2，燃機(jī)O端應(yīng)提高的高度為Y2。水平平面內(nèi)角度的調(diào)節(jié)原理與上述豎直平面相似。在水平平面內(nèi)，壓縮機(jī)軸與燃機(jī)軸的幾何位置關(guān)系(圖5)為:式中:X1為燃機(jī)左右支撐點(diǎn)相對壓縮機(jī)軸所在豎直平面的距離，mm;X2為燃機(jī)左支撐點(diǎn)與壓縮機(jī)所在豎直平面的距離，mm。為了使燃機(jī)軸移動(dòng)至壓縮機(jī)軸所在豎直平面內(nèi)，燃機(jī)的右支撐點(diǎn)應(yīng)該首先水平移動(dòng)X1距離，然后燃機(jī)在水平方向上整體向壓縮機(jī)軸所在豎直平面平移X2距離。
3.2冷態(tài)對中補(bǔ)償燃機(jī)機(jī)組對中通常是在冷態(tài)條件下進(jìn)行，而絕大多數(shù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)均存在一定程度的熱膨脹。只有明確機(jī)組的熱膨脹量，才能確定熱對中數(shù)據(jù)以及冷態(tài)對中的補(bǔ)償量[3-4]。Taurus70燃機(jī)冷態(tài)對中補(bǔ)償量通常由OEM廠商提供。定義Y>0為冷態(tài)對中補(bǔ)償量，則A2+Y=C2-Y，即C2-A2=2Y，這就是Taurus70燃機(jī)冷態(tài)對中補(bǔ)償時(shí)調(diào)整高度方向的依據(jù)。
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(jìn)行對中，所有的對中方法本質(zhì)上是相似的。安裝燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，雙表對中法較適用，該方法采用2個(gè)千分表(圖6)，其中一個(gè)用于測量軸向偏差，主要測量燃?xì)廨啓C(jī)軸是否與壓縮機(jī)軸平行;另一個(gè)用于測量徑向偏差，主要測量兩軸平行時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)與壓縮機(jī)軸的同心度。如果兩軸在軸向上存在竄動(dòng)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(dòng)量。
3.3.2步驟燃機(jī)對中時(shí)，高度的調(diào)節(jié)通過加減支架與基座之間的金屬墊片實(shí)現(xiàn);水平方向的調(diào)節(jié)，通過旋擰水平方向的頂絲實(shí)現(xiàn)。對中時(shí)，首先調(diào)節(jié)高度方向，使燃機(jī)軸線與壓縮機(jī)軸線在同一水平面內(nèi)，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(dòng)燃機(jī)，使燃機(jī)軸與壓縮機(jī)軸在同一豎直面內(nèi)，同時(shí)，還要確保兩軸軸向間距在一定范圍內(nèi)。軸對中的具體操作步驟:①測量燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸端面跳動(dòng)B1和D1兩點(diǎn)的偏差值，判斷燃機(jī)軸偏離壓縮機(jī)軸的方向。②以B1和D1為基準(zhǔn)點(diǎn)，調(diào)整P端水平頂絲，旋轉(zhuǎn)表架所在壓縮機(jī)軸，監(jiān)控千分表B1和D1兩點(diǎn)數(shù)值的變化，直至︱B1-D1︱在規(guī)定范圍內(nèi)停止調(diào)整。③測量燃機(jī)渦輪輸出軸徑面跳動(dòng)B2和D2兩點(diǎn)的偏差值，根據(jù)結(jié)果判斷平移燃機(jī)的方向。④利用O、P兩端的水平頂絲同步推動(dòng)燃機(jī)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)表架所在的壓縮機(jī)軸，監(jiān)控千分表B2和D2兩點(diǎn)數(shù)值的變化，直到︱B2-D2︱在規(guī)定范圍內(nèi)，停止調(diào)整。為了保證燃機(jī)兩端移動(dòng)距離相等，可事先在兩端架設(shè)兩塊量表并調(diào)零，移動(dòng)時(shí)只需保證兩表顯示的移動(dòng)距離一致即可。⑤擰緊燃機(jī)地腳螺栓至規(guī)定力矩;測量燃機(jī)輸出軸端面跳動(dòng)A1和C1兩點(diǎn)的偏差值，利用三角形相似原理，計(jì)算燃機(jī)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(guī)定力矩;利用千分表測量徑面跳動(dòng)的A2和C2兩點(diǎn)的偏差值，通過在O點(diǎn)和P點(diǎn)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(shí)，對中的粗調(diào)工作已全部完成，接下來按照上述步驟進(jìn)行對中的微調(diào)。微調(diào)時(shí)，首先測量并調(diào)整墊片厚度，使燃機(jī)軸與壓縮機(jī)軸在同一水平面內(nèi)，然后進(jìn)行水平擺動(dòng)的調(diào)整，需要反復(fù)調(diào)整直至端面跳動(dòng)量和徑面跳動(dòng)量均在允許范圍內(nèi)。
3.4軸對中調(diào)整注意事項(xiàng)(1)Taurus70燃機(jī)與ManTurbo壓縮機(jī)通過聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器的兩個(gè)軸端均采用了撓性軸設(shè)計(jì)(考慮熱膨脹問題)。安裝千分表座時(shí)應(yīng)首先擰緊壓縮機(jī)聯(lián)軸器的頂絲，擰緊后彈簧鋼板不再起作用，撓性軸變?yōu)閯傂暂S。利用千分表測量端面跳動(dòng)和徑面跳動(dòng)時(shí)，應(yīng)測量聯(lián)軸器安裝座的止口處，且測量面應(yīng)擦拭干凈并涂上潤滑油。(2)燃機(jī)兩個(gè)支撐點(diǎn)一共有4組墊片，每次增減墊片時(shí)，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)圓的3:00、6:00、9:00和12:00位置時(shí)均存在讀數(shù)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(shí)才可以忽略垂度。綜上所述，Taurus70燃?xì)廨啓C(jī)對中采用了雙表對中法，取得了較好的效果，燃機(jī)一次性啟機(jī)成功，且振動(dòng)指標(biāo)等均滿足要求。隨著輸氣管道用燃?xì)廨啓C(jī)的不斷增加，燃?xì)廨啓C(jī)的場站現(xiàn)場維修工作日益頻繁，只有不斷總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能使燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場維修技術(shù)得到快速完善和發(fā)展。
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