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分析叶片轴技术在燃机维护中的运用

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