分析叶片轴技术在燃机维护中的运用论文
燃气轮机是天然气输送的主要动力设备之一,在天然气长输管道增压中应用较广。燃气轮机周期保养工作一般由用户组织人员在现场完成,大中修(航改型燃气轮机25000h为中修,50000h为大修;工业轻型燃气轮机30000h为大修)一般返回制造厂由原始设备制造商(OEM)完成,可以根据实际情况选择零部件的损坏、更新和修复方式。以某压气站Taurus70燃机的一次事故维修为例,介绍燃机现场维修叶片排序配平方法以及轴对中关键技术,以期为燃机现场维修提供指导。
1Taurus70燃机主体结构与故障描述
Taurus70燃气轮机由美国索拉公司生产,设计功率7MW,主体结构为:14级压气机叶片(其中包括4级可调静叶)、环形燃烧室、2级燃气涡轮和2级动力涡轮(图1)。机组以气动方式启动,起动机为蜗杆式气动马达。附属齿轮箱位于进气侧的轴端,安装有气动马达和主滑油泵。润滑油系统由两台油泵(主滑油泵和辅助滑油泵)及辅助管路组成,辅助滑油泵主要为泵体起动和紧急停机提供润滑油,由不间断电源(UPS)供电。除启动系统和润滑油系统外,还包括燃料气系统、空气系统、控制系统和消防系统等。某压气站Taurus70燃机燃料气中含有重烃组分,出现故障时,1级涡轮静子叶片部分烧蚀,1级涡轮转子叶片全部轻微烧蚀,燃机压气机状态完好。由于更换受损的热部件不会对转子动平衡产生太大影响,而且现场需要尽快恢复生产,因此,决定由OEM厂商提供专用工具并派专业工程师现场更换受损部件。
2叶片配平技术
2.1概述由于燃机不同叶片之间存在质量差异,且各个叶片的质心位置不完全相同,如果不重新排序而仅仅更换叶片,将会破坏涡轮盘的平衡状态而出现不平衡量。较大的不平衡量会引起机组振动,当振动超过一定范围时,不仅会使燃气轮机紧固件松脱、失效,而且还会诱发各种受力零部件的疲劳损伤,甚至发生疲劳断裂,直接影响燃机的工作可靠性和使用寿命。因此,在安装或更换叶片过程中,需要改变叶片在涡轮盘上的排列顺序,调整转子质量分布,将不平衡量控制在最小范围内,该过程叫做叶片配平。通常情况下,叶片配平首先由计算机完成复杂的预排序过程,然后在动平衡机上进行试验验证,不平衡量满足要求时才可装配使用;或是将数据传真给生产厂家,由生产厂家通过计算机程序模拟计算后,提供叶片排序方案。若不具备上述条件,则需要采取简易的人工排序方法。人工排序方法既可用作确定平衡机上的初步试验方案,又可确定叶片的实际排序方案。
2.2方法假设燃机涡轮盘是平衡的,叶片配平方法主要有2种:简单排序法(如逆序插值法[1])和优化排序法[2]。两种配平方法均采用尽量使所有叶片的总不平衡质量矩最小的原则。实际上,涡轮盘的不平衡量一定存在,因此,为了确保结果的准确性,Taurus70现场维修更换涡轮转子叶片时,考虑了涡轮盘的不平衡量。Taurus70燃机第1级涡轮转子叶片共有52片,由于每片叶片的过热烧蚀情况大致相同,基本不会影响整个转子的动平衡。因此,按照旧叶片的质量分布对新叶片进行排序配平:①分解前,用标记笔在旧叶片的叶形表面上顺时针标记序号1~52,同时,在涡轮盘相对应的榫槽位置上标记序号1~52;②拆除所有旧叶片并称重,将叶片质量按顺序输入计算机排序软件,得到不平衡质量矩的大小和方向;③对新叶片称重,按照质量从轻到重依次标记序号1~52,将质量数值输入计算机叶片排序软件中进行运算,使不平衡质量矩的大小与旧叶片近似相等;④安装叶片时,调整涡轮盘与新叶片的角度,使新叶片不平衡量的`角度方向与旧叶片方向基本一致(最多相差半个相邻叶片角间距),确保叶片更换前后整个叶轮的平衡。该排序方法没有叶片数量的限制,且考虑了涡轮盘的不平衡量,但不适合旧叶片质量损失较大或者变形较严重的情况。
3轴对中技术
旋转机械故障大多与对中不良有关,若设备对不良,运动中会发生振动、联轴器损坏、轴承磨损、油膜失稳、轴挠曲变形等故障。对于高速运转的燃气轮机,对中尤其重要。
3.1基本原理与数学模型轴对中目的是使燃气轮机轴与压缩机轴在同一条直线或近乎在同一条直线上。在现场维修过程中,压缩机轴已经固定,只需要调整燃气轮机两个支点的位置来实现燃气轮机轴与压缩机轴同轴。在安装过程中,经常遇到的不对中偏差主要有2类:平行偏差和角度偏差。平行偏差是指相互连接的两轴在互相平行时发生错位;角度偏差是指两轴的轴线不平行,相交成一定角度。以压缩机输入轴为基准,利用千分表测量燃机输出轴上、下、左、右4个位置的端面跳动量(A1、B1、C1、D1)和径面跳动量(A2、B2、C2、D2)(图2)。理论上,A1+C1=B1+D1,A2+C2=B2+D2,这也是复核测量数据准确与否的依据。测量时,假设A点为基准点,则A1与A2均为0,记录其他各点跳动量。