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

LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)是GE公司于20世紀(jì)60年代以TF39渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)研制的一款航改型燃?xì)廨啓C(jī)[1-3]，見(jiàn)圖1。由于LM2500燃?xì)廨啓C(jī)性能優(yōu)秀，因此常作為先進(jìn)艦艇的動(dòng)力裝置。從20世紀(jì)70年代初到現(xiàn)在，LM2500系列燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)銷(xiāo)售了2 400臺(tái)(包括工業(yè)和艦船)，占世界艦船燃?xì)廨啓C(jī)絕大部分份額。

我國(guó)采購(gòu)的100多臺(tái)該系列燃?xì)廨啓C(jī)，主要應(yīng)用在西氣東輸管線上，作為輸送天然氣的動(dòng)力裝置。為了確保國(guó)家能源通道安全，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司于2010年獨(dú)資組建了管道壓縮機(jī)組維檢修中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓縮機(jī)中心)，主要經(jīng)營(yíng)燃?xì)廨啓C(jī)的維護(hù)、修理、大修業(yè)務(wù)[4]。到2017年年初，壓縮機(jī)中心共完成了20多臺(tái)LM2500+SAC燃?xì)獍l(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(wèn)題的提出

GE LM2500+SAC高壓渦輪轉(zhuǎn)子(HPTR)組件是燃?xì)獍l(fā)生器的一個(gè)關(guān)鍵組件，該組件在一臺(tái)氣動(dòng)平臺(tái)設(shè)備上組裝，裝配方式為過(guò)盈配合，即加熱兩個(gè)渦輪盤(pán)、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(jiàn)表1。如果按照原手冊(cè)工藝裝配，在裝配完二級(jí)盤(pán)后進(jìn)行測(cè)量時(shí)，常常會(huì)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(shí)返工20多次才碰巧合格。這樣的裝配不僅浪費(fèi)人力和物力，而且對(duì)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?xì)獍l(fā)生器的高壓渦輪轉(zhuǎn)子由37類(lèi)零件組成，如圖2所示，主要由前軸2、后軸25、一級(jí)盤(pán)29、二級(jí)盤(pán)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(jī)轉(zhuǎn)子后軸相連接，位于燃燒室和一級(jí)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(duì)渦輪轉(zhuǎn)子做功來(lái)帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，余熱部分從渦輪后噴射而出，推動(dòng)后面的動(dòng)力渦輪做功，從而建立了燃?xì)獍l(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(diǎn)是高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)。

經(jīng)過(guò)對(duì)所裝零件的結(jié)構(gòu)形狀、工作環(huán)境和裝配關(guān)系進(jìn)行分析,見(jiàn)圖3(圖3中序號(hào)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(lái)的初溫達(dá)1 400 ℃，渦輪轉(zhuǎn)子的運(yùn)行環(huán)境溫度高達(dá)1 100～1 300 ℃、轉(zhuǎn)速高達(dá)9 800 r/min，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行可能會(huì)使某些部件變形。經(jīng)分析，隔熱罩連接在兩個(gè)渦輪盤(pán)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(jí)渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)較厚，變形的概率很小。

2) 零件公差疊加。每個(gè)零件本身會(huì)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(dòng)平臺(tái)穩(wěn)定性。裝配操作在一個(gè)氣動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行，平臺(tái)的初始值直接影響裝配精度。氣壓太大，會(huì)對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致不同時(shí)間測(cè)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(dòng)平臺(tái)可能無(wú)法承受整個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子的重量，導(dǎo)致氣動(dòng)平臺(tái)損壞；如果氣體的干燥度和潔凈度不能滿足要求，氣動(dòng)平臺(tái)小孔可能局部堵塞(見(jiàn)圖4)，導(dǎo)致氣動(dòng)平臺(tái)氣浮的壓力不穩(wěn)定或不均勻，直接影響測(cè)量精度。

4) 裝配誤差疊加。在多次裝配過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)前幾個(gè)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(huì)導(dǎo)致最后的裝配精度達(dá)不到要求。

5) 磅緊方法。裝配方式采用過(guò)盈配合，加熱外部件，冷卻內(nèi)部件，裝配后需要對(duì)連接螺栓和螺帽進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)力矩磅緊，會(huì)影響零件的同心度和平面度。

3 問(wèn)題的解決

裝配前利用三坐標(biāo)測(cè)量上述高壓渦輪轉(zhuǎn)子的六個(gè)零件的尺寸，找到每一個(gè)零件的平面度和同心度的高低點(diǎn)，做出標(biāo)記，以便對(duì)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(duì)裝配精度的影響。對(duì)于易變形的隔熱罩，必須在約束狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。在裝配過(guò)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(shí)間較長(zhǎng)，每次安裝前要用酒精對(duì)接觸面進(jìn)行清潔，必要時(shí)需用油石對(duì)接觸面高點(diǎn)進(jìn)行打磨。打磨時(shí)要盡可能用油石大面積與安裝面接觸，保證不會(huì)出現(xiàn)小的凸起或凹坑影響測(cè)量結(jié)果。

改進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。在使用原測(cè)量?jī)x表架(圖5)時(shí)，儀表指針不能回零，經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)測(cè)量?jī)x表架的支座和支撐桿之間有下垂量，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。重新設(shè)計(jì)固定方式，在支撐桿上安裝一塊較重鐵塊(約5 kg)(圖6)，將測(cè)量?jī)x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(dòng)平臺(tái)自身偏差對(duì)轉(zhuǎn)子跳動(dòng)測(cè)量的影響，采用4點(diǎn)測(cè)量法。轉(zhuǎn)動(dòng)高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件與平臺(tái)成0°、90°、180°、270°，并分別測(cè)量4個(gè)點(diǎn)的跳動(dòng)值，然后將4組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件分析后調(diào)整位置，確認(rèn)哪個(gè)位置在合理的范圍內(nèi)裝配誤差最小。4點(diǎn)測(cè)量法的運(yùn)用貫穿整個(gè)高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件的上述六個(gè)主要零件裝配的每個(gè)步驟，對(duì)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?qǐng)D7。

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

本著遵循手冊(cè)要求的原則，提高裝配要求，將前幾級(jí)裝配精度要求提高到手冊(cè)要求范圍的一半，甚至更小。見(jiàn)表2。

在二級(jí)盤(pán)裝配時(shí)，改變常規(guī)磅緊對(duì)角螺栓的順序，根據(jù)實(shí)際測(cè)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(gè)盤(pán)中間的連接件隔熱罩回歸為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，以達(dá)到渦輪轉(zhuǎn)子整體裝配精度要求。見(jiàn)圖11。

表2 裝配精度的要求變更值 mm

a) 渦輪前軸0°時(shí)的同心度

b) 渦輪前軸90°時(shí)的同心度

c) 渦輪前軸180°時(shí)同心度

d) 渦輪前軸270°時(shí)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(diǎn)無(wú)法通過(guò)理論或者手冊(cè)給出，只能通過(guò)不斷實(shí)踐摸索驗(yàn)證，才能總結(jié)出行之有效的裝配方法和技巧。以上解決問(wèn)題的要點(diǎn)在后續(xù)的幾臺(tái)LM2500+SAC燃?xì)獍l(fā)生器修理上得以驗(yàn)證，有效地提高了高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配的成功率。