毛楊軍

(華電通用輕型燃機(jī)設(shè)備有限公司，上海 201108)

0 引言

LM航改型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組(以下簡稱LM機(jī)組)因?qū)⒑礁男腿細(xì)廨啓C(jī)(以下簡稱燃機(jī))動力透平軸輸出的動力用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電而得名。LM機(jī)組屬大型設(shè)備,需分部件運(yùn)輸至客戶現(xiàn)場再重新安裝。

LM機(jī)組屬高速、大功率轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，對兩軸的對中精度、傳動精度及傳動效率都有著極高的要求，其中軸向、徑向的對中精度在0.1 mm級，角向?qū)χ芯仍?.01 mm級，殘余不平衡量小于0.78 g/mm，傳動精度和效率要求達(dá)99%以上[1]。從保證LM機(jī)組效率和使用壽命的角度出發(fā)，聯(lián)軸器的選型至關(guān)重要。

1 聯(lián)軸器的偏移

LM機(jī)組的左側(cè)為發(fā)電機(jī)，右側(cè)為燃機(jī)，中間通過聯(lián)軸器將燃機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸連接起來，并采用激光對中儀測量對中精度，如圖1所示。LM機(jī)組采用冷態(tài)對中，可達(dá)到較高的對中精度。但機(jī)組高速運(yùn)行會產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致機(jī)組熱膨脹與熱變形，而且機(jī)組長時間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)與振動會造成地基不均勻沉降，原始的對中狀態(tài)會發(fā)生改變，燃機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸張角偏移、平行偏移和聯(lián)合偏移等3種不對中狀態(tài)[1]，如圖2所示。為保證機(jī)組的正常運(yùn)行，要求所選聯(lián)軸器在徑向、軸向、角向具有較強(qiáng)的不對中補(bǔ)償能力。

圖1 LM航改型燃機(jī)對中示意Fig.1 Schematic of alignment of LM aero-derivative gas turbine generator

圖2 燃機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸的對中狀態(tài)Fig.2 Alignment of gas engine shaft and generator shaft

2 彈性聯(lián)軸器的種類與性能

彈性聯(lián)軸器可依靠彈性元件的彈性變形來補(bǔ)償兩軸線的相對位移，還可以緩沖減振[2]，因此廣泛地應(yīng)用于持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)流程動力設(shè)備中。然而彈性聯(lián)軸器種類繁多，常見的有波紋管聯(lián)軸器、梅花聯(lián)軸器、鏈條聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器和膜片/膜盤聯(lián)軸器等[3]。在LM機(jī)組聯(lián)軸器選型之初需深入了解各種聯(lián)軸器的性能特點(diǎn)和適用場合。

2.1 波紋管聯(lián)軸器

波紋管聯(lián)軸器用外形呈波紋狀的薄壁管直接將兩半聯(lián)軸器焊接或粘接起來以傳遞運(yùn)動，由2個轂和1個薄壁金屬管組成，雖具有較強(qiáng)的三向補(bǔ)償能力，但是中間的整體式薄壁金屬管難以加工、做大和維修，因此僅適用于結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度較高的小功率精密機(jī)械和控制機(jī)構(gòu)。

2.2 梅花聯(lián)軸器

梅花聯(lián)軸器是由2個金屬爪盤和1個非金屬彈性體組成，雖具有很好的平衡性能且適用于高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。但它易老化、使用壽命短、軸向偏差補(bǔ)償能力不足，只適用于角向和徑向補(bǔ)償?shù)膱龊稀?/p>

2.3 齒式聯(lián)軸器

齒式聯(lián)軸器是由齒數(shù)相同的內(nèi)齒圈和帶外齒的凸緣半聯(lián)軸器等零件組成(外齒可分為直齒和鼓形齒兩種)。工作時，齒面可做軸向的相對滑移和角向移動，具有較強(qiáng)的不對中補(bǔ)償能力。但是齒式聯(lián)軸器的接觸磨損和功率消耗也較大，不僅降低傳動效率、需要良好的潤滑和密封，而且在受載后摩擦和兩軸的不對中會對軸及推力軸承產(chǎn)生很大的附加軸向力和彎矩，大大削弱LM機(jī)組的使用壽命。