对中时,压缩机轴水平,燃机轴中心线与压缩机轴中心线之间的夹角可以分解为燃机轴与水平面之间的夹角和燃机轴与压缩机轴所在竖直平面的夹角(图3),然后利用端面跳动的4个数值进行计算。在竖直平面内,两轴之间的几何位置关系(图4)为:式中:Y1为燃机左右支撑点的高度差,mm;Y2为燃机左支撑点与压缩机轴的高度差,mm;L为燃机左右支撑点沿燃机轴向的距离,mm;D为测量端面圆跳动时千分表测针的直径,mm。如果不考虑垫板弹性变形,燃机右端应提高的高度为Y=Y1+Y2,燃机O端应提高的高度为Y2。水平平面内角度的调节原理与上述竖直平面相似。在水平平面内,压缩机轴与燃机轴的几何位置关系(图5)为:式中:X1为燃机左右支撑点相对压缩机轴所在竖直平面的距离,mm;X2为燃机左支撑点与压缩机所在竖直平面的距离,mm。为了使燃机轴移动至压缩机轴所在竖直平面内,燃机的右支撑点应该首先水平移动X1距离,然后燃机在水平方向上整体向压缩机轴所在竖直平面平移X2距离。
3.2冷态对中补偿燃机机组对中通常是在冷态条件下进行,而绝大多数设备运行时均存在一定程度的热膨胀。只有明确机组的热膨胀量,才能确定热对中数据以及冷态对中的补偿量[3-4]。Taurus70燃机冷态对中补偿量通常由OEM厂商提供。定义Y>0为冷态对中补偿量,则A2+Y=C2-Y,即C2-A2=2Y,这就是Taurus70燃机冷态对中补偿时调整高度方向的依据。
3.3轴对中方法与步骤
3.3.1方法轴对中方法较多,比较常用的有三表对中法、双表对中法和单表对中法,此外,还可以利用角尺、塞尺以
及激光对中仪进行对中,所有的对中方法本质上是相似的。安装燃气轮机时,双表对中法较适用,该方法采用2个千分表(图6),其中一个用于测量轴向偏差,主要测量燃气轮机轴是否与压缩机轴平行;另一个用于测量径向偏差,主要测量两轴平行时燃气轮机与压缩机轴的同心度。如果两轴在轴向上存在窜动量,则需要采用三表法利用千分表测量轴向偏差并消除窜动量。
3.3.2步骤燃机对中时,高度的调节通过加减支架与基座之间的金属垫片实现;水平方向的调节,通过旋拧水平方向的顶丝实现。对中时,首先调节高度方向,使燃机轴线与压缩机轴线在同一水平面内,然后校正两轴在水平方向的夹角直至平行,最后整体水平移动燃机,使燃机轴与压缩机轴在同一竖直面内,同时,还要确保两轴轴向间距在一定范围内。轴对中的具体操作步骤:①测量燃气轮机输出轴端面跳动B1和D1两点的偏差值,判断燃机轴偏离压缩机轴的方向。②以B1和D1为基准点,调整P端水平顶丝,旋转表架所在压缩机轴,监控千分表B1和D1两点数值的变化,直至︱B1-D1︱在规定范围内停止调整。③测量燃机涡轮输出轴径面跳动B2和D2两点的偏差值,根据结果判断平移燃机的方向。④利用O、P两端的水平顶丝同步推动燃机,同时旋转表架所在的压缩机轴,监控千分表B2和D2两点数值的变化,直到︱B2-D2︱在规定范围内,停止调整。为了保证燃机两端移动距离相等,可事先在两端架设两块量表并调零,移动时只需保证两表显示的移动距离一致即可。⑤拧紧燃机地脚螺栓至规定力矩;测量燃机输出轴端面跳动A1和C1两点的偏差值,利用三角形相似原理,计算燃机P端所需增减的垫片厚度值;松开地脚螺栓,增减垫片。⑥再次拧紧地脚螺栓至规定力矩;利用千分表测量径面跳动的A2和C2两点的偏差值,通过在O点和P点增减垫片来判断A2和C2的差值;松开地脚螺栓,增减垫片。此时,对中的粗调工作已全部完成,接下来按照上述步骤进行对中的微调。微调时,首先测量并调整垫片厚度,使燃机轴与压缩机轴在同一水平面内,然后进行水平摆动的调整,需要反复调整直至端面跳动量和径面跳动量均在允许范围内。
3.4轴对中调整注意事项(1)Taurus70燃机与ManTurbo压缩机通过联轴器连接,联轴器的两个轴端均采用了挠性轴设计(考虑热膨胀问题)。安装千分表座时应首先拧紧压缩机联轴器的顶丝,拧紧后弹簧钢板不再起作用,挠性轴变为刚性轴。利用千分表测量端面跳动和径面跳动时,应测量联轴器安装座的止口处,且测量面应擦拭干净并涂上润滑油。(2)燃机两个支撑点一共有4组垫片,每次增减垫片时,应保持左、右地脚增减垫片的厚度相同,使左持水平。(3)注意垂度的影响。千分表的测量端头由于受到重力以及千分表架刚度的影响,在测量标准圆的3:00、6:00、9:00和12:00位置时均存在读数误差,此误差称为垂度[5]。通常采用专用的工具来确定千分表架垂度的大小,只有在表架刚度足够好时才可以忽略垂度。综上所述,Taurus70燃气轮机对中采用了双表对中法,取得了较好的效果,燃机一次性启机成功,且振动指标等均满足要求。随着输气管道用燃气轮机的不断增加,燃气轮机的场站现场维修工作日益频繁,只有不断总结实践经验,才能使燃气轮机现场维修技术得到快速完善和发展。
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