王 璐(華電福新江門能源有限公司， 江門 529000)

天然氣分布式能源具有利用率高，污染物排放小等諸多優(yōu)點?！笆濉币詠?，國家出臺了一系列法律、法規(guī)、規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)等文件，并在政策方面積極扶持，為進一步發(fā)展天然氣分布式能源奠定了良好的基礎(chǔ)。對于電功率為5 MW以上的分布式供能系統(tǒng)，燃氣輪機作為原動機占據(jù)了較大的比例[1]。

應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)中的燃氣輪機，與重型燃氣輪機相比，具有功率低、轉(zhuǎn)速高等特點，轉(zhuǎn)速一般高于3 000 r/min，而發(fā)電機轉(zhuǎn)速需要維持3 000 r/min。鑒于上述情況，分布式能源系統(tǒng)的燃氣輪機與發(fā)電機無法直接連接，需增設(shè)齒輪箱，以匹配燃氣輪機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。在重型燃氣輪機-發(fā)電機組中，燃氣輪機和發(fā)電機之間通過中間軸連接，通過中間軸兩側(cè)的張口值進行軸系找中。隨著齒輪箱的引入，燃氣輪機-發(fā)電機組軸系被分為高速軸部分(包括燃氣輪機-中間軸-齒輪箱高速軸)和低速軸部分(包括齒輪箱低速軸-發(fā)電機)，兩部分軸系需要分別找中。

本文以使用AE64.3A燃氣輪機的華電福新江門分布式能源站項目為例，介紹了齒輪箱的相關(guān)結(jié)構(gòu)及其對軸系和振動的影響，研究了帶齒輪箱的燃氣輪機-發(fā)電機組軸系找中方法。

1 AE64.3A燃氣輪機簡介

AE64.3A是安薩爾多公司一款小F等級燃氣輪機，外觀結(jié)構(gòu)見圖 1，整體結(jié)構(gòu)緊湊，長、寬、高約為5.9 m、3.1 m、3 m，質(zhì)量約60.6 t。華電福新江門分布式能源站應(yīng)用的國內(nèi)首臺AE64.3A燃氣輪機性能詳見表 1，目前上海電氣已經(jīng)在燃氣輪機市場上推出新版AE64.3A燃氣輪機，出力可達78 MW，在國內(nèi)市場上與GE公司的6F.03型燃氣輪機參數(shù)相當(dāng)[2-3]。

圖1 AE64.3A燃氣輪機外觀結(jié)構(gòu)

表1 AE64.3A燃氣輪機性能

從表1中可以看出，AE64.3A燃氣輪機轉(zhuǎn)速為5 400 r/min，該轉(zhuǎn)速無法與50 Hz發(fā)電機(對應(yīng)轉(zhuǎn)速3 000 r/min)直接匹配，通常的做法是在燃氣輪機和發(fā)電機之間增加齒輪箱進行變速。

2 AE64.3A燃氣輪機齒輪箱

2.1 齒輪箱參數(shù)與結(jié)構(gòu)

AE64.3A燃氣輪機配備的齒輪箱形式為單級變速齒輪箱，齒輪結(jié)構(gòu)為人字齒，人字齒輪具有承載力強、工作平穩(wěn)、軸向力小等優(yōu)點[4]。齒輪箱具體參數(shù)及描述見表 2。

齒輪箱內(nèi)部共有2根軸——高速軸(小齒輪)和低速軸(大齒輪)。其中高速軸與燃氣輪機轉(zhuǎn)子相連，低速軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連。圖2顯示了齒輪箱上半箱體打開時的結(jié)構(gòu)。高速軸和低速軸各有兩個徑向軸承支撐，每個軸承配備兩個電渦流傳感器測量軸振，在外缸上配備兩個位移傳感器，測量缸體振動。在高速軸與低速軸兩側(cè)的缸體上各開了一個人孔，用于目視檢查齒輪的狀態(tài)。在軸系對中后啟機前以及滿負荷運行后，分別需要檢查齒輪嚙合狀況，這時需要打開兩側(cè)的人孔蓋，檢查齒輪的嚙合狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求。

表2 AE64.3A齒輪箱參數(shù)及描述

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)

齒輪箱4個軸承均為橢圓瓦結(jié)構(gòu)，與可傾瓦相比，橢圓瓦具有結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強等優(yōu)點，缺點是無法擺動，不能使負載均布。因此在工廠裝配時，各軸瓦都要與轉(zhuǎn)子和軸承座做接觸試驗，確保軸瓦載荷分布均勻。同時在工廠裝配時，要記錄齒輪箱四角的高度差，在現(xiàn)場安裝時，通過測量四角高度差，使齒輪箱達到工廠裝配時的狀態(tài)。