2.4 膜盤聯(lián)軸器

膜盤聯(lián)軸器在國內(nèi)通常被稱作膜片聯(lián)軸器，由數(shù)片不銹鋼薄膜片交錯疊加成膜盤并用螺栓與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接。這顛覆了傳統(tǒng)撓性聯(lián)軸器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在一個薄金屬片上實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高剛度與高彈性的矛盾統(tǒng)一，能夠最大限度地補(bǔ)償軸間的徑向位移、軸向位移和角位移。膜盤聯(lián)軸器無須潤滑，采用全金屬結(jié)構(gòu)，具有傳遞扭矩大、使用壽命長、補(bǔ)償不對中能力強(qiáng)、安裝找正方便、軸向和角向剛度低、軸向反力極小、動平衡精度高、抗腐蝕性能好、對設(shè)備影響小等特點(diǎn)[2]，可有效降低軸端的彎曲荷載，因此成為中/高速大功率傳動工業(yè)應(yīng)用的首選，廣泛應(yīng)用于燃機(jī)、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)等。

3 膜盤聯(lián)軸器的選型

由上述可知，膜盤聯(lián)軸器是LM機(jī)組較為合適的選擇。其根據(jù)膜片形式，可分為連桿式和不同形狀的整片式；根據(jù)膜盤的數(shù)量,可分為單膜盤和雙膜盤；根據(jù)安裝形式,可分為鍵槽式、脹套式、錐套式、內(nèi)嵌法蘭式、外伸法蘭式及組合式等[4]。因此在聯(lián)軸器選型時，除了考慮聯(lián)軸器的通用要素(如傳遞功率、轉(zhuǎn)速、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)力矩、瞬時最大力矩、對中性能、裝拆及使用環(huán)境等因素)，更需考慮LM機(jī)組的特殊需求。

以順德項目中LM6000型燃機(jī)的聯(lián)軸器選型及應(yīng)用為例，分析聯(lián)軸器選型的要素。

3.1 連接方式與傳遞力矩、功率

由于LM機(jī)組須在短時間內(nèi)達(dá)到較高轉(zhuǎn)速，其核心軸通常設(shè)計成空心的，燃機(jī)的輸出軸為薄壁法蘭型，故與之連接的聯(lián)軸器亦為法蘭外伸式。另外該聯(lián)軸器所連接的兩端均為動力設(shè)備，因此在傳遞力矩上除考慮輸入端燃機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)力矩和瞬時力矩外，同時需考慮發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)輸出力矩和瞬時力矩，這是由于發(fā)電機(jī)軸比燃機(jī)軸重很多，其瞬時力矩往往也會比燃機(jī)端大。傳遞功率取決于發(fā)電機(jī)的輸出功率。

3.2 機(jī)組熱膨脹

考慮機(jī)組熱膨脹是LM機(jī)組聯(lián)軸器選型和常用聯(lián)軸器選型的最大區(qū)別。燃機(jī)的燃燒室在高溫燃燒后會產(chǎn)生大量的熱，并最終傳遞給動力透平軸，即膜盤聯(lián)軸器的輸入端。據(jù)資料顯示，LM燃機(jī)從冷態(tài)啟動到熱態(tài)運(yùn)行，動力透平軸會發(fā)生約4 mm的軸向位移，并將該位移直接傳遞給膜盤聯(lián)軸器。若LM機(jī)組在聯(lián)軸器選型時不考慮熱膨脹，并采用冷態(tài)對中安裝方式，可能會導(dǎo)致運(yùn)行時軸向變形超出聯(lián)軸器的軸向補(bǔ)償能力，此時連續(xù)運(yùn)行不僅會損害聯(lián)軸器，甚至對燃機(jī)軸系造成嚴(yán)重影響。因此，在LM機(jī)組膜盤聯(lián)軸器選型時，需要充分考慮聯(lián)軸器的軸向補(bǔ)償能力是否能滿足補(bǔ)償熱膨脹的影響。

3.3 軸系受力

軸系受力主要受聯(lián)軸器重量和熱膨脹位移兩方面的影響。聯(lián)軸器重量以剪力和沿聯(lián)軸器長度方向的彎矩兩種形式直接作用在薄壁法蘭軸上，這對燃機(jī)空心軸本身就是個巨大的考驗；更重要的是冷態(tài)預(yù)拉伸產(chǎn)生的軸向力直接作用在推力軸承上。若選用單膜盤聯(lián)軸器，為達(dá)到能補(bǔ)償熱膨脹的軸向補(bǔ)償力，其軸向剛度往往也較大，因此預(yù)拉伸聯(lián)軸器膜盤產(chǎn)生的軸向力也較大，甚至超過燃機(jī)動力透平軸或推力軸承的許用推力值，嚴(yán)重影響燃機(jī)的運(yùn)行安全和推力軸承的使用壽命。而若采用雙膜盤聯(lián)軸器，在滿足相同軸向補(bǔ)償能力的情況下，軸向剛度通常僅為單膜盤聯(lián)軸器的1/4，較大程度地減小預(yù)拉伸安裝對燃機(jī)軸系的受力影響。因此，LM機(jī)組選用雙膜盤聯(lián)軸器。

