LM2500+SAC高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配技術(shù)

劉培軍，拜 禾，李輝全

(1. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所 ，北京 100190； 2. 中國石油管道壓縮機組維檢修中心 ，河北 廊坊 065000； 3. 青島中科國晟動力科技有限公司，山東 青島 266400)

LM2500系列燃氣輪機是GE公司于20世紀60年代以TF39渦輪風(fēng)扇發(fā)動機為基礎(chǔ)研制的一款航改型燃氣輪機[1-3]，見圖1。由于LM2500燃氣輪機性能優(yōu)秀，因此常作為先進艦艇的動力裝置。從20世紀70年代初到現(xiàn)在，LM2500系列燃氣輪機已經(jīng)銷售了2 400臺(包括工業(yè)和艦船)，占世界艦船燃氣輪機絕大部分份額。

我國采購的100多臺該系列燃氣輪機，主要應(yīng)用在西氣東輸管線上，作為輸送天然氣的動力裝置。為了確保國家能源通道安全，中國石油天然氣集團公司于2010年獨資組建了管道壓縮機組維檢修中心(以下簡稱壓縮機中心)，主要經(jīng)營燃氣輪機的維護、修理、大修業(yè)務(wù)[4]。到2017年年初，壓縮機中心共完成了20多臺LM2500+SAC燃氣發(fā)生器的返廠技術(shù)授權(quán)修理，完全掌握了核心組件高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配的關(guān)鍵技術(shù)。

1 問題的提出

GE LM2500+SAC高壓渦輪轉(zhuǎn)子(HPTR)組件是燃氣發(fā)生器的一個關(guān)鍵組件，該組件在一臺氣動平臺設(shè)備上組裝，裝配方式為過盈配合，即加熱兩個渦輪盤、冷卻隔熱罩。各零件裝配后的同心度和平面度的精度要求見表1。如果按照原手冊工藝裝配，在裝配完二級盤后進行測量時，常常會發(fā)現(xiàn)同心度和平面度精度滿足不了技術(shù)要求，必須返工裝配，有時返工20多次才碰巧合格。這樣的裝配不僅浪費人力和物力，而且對生產(chǎn)周期產(chǎn)生較大的影響,生產(chǎn)效率低下。

表1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配精度要求 mm

2 原因分析

LM2500+SAC燃氣發(fā)生器的高壓渦輪轉(zhuǎn)子由37類零件組成，如圖2所示，主要由前軸2、后軸25、一級盤29、二級盤21、隔熱罩10、隔圈13和葉片等零件組成。該轉(zhuǎn)子前軸與壓氣機轉(zhuǎn)子后軸相連接，位于燃燒室和一級渦輪導(dǎo)向器之后，利用燃燒室內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的高溫氣體對渦輪轉(zhuǎn)子做功來帶動壓氣機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)，余熱部分從渦輪后噴射而出，推動后面的動力渦輪做功，從而建立了燃氣發(fā)生器連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生高溫、高速的余熱氣體。高壓渦輪轉(zhuǎn)子的工作特點是高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)。

經(jīng)過對所裝零件的結(jié)構(gòu)形狀、工作環(huán)境和裝配關(guān)系進行分析,見圖3(圖3中序號含義和圖2相同)，發(fā)現(xiàn)影響渦輪轉(zhuǎn)子裝配精度的主要因素有：

1) 零件變形。部分零件的變形可能是導(dǎo)致裝配不合格的主要因素。燃燒室出來的初溫達1 400 ℃，渦輪轉(zhuǎn)子的運行環(huán)境溫度高達1 100～1 300 ℃、轉(zhuǎn)速高達9 800 r/min，長時間的運行可能會使某些部件變形。經(jīng)分析，隔熱罩連接在兩個渦輪盤之間，其受扭力最大，所以最容易變形，其次是前軸、后軸和隔圈，而兩級渦輪盤結(jié)構(gòu)較厚，變形的概率很小。

2) 零件公差疊加。每個零件本身會有公差，公差疊加也可能導(dǎo)致最后裝配精度不合格。

3) 氣動平臺穩(wěn)定性。裝配操作在一個氣動平臺上進行，平臺的初始值直接影響裝配精度。氣壓太大，會對平臺的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致不同時間測得的值不一樣，也影響裝配的精度；氣壓太小，裝配完成后氣動平臺可能無法承受整個渦輪轉(zhuǎn)子的重量，導(dǎo)致氣動平臺損壞；如果氣體的干燥度和潔凈度不能滿足要求，氣動平臺小孔可能局部堵塞(見圖4)，導(dǎo)致氣動平臺氣浮的壓力不穩(wěn)定或不均勻，直接影響測量精度。

