旋轉機械轉子安裝檢修專用橋規的優化設計——以工業汽輪機為例

趙普峻,蘇興冶,侯裕舒,陳慧濤,李嘉琦,劉運來,代舒珍

(1.沈陽工業大學 化工裝備學院,遼寧 遼陽 111003;2.中國石油遼陽石化分公司 遼寧 遼陽 111003)

大型旋轉機械結構一般分為水平剖分和垂直剖分(筒型)兩類。水平剖分的設備有一水平中分面將汽缸分成上下兩半，在中分面處用螺栓連接，其核心部件--轉子是從上方吊裝放入工作位置，在檢修回裝時較為方便，被企業廣泛采用。實際生產中，水平剖分式旋轉機械安裝、檢修過程中轉子主軸與機體下氣缸徑向間隙精度要求非常高，間隙精度不達標是設備加快磨損、發生故障、導致裝置停車、影響企業效益的一個主要原因[1]。

以工業汽輪機為例，它是以蒸汽為工質，將蒸汽熱能轉變為轉子旋轉機械能的大型原動力設備，可直接驅動各種泵、風機、壓縮機等，具有單機功率大、效率高、轉速快、調速方便、使用壽命長、運行安全可靠等優點，因此，被廣泛用于石油化工、能源電力、機械、冶金等行業。

由于工業汽輪機價格昂貴，多為單機運行，沒有備用機組，一旦發生故障，就會造成裝置停車，嚴重影響企業效益，因此確保工業汽輪機的安全穩定運行尤為重要。汽輪機在安裝檢修時需要嚴格保證其安裝質量，尤其是轉子檢修回裝時一定要對轉子主軸的徑向間隙進行精準測量和調整，以確保機組安全、穩定、長周期運行，提高企業經濟效益[2]。

1 主軸與機體下氣缸徑向間隙的測量

1-軸承座；2-軸承；3-軸承枕塊；4-轉子；5-橋規；5'-自制橋規；6-M5頂絲；7-百分表

圖1 橋規測量示意圖

水平剖分式汽輪機檢修時，轉子起吊前要測量自制橋規與軸頸之間的間隙，以確定軸瓦運行的磨損量，這一測量值還可作為原始值，以便與以后檢修時的測量值相比較。轉子回裝后，還要在原位置測量自制橋規與軸頸之間的間隙并與轉子起吊前的測量數據進行比對，以檢驗回裝質量。其方法是：在自制橋規上裝設百分表分別測量每個軸頸的讀數或用塞尺測量橋規與軸頸之間的間隙，如圖1所示。測量前，應檢查橋規的兩支腳平面與軸承座水平結合面上接觸均勻并密實，在放置橋規的位置作好永久標志，并應注意橋規前后方向不得裝反。測量時將橋規放置在軸承座上，測量每個軸頸至百分表觸頭的距離或用塞尺測量橋規測點與軸頸之間的距離δ并記錄。使用塞尺測量時，塞尺不得超過三片，且各片厚度不應相差懸殊，將塞尺壓緊在軸頸上，輕輕向間隙中移動，直至塞尺輕輕觸碰橋規凸緣又能順利通過時為好，塞尺的總厚度即為測值。用百分表測量時，應先用塊規調好百分表觸頭伸出的原始值，作為測量基準，然后再測量每個軸頸上的百分表讀數并記錄。

1.1 徑向間隙精度不夠的危害

汽輪機在檢修重裝時，轉子主軸發生摩擦、碰撞、磨損等故障時有發生，對機組安全穩定運行帶來很大威脅，甚至造成巨大經濟損失，應引起汽輪機檢修、運行人員的足夠重視[3]。

(1)轉子與軸承的徑向間隙不符合要求會造成梳齒汽封頂端磨損、梳齒歪斜(圖2)，影響軸承端汽封效率，嚴重時產生高溫高壓、導致有毒有害氣體泄漏，縮短設備使用周期。同時也將造成轉子圓周竄動、運行不穩定、油膜厚度不一，導致效率降低，對生產過程將造成特別嚴重的影響。機組磨損嚴重將使裝置臨時停車，勢必降低裝置的生產能力，增加額外費用和運行成本。

圖2 梳齒汽封破損

(2)徑向間隙測量與調整精度不夠會促使原動母機產生更大的力矩去抵抗摩擦。調查顯示，軸承間隙太小使壓力油膜梯度增大，承載能力越強，對軸承的破壞就越大，容易產生半速渦動和油膜震蕩。軸承間隙太大，壓力梯度很小，油膜的承載能力有限，在轉子運行過程中容易造成機組振動和摩擦。嚴重時導致軸承瓦塊不能在油膜區工作，進而發生燒瓦現象。