3.4 與軸系的動態(tài)匹配

在選型時要充分考慮膜盤聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動慣量不會使軸系產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)共振，要求膜盤聯(lián)軸器接入機(jī)組中，由動力透平軸系、膜盤聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)軸系組成的新轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速高于工作轉(zhuǎn)速，保持轉(zhuǎn)子軸系仍為剛性轉(zhuǎn)子。通過進(jìn)一步分析懸掛彎矩(由聯(lián)軸器自重產(chǎn)生的對動力透平軸的彎矩)和附加彎矩(由于聯(lián)軸器傳扭和不對中引起的對轉(zhuǎn)子軸承的彎矩)，確定合適的橫向振動特性，使上述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的橫向自振頻率避免轉(zhuǎn)子工頻[2]。

3.5 動平衡

對于上述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)而言，若聯(lián)軸器在制作時質(zhì)量分布不均勻，那么產(chǎn)生不平衡離心力不僅會在轉(zhuǎn)子軸承上引起振動、產(chǎn)生噪聲并加速軸承磨損，還會嚴(yán)重影響燃機(jī)軸承的使用壽命，產(chǎn)生高昂的維修費(fèi)用。另外離心力會以剪力的形式作用于燃機(jī)動力透平空心軸上，與聯(lián)軸器的重力作用效果疊加，可能會超出動力透平軸的許用剪力，造成軸系強(qiáng)度失效或疲勞失效。因此膜盤聯(lián)軸器的動平衡品質(zhì)也是選型時重要考慮的因素，據(jù)相關(guān)規(guī)定對LM機(jī)組膜盤聯(lián)軸器整體、端軸、中間軸應(yīng)分別進(jìn)行動平衡試驗，并要求所有殘余不平衡量均小于0.78 g/mm。

在膜盤聯(lián)軸器選型過程中著重考慮了傳遞力矩、機(jī)組熱膨脹、軸系受力、軸系動態(tài)匹配和動平衡品質(zhì)等特殊需求之后，LM6000機(jī)組最終選用美國美銳公司的HP/R型膜盤聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 HP/R型膜盤聯(lián)軸器Fig.3 Composition of the HP/R type diaphragm coupling

表1 HP/R型膜盤聯(lián)軸器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of HP/R type diaphragm coupling

如圖3所示，兩個端軸各配備金屬膜盤4和5用于補(bǔ)償不對中偏差，并分別通過安裝螺栓與動力透平軸和發(fā)電機(jī)軸法蘭相連。運(yùn)輸螺釘6和7在運(yùn)輸過程中防止運(yùn)輸顛簸對膜盤造成的影響，在對中安裝時拆除。

目前，在莘莊、金湖和順德等諸多國內(nèi)LM項目的實(shí)際運(yùn)行中，已經(jīng)驗證了膜盤聯(lián)軸器在LM機(jī)組上運(yùn)行的可靠性。

4 膜盤聯(lián)軸器的預(yù)拉伸安裝

預(yù)拉伸安裝是LM機(jī)組安裝中的第一步，也是至關(guān)重要的一步。LM機(jī)組是采用冷態(tài)對中的安裝方式。為減小機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的熱膨脹對設(shè)備的影響，采用預(yù)拉伸安裝的補(bǔ)償方法，即沿機(jī)組熱膨脹的反方向預(yù)先將膜盤聯(lián)軸器拉伸與熱膨脹量一致的量，這樣在LM機(jī)組運(yùn)行過程中膜盤聯(lián)軸器會恢復(fù)到中性狀態(tài)，使聯(lián)軸器、燃機(jī)動力透平推力軸承和發(fā)電機(jī)推力軸承均不受軸向力，大大延長其使用壽命。

4.1 預(yù)拉伸正確的安裝步驟

(1)在安裝前先測量發(fā)電機(jī)軸端法蘭和燃機(jī)動力透平法蘭之間的距離(DBSE)，將燃機(jī)罩殼在軸向上大致定位，使DBSE等于聯(lián)軸器自然長度加預(yù)拉伸量。