2.2 齒輪箱齒輪受力情況分析

AE64.3A燃氣輪機齒輪箱人字齒結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 人字齒齒輪

取人字齒中的一對進行齒輪嚙合受力分析。在齒輪嚙合時，同一根軸上的2個齒輪旋向相反，所受到的軸向力方向相反，互相抵消。因此人字齒齒輪具有軸向載荷小的特點。此外，人字齒齒輪還具有承載能力高、工作平穩(wěn)的優(yōu)點。基于上述情況，在分析人字齒齒輪受力情況時，只考慮周向力和徑向力兩種，詳見圖4，其中Z1為主動輪，Z2為從動輪。

圖4 人字齒中一對斜齒受力分析[5]

各個方向的力分析如下：

1)軸向力：以圖 4為例，主動輪Z1受到的軸向力為Fa1，從動輪Z2的軸向力為Fa2。人字齒同一軸上兩排齒輪大小相等，方向相反，互相抵消，因此一般不考慮軸向力。

2)周向力：主動輪周向力與旋轉(zhuǎn)方向相反，從動輪周向力與旋轉(zhuǎn)方向相同，詳見圖4中Ft1與Ft2。

3)徑向力：方向指向圓心，詳見圖 4中Fr1與Fr2。

齒輪在旋轉(zhuǎn)時受到上述周向力和徑向力的影響，且隨著燃氣輪機出力的增加，轉(zhuǎn)子之間傳遞的扭矩逐漸增加，周向力與徑向力不斷增大。逐步增加的周向力與徑向力會大幅提高齒輪的嚙合剛度，同時增加齒輪箱軸承受到的載荷，具體表現(xiàn)為隨著燃氣輪機出力的增加，齒輪箱的軸振會大幅降低，瓦溫會逐步升高。這與燃氣輪機轉(zhuǎn)子在低負荷與高負荷的表現(xiàn)存在顯著不同，對比如下：

1)齒輪箱轉(zhuǎn)子輕，滿轉(zhuǎn)速空載時，軸承載荷輕，瓦溫較低；燃氣輪機不斷升負荷至滿載時，齒輪嚙合處周向力與徑向力增加，齒輪副嚙合剛度增加，齒輪箱軸承載荷增大，瓦溫升高，軸振呈現(xiàn)下降趨勢，詳見圖5。當(dāng)燃氣輪機載荷增加時，瓦溫升高且軸振下降。

2)燃氣輪機轉(zhuǎn)子重，滿轉(zhuǎn)速空載與滿載相比，軸承載荷與瓦溫變化不明顯。此外燃氣輪機滿載與空載時相比，轉(zhuǎn)子剛度變化不明顯，軸振變化也不明顯，詳見圖6。當(dāng)燃氣輪機載荷增加時，瓦溫與軸振變化趨勢不明顯。

圖5 齒輪箱低速軸燃機側(cè)軸承滿載與空載時瓦溫與軸振曲線

圖6 燃氣輪機壓氣機軸承滿載與空載時瓦溫與軸振曲線

3 AE64.3A燃氣輪機軸系找中研究

3.1 AE64.3A齒輪箱冷熱態(tài)軸位移研究

燃氣輪機、齒輪箱等旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，由于轉(zhuǎn)子重力與旋轉(zhuǎn)速度的作用，轉(zhuǎn)子的徑向位置與靜止時相比會發(fā)生改變，在考慮燃氣輪機、齒輪箱等旋轉(zhuǎn)機械的冷熱態(tài)軸位移時，通常需要考慮上述位置變化。除此之外，對于齒輪箱轉(zhuǎn)子冷熱態(tài)軸位移，還需要考慮以下兩點：

1)齒輪間作用力產(chǎn)生的位移。根據(jù)2.2節(jié)的研究，在運行過程中，隨著齒輪箱傳遞的扭矩不斷增大，人字齒齒輪受到周向力與徑向力不斷增加。在上述力的作用下，齒輪會沿受力方向產(chǎn)生相應(yīng)的位移。齒輪箱高速軸(對應(yīng)圖4中的Z1)受到的周向力為+Z方向，受到的徑向力為-Y方向，因此高速軸在+Z和-Y方向產(chǎn)生位移；齒輪箱低速軸(對應(yīng)圖4中的Z2)受到的周向力為-Z方向，受到的徑向力為+Y方向，因此低速軸在-Z和+Y方向產(chǎn)生位移。