(3)檢修回裝時轉子與定子徑向間隙不符合要求會造成轉子與氣缸的摩擦，汽輪機轉子在運行時由于受到熱應力、轉子不平衡量、動、靜、碰、摩等因素的影響，轉子的彎曲度與機組安裝時的原始值會發生變化，嚴重時會造成轉子主軸斷裂(如圖3所示)。由于機組大修停機時間要求嚴格，而大型轉子返廠(制造或修造)維修運輸困難、需時較長，將會造成巨大經濟損失[4]。

圖3 轉子主軸斷裂形貌

因此保證合適的軸承間隙決定了系統是否能安全穩定的運行。有些情況下，機組因間隙調整不當引起的刮碰事故，從發現到檢修、處理歷時時間較長，一般需要2～3個月，有的甚至需要4～5個月，而目前汽輪機的運行參數都很高，因此其造成的危害將是巨大的[5]。

1.2 傳統測量方法存在的問題

目前徑向間隙測量常采用的方法主要有內外徑測量法、貼膠布法、塞尺法、壓鉛絲法和軸瓦間隙測量法等[6]。

內外徑測量法是通過測量轉子密封外徑和定子密封內徑來粗略計算間隙值，由于測量誤差較大，僅供參考或配合其他檢測方法使用。

貼膠布法是在疏齒密封的內圓周貼上膠布，通過檢測不同厚度膠布的接觸顏色深淺來判定間隙值。當缸體為水平剖分型結構或軸承座為水平剖分型時，由于轉子安裝時必須預先放在梳齒上，可能造成膠布壓痕，因此不適用于貼膠布法。

塞尺法是企業應用廣泛的一種轉子徑向與軸向間隙測量方法。塞尺法雖具有簡便快速的特點，但塞尺本身厚度不均勻，測量時的橫向彎曲量也會帶來很大影響，準確度較低。實際測量過程中，不同人員的測量結果會產生不一致的情況，實際誤差很大。

壓鉛絲法是在密封環內圓周上粘貼三組以上兩種不同直徑的鉛絲，與貼膠布法相類似。這種方法操作麻煩，精度不高，不常被應用。

軸瓦間隙測量法主要是測間隙和緊力。軸瓦兩側的間隙，通常是用塞尺在軸瓦的四角測量，頂部間隙用壓鉛絲的方法測定(如圖4所示)，根據鉛絲平均厚度差，可判斷出軸瓦頂部間隙大小。這種方法是塞尺法與壓鉛絲法的結合，因此實際測量準確度較低，因而不適合測量主軸與機體下氣缸徑向間隙。

圖4 軸瓦間隙測量法

雖然工業汽輪機檢修規程明確規定轉子起吊前和回裝后都要測量橋規與轉子軸頸之間的間隙，但在實際檢修時仍有人憑經驗未進行這兩個操作步驟，這無疑會造成重大安全隱患。

2 間隙測量、調整專用橋規的優化設計

傳統方法測量轉子主軸徑向間隙精度不高、局限性較大、操作過程繁瑣。目前市場尚無專用橋規定型產品，為確保轉子間隙測量精度，保證檢修質量，設計一種專用橋規具有十分重要的實用價值。

專用橋規如圖5所示，可固定不同量具、適用不同軸徑，以簡便快捷地實現間隙測量并保證測量精度，提高工作效率，降低維修維護費用，提高企業效益。

圖5 徑向間隙測量專用橋規三維圖

優化設計的專用橋規可對不同軸頸水平剖分式旋轉機械轉子徑向間隙進行測量。根據檢修、調整需要，為確保測量精度，優化設計專用橋規如圖5所示： 該測量橋規主要由主尺、電子數顯表、基座、高精度測量觸頭、支腳組成，如圖6所示：

圖6 專用橋規結構解析圖

兩支腳用于支撐基座和保證其測量時的穩定性，支腳與基座為螺紋聯接，基座上有三組螺紋孔用于調整支腳間距,電子數顯表可直接讀取測量數據(以首次測量為基準并調零，下次測量數值為正表示軸高出基準，數值為負表示軸低于基準)。依據轉子主軸與機體下氣缸徑向間隙測量的檢修規程步驟，對徑向間隙進行測量，如圖7所示。

圖7 徑向間隙測量示意圖

橋規結構簡單，測量方便快捷，簡便易學，實用性較高，可滿足間隙測量的精度需要。

3 結語

水平剖分型旋轉機械的檢修、安裝過程中，轉子主軸徑向間隙測量對確保裝置“心臟”設備的安全穩定運行極其重要。所設計的專用測量橋規可實現檢修、安裝過程中轉子與軸頸徑向間隙的快速準確測量，并滿足精度要求。專用橋規的優化設計對提高關鍵機組檢修質量、延長設備使用壽命、保證裝置安全、 穩定、長周期運行以及節能降耗等有著十分重要的實際應用價值和現實意義。