(2)將聯(lián)軸器兩端法蘭分別與燃機(jī)動力透平軸法蘭和發(fā)電機(jī)軸法蘭連接，此時需斷開聯(lián)軸器位于發(fā)電機(jī)側(cè)的中間軸和端軸法蘭，再擰緊所有連接螺栓。

(3)用卡尺測量3，6，9，12點(diǎn)鐘的rA(與發(fā)電機(jī)連接的端軸和聯(lián)軸器中間軸2個法蘭面之間的距離，如圖3所示)，并取平均值記為rA1。

(4)在支撐聯(lián)軸器中間軸和端軸在相同的高度上，拆下位置A處法蘭的連接螺栓并分開法蘭，斷開聯(lián)軸器之后再用卡尺測此時4個時鐘位置的值并取平均值記為rA2；保證rA1，rA2在預(yù)拉伸規(guī)定范圍內(nèi)即可完成安裝。

4.2 預(yù)拉伸安裝過程中的問題

膜盤聯(lián)軸器的預(yù)拉伸安裝步驟雖簡潔，但操作者往往忽略過程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)，以至于對燃機(jī)造成極其嚴(yán)重的影響。

(1)在安裝過程中發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸值偏小，會采用減少膜片數(shù)量的方法來調(diào)整預(yù)拉伸量達(dá)到目標(biāo)值。這樣會直接削弱不對中補(bǔ)償能力、增加軸向剛度。在同等預(yù)拉伸量的情況下膜盤產(chǎn)生的恢復(fù)力增加，該力以拉力的形式分別反作用于燃機(jī)軸系和發(fā)電機(jī)軸系，因更加接近或超過軸系推力軸承許用的軸向載荷而影響到軸承的使用壽命。而且，減少膜片數(shù)量會改變使原始參數(shù)，使性能有所下降，致使原有的動平衡性能、軸系動態(tài)匹配特性被破壞。另外，膜盤組件的擰緊力矩需由廠家聯(lián)系提供，過緊或過松都會直接影響到聯(lián)軸器的使用性能和使用壽命。

(2)該膜盤聯(lián)軸器在燃機(jī)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)各配備了3個運(yùn)輸螺釘。然而操作者在預(yù)拉伸安裝時往往容易忘記拆除，至此直接影響燃機(jī)透平軸系的受力情況，嚴(yán)重的會引起LM機(jī)組振動異常。

4.3 安裝問題案例

本文以順德某項目中LM6000型燃機(jī)的安裝為例，分析運(yùn)輸螺釘使用不當(dāng)造成的不良后果。

當(dāng)燃機(jī)兩側(cè)運(yùn)輸螺釘未被全部拆除時，膜盤聯(lián)軸器處于非正常工作狀態(tài)，膜盤聯(lián)軸器單側(cè)或雙側(cè)的膜盤會被完全約束而不允許彈性變形，此時若開始預(yù)拉伸安裝，為達(dá)到規(guī)定的預(yù)拉伸值，需不斷增加在膜盤聯(lián)軸器上靠近發(fā)電機(jī)的端軸法蘭所施加的外力，會造成2種情況：(1)靠近燃機(jī)側(cè)運(yùn)輸螺釘已拆除，靠近發(fā)電機(jī)側(cè)運(yùn)輸螺釘未拆除，隨著施加的外力增加，燃機(jī)側(cè)膜盤開始變形、未拆除的運(yùn)輸螺釘受力，若運(yùn)輸螺釘允許的螺牙破壞力較大(具體情況取決于螺紋參數(shù))，則最終由燃機(jī)側(cè)膜盤被拉伸至預(yù)拉伸值，若運(yùn)輸螺釘允許的螺牙破壞力較小，則在拉伸的過程中運(yùn)輸螺釘因螺牙損壞而失效，靠近發(fā)電機(jī)側(cè)膜盤恢復(fù)彈性變形能力，最終由兩側(cè)膜盤共同承擔(dān)預(yù)拉伸值；(2)燃機(jī)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)的運(yùn)輸螺釘均未被拆除，為實(shí)現(xiàn)最終的預(yù)拉伸安裝目的，所施加的外力必須先把兩側(cè)的運(yùn)輸螺釘?shù)穆菅榔茐氖蛊涫В缓笫鼓けP聯(lián)軸器恢復(fù)彈性變形的能力，最終由兩側(cè)膜盤共同承擔(dān)預(yù)拉伸值。為保證螺牙不損壞，應(yīng)同時滿足下列3個條件，

(1)

(2)