4) 裝配誤差疊加。在多次裝配過程中，發(fā)現(xiàn)前幾個步驟都合格，但是到最后精度卻不合格，所以每一步誤差的疊加也會導(dǎo)致最后的裝配精度達不到要求。

5) 磅緊方法。裝配方式采用過盈配合，加熱外部件，冷卻內(nèi)部件，裝配后需要對連接螺栓和螺帽進行標準力矩的磅緊。在加熱和冷卻后，零件本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形，若此時按照標準力矩磅緊，會影響零件的同心度和平面度。

3 問題的解決

裝配前利用三坐標測量上述高壓渦輪轉(zhuǎn)子的六個零件的尺寸，找到每一個零件的平面度和同心度的高低點，做出標記，以便對關(guān)聯(lián)零件的結(jié)合面做出合理的方位配置，減少零件本身的公差對裝配精度的影響。對于易變形的隔熱罩，必須在約束狀態(tài)下進行測量。在裝配過程中，各裝配面的清潔十分重要。由于部件在安裝前露置空氣中時間較長，每次安裝前要用酒精對接觸面進行清潔，必要時需用油石對接觸面高點進行打磨。打磨時要盡可能用油石大面積與安裝面接觸，保證不會出現(xiàn)小的凸起或凹坑影響測量結(jié)果。

改進測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。在使用原測量儀表架(圖5)時，儀表指針不能回零，經(jīng)過仔細檢查，發(fā)現(xiàn)測量儀表架的支座和支撐桿之間有下垂量，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。重新設(shè)計固定方式，在支撐桿上安裝一塊較重鐵塊(約5 kg)(圖6)，將測量儀表架支座依靠磁力吸附在上面，采用的新支座使儀表的下垂量影響降低至最小。

為消除氣動平臺自身偏差對轉(zhuǎn)子跳動測量的影響，采用4點測量法。轉(zhuǎn)動高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件與平臺成0°、90°、180°、270°，并分別測量4個點的跳動值，然后將4組數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件分析后調(diào)整位置，確認哪個位置在合理的范圍內(nèi)裝配誤差最小。4點測量法的運用貫穿整個高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件的上述六個主要零件裝配的每個步驟，對提高裝配技術(shù)、保證裝配質(zhì)量發(fā)揮了很好的作用。參照圖7。

解決氣動平臺以及工裝本身問題，減少其對渦輪轉(zhuǎn)子裝配精度的影響。主要包括自主維護氣動平臺，油脂壓力要達到6.895～8.274 MPa；安裝精度更高的空氣濾芯和干燥機，確保氣質(zhì)符合要求，同時摸索出調(diào)節(jié)合適的氣壓為0.276 MPa。氣動平臺同心度和平面度不滿足要求時，要松開固定氣動平臺轉(zhuǎn)換頭的螺栓并輕敲該轉(zhuǎn)換頭，加以調(diào)整。輕敲時，應(yīng)同時用手帶緊固定螺栓，不要全部松開?？蓞⒄請D8～圖10。

本著遵循手冊要求的原則，提高裝配要求，將前幾級裝配精度要求提高到手冊要求范圍的一半，甚至更小。見表2。

在二級盤裝配時，改變常規(guī)磅緊對角螺栓的順序，根據(jù)實際測量情況尋找最佳磅緊力矩值和磅緊的順序，利用熱脹冷縮的原理將兩個盤中間的連接件隔熱罩回歸為標準尺寸，以達到渦輪轉(zhuǎn)子整體裝配精度要求。見圖11。

表2 裝配精度的要求變更值 mm

a) 渦輪前軸0°時的同心度

b) 渦輪前軸90°時的同心度

c) 渦輪前軸180°時同心度

d) 渦輪前軸270°時同心度

圖7 渦輪前軸不同角度的同心度

4 結(jié)論

高壓渦輪轉(zhuǎn)子的裝配，由于其要求精度高，很多安裝要點無法通過理論或者手冊給出，只能通過不斷實踐摸索驗證，才能總結(jié)出行之有效的裝配方法和技巧。以上解決問題的要點在后續(xù)的幾臺LM2500+SAC燃氣發(fā)生器修理上得以驗證，有效地提高了高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配的成功率。