2)缸體熱膨脹。燃氣輪機-齒輪箱-發(fā)電機軸系布置示意圖見圖7，按圖7所示的坐標(biāo)系，考慮齒輪箱缸體在Y和Z方向上的膨脹量。其中齒輪箱缸體沿Z方向膨脹的基準(zhǔn)點在高速軸與低速軸中心線中間點，因此高速軸沿Z軸膨脹方向為-Z方向，低速軸沿Z軸膨脹方向為+Z方向；齒輪箱缸體沿Y方向膨脹的基準(zhǔn)點在基礎(chǔ)底板處，因此高速軸與低速軸沿Y軸膨脹的方向均為+Y方向。

圖7 AE64.3A燃氣輪機-齒輪箱-發(fā)電機軸系布置示意圖

3.2 AE64.3A燃氣輪機軸系找中方法

圖7中，找中的兩對法蘭面分別是中間軸-齒輪箱高速軸法蘭面(如圖7中B所示)、發(fā)電機-齒輪箱低速軸法蘭面(如圖7中C所示)。

軸系找中的目的是保證機組運行時整個軸系圍繞同一根軸線旋轉(zhuǎn)，然而由于燃氣輪機、齒輪箱和發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷熱態(tài)位移量不同，因此在冷態(tài)找中時，燃氣輪機、齒輪箱和發(fā)電機轉(zhuǎn)子不會完全對中，法蘭面B、C存在圓心錯位和法蘭張口。

表3 冷熱態(tài)軸位移

根據(jù)表3給出的冷熱態(tài)位移量，假定熱態(tài)運行時法蘭面B、C圓心完全對中，則冷態(tài)時，法蘭面B、C的偏心量見表4。

表4 軸系找中偏心量

對于AE64.3A燃氣輪機，由于齒輪箱存在較大的周向力與徑向力，而且齒輪箱轉(zhuǎn)子在Z方向有較大的膨脹量，因此法蘭面B和C的偏心量數(shù)值較大。

AE64.3A燃氣輪機機組軸系找中分為兩步：

1)在轉(zhuǎn)子法蘭面進止口前，找準(zhǔn)轉(zhuǎn)子法蘭中心偏心量，同時測量法蘭張口值，保證偏心量與張口值在圖紙要求的范圍內(nèi)；

2)在轉(zhuǎn)子法蘭面進止口后，法蘭中心偏心量為0，復(fù)測法蘭張口值，保證張口值在圖紙要求的范圍內(nèi)。

在理論計算中，轉(zhuǎn)子法蘭面進止口前的偏心量與張口值，和進止口后的張口值是一一對應(yīng)的，進止口前的偏心量與張口值在圖紙要求的公差范圍內(nèi)，則進止口后的張口值也在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。在現(xiàn)場的實際找中過程中，由于實際轉(zhuǎn)子與理論模型之間存在偏差，實際找中過程存在一定的誤差，同時圖紙給出的公差范圍較小，有時會出現(xiàn)進止口前的偏心量和張口值在公差范圍內(nèi)，而進止口后的張口值超出公差要求范圍的情況。此時需根據(jù)進止口后張口值超差的多少進行判斷，如超差較小，可以讓步回用，如超差較多，需排查原因并進行調(diào)整。

4 結(jié) 論

本文介紹了AE64.3A燃氣輪機的熱力性能參數(shù)，重點分析了AE64.3A燃氣輪機齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點。在此基礎(chǔ)上，分析了齒輪之間的作用力以及齒輪箱對燃氣輪機-發(fā)電機軸系特性的影響。由于齒輪箱冷熱態(tài)軸位移與燃氣輪機、發(fā)電機轉(zhuǎn)子相比大很多，在冷態(tài)找中時，發(fā)電機與齒輪箱、齒輪箱與中間軸轉(zhuǎn)子連接處法蘭偏心量較大，AE64.3A燃氣輪機機組找中方法與常規(guī)重型燃氣輪機機組軸系有所不同，分為進止口前與進止口后兩個步驟。在進止口前，應(yīng)當(dāng)控制偏心量與張口值；在進止口后，應(yīng)當(dāng)控制張口值。希望本文的研究能夠為帶齒輪箱的燃氣輪機-發(fā)電機組軸系找中提供參考。