(3)

式中：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為螺牙彎曲、擠壓和剪切破壞時的受力；d為螺紋的公稱直徑；z為受力螺牙數(shù)；h為螺紋展開后的高度；b為螺紋展開后的寬度[4]；[σb]為螺紋材料的許用彎曲應(yīng)力；[σp]為螺紋材料的許用擠壓應(yīng)力；[τ]為螺紋材料的許用剪切應(yīng)力。

要使螺牙損壞，單個運(yùn)輸螺釘受到的初始破壞力F0=Min{F1max，F(xiàn)2max，F(xiàn)3max}，由于單側(cè)膜盤沿軸系中心線均布3個運(yùn)輸螺釘，可得到螺栓組螺牙損壞的初始總破壞力Ft=3F0。當(dāng)膜盤聯(lián)軸器受到的軸向力大于Ft時，運(yùn)輸螺釘失效，兩側(cè)膜盤恢復(fù)彈性并漸漸被拉伸至預(yù)拉伸值，恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。根據(jù)胡克定律，單側(cè)膜盤變形完成安裝時，膜盤聯(lián)軸器上受到的軸向力

Fz1=K1ΔL或K2ΔL，

(4)

同理，兩側(cè)膜盤變形完成安裝時，膜盤聯(lián)軸器受到的軸向力

(5)

式中：K1，K2分別為兩側(cè)膜盤的軸向剛度；ΔL為規(guī)定的聯(lián)軸器預(yù)拉伸值。

比較式(4)和式(5)，發(fā)現(xiàn)Fz1肯定大于Fz2，因此，在不正當(dāng)操作的預(yù)拉伸安裝過程中，膜盤聯(lián)軸器受到的最大軸向力為Ft或Fz1，該值顯然已經(jīng)超過正常安裝時膜盤聯(lián)軸器受到的最大軸向力Fz2，甚至可能超過燃機(jī)動力透平軸或推力軸承的許用推力，嚴(yán)重影響燃機(jī)的使用壽命，可能造成重大損失。

而在順德項目LM6000型燃機(jī)安裝過程中，僅拆除了靠近燃機(jī)側(cè)的運(yùn)輸螺釘而未拆除靠近發(fā)電機(jī)側(cè)的螺釘，強(qiáng)制拉伸聯(lián)軸器使其遭到破壞：燃機(jī)側(cè)膜盤承受一定變形并產(chǎn)生軸向力，同時發(fā)電機(jī)側(cè)運(yùn)輸螺釘受同等大小的力，由于Ft=3F0，燃機(jī)側(cè)膜盤變形直至預(yù)拉伸值時，產(chǎn)生的軸向力約為Fz2的2倍，超過了燃機(jī)推力軸承的許用推力。后期經(jīng)過反復(fù)的技術(shù)溝通，采用了聯(lián)軸器返廠檢修并更換燃機(jī)推力軸承的維修方案，造成了嚴(yán)重的影響和重大的經(jīng)濟(jì)損失。

在燃機(jī)膜盤聯(lián)軸器采用預(yù)拉伸安裝時，必須嚴(yán)格參照安裝步驟，注意勿改變膜片數(shù)量且務(wù)必拆除運(yùn)輸螺釘，防止誤操作引起的軸向力超過燃機(jī)軸系的許用載荷，造成不可估量的后果。

5 結(jié)論

(1)LM機(jī)組采用冷態(tài)對中安裝方式，但是隨著機(jī)組連續(xù)運(yùn)行和地基不均勻沉降，軸系勢必發(fā)生張角偏移、平行偏移或聯(lián)合偏移的不對中狀況，因此要求所選用的聯(lián)軸器在保證對中精度的情況下具有較強(qiáng)的不對中補(bǔ)償能力。

(2)經(jīng)過比較分析，并結(jié)合LM機(jī)組傳遞力矩/功率、機(jī)組熱膨脹、軸系受力、軸系動態(tài)匹配及動平衡品質(zhì)等特殊需求，選取HP/R型雙膜盤聯(lián)軸器應(yīng)于用LM航改型燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。

(3)膜盤聯(lián)軸器采用預(yù)拉伸安裝方法，安裝時必須嚴(yán)格參照安裝步驟。保證燃機(jī)運(yùn)行時軸系處于中性狀態(tài)，且注意變膜片數(shù)量和運(yùn)輸螺釘?shù)牟鸪闆r，防止誤操作引起的軸向力超過燃機(jī)軸系的許用載荷，造成不可估量的后果。