付帥 吳思慧

第一作者簡(jiǎn)介：付帥（1991-），男，工程師。研究方向?yàn)槠啓C(jī)加工裝配。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.022

摘? 要：工業(yè)蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)的機(jī)組在石油、石化行業(yè)有廣泛應(yīng)用，其是否可以持久、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)直接決定該石油石化裝置的效益產(chǎn)出情況，機(jī)組的軸系找正精度又是其能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，若安裝過程中存在較大誤差，會(huì)造成安裝工作返工，機(jī)組振動(dòng)異常，推力軸承溫度過高，支撐軸承溫度過高等問題，直接影響機(jī)組運(yùn)行。該文主要剖析該裝置的軸系布置原理及安裝找正方法，軸向找正利用兩表法消除蒸汽透平與離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)，利用兩軸同盤的方法消除打表盤端面跳動(dòng)誤差，徑向利用單表法和兩軸同盤消除打表盤外圓的跳動(dòng)誤差，以提升軸系裝配精度。

關(guān)鍵詞：蒸汽透平；離心壓縮機(jī)；軸系裝配；兩表法；兩軸同盤

中圖分類號(hào)：TK266? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0100-04

Abstract： Industrial steam turbine-driven centrifugal compressor units are widely used in the petroleum and petrochemical industries， and their ability to operate reliably and consistently directly determines the efficiency and output of these facilities. The precision of the shaft alignment in these units is a key factor in their long-term stable operation. If significant errors are present during the installation process， it can lead to rework， abnormal unit vibration， excessively high temperatures in thrust bearings， and excessive temperatures in support bearings， all of which can directly impact the operation of the unit. This paper primarily analyzes the principles of shaft layout and installation alignment methods for these units. Axial alignment uses the two-gage method to eliminate axial movement between the steam turbine and the centrifugal compressor rotor， and the method of aligning both shafts simultaneously is used to eliminate end-face runout errors when taking gage readings. Radially， the single-gage method and the method of simultaneous shaft alignment is used to eliminate runout errors of the outer circumference of the gage disk， thereby enhancing the precision of shaft assembly.

Keywords： steam turbine; centrifugal compressor; shafting assembly; two-gage method; simultaneous shaft alignment

由于市場(chǎng)上各家工業(yè)驅(qū)動(dòng)蒸汽透平與離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式不同，導(dǎo)致裝置的滑銷系統(tǒng)也不盡相同，本文以本公司生產(chǎn)的HB5-4S+MCL702型號(hào)背壓反動(dòng)式汽輪機(jī)搭配二氧化碳離心壓縮機(jī)裝置進(jìn)行研究，淺述該類型裝置的軸系安裝原理，并對(duì)其找正方法進(jìn)行研究。工業(yè)蒸汽透平與離心壓縮機(jī)裝置軸系的找正是在裝置冷態(tài)下進(jìn)行的，但是裝置運(yùn)行卻是在熱態(tài)下，所以要根據(jù)結(jié)構(gòu)充分考慮熱脹的影響，將軸系安裝至一種冷態(tài)不同軸，熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)同軸的狀態(tài)，保證機(jī)組可以長(zhǎng)久穩(wěn)定地運(yùn)行。

1? 裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

本裝置由一臺(tái)工業(yè)驅(qū)動(dòng)蒸汽透平（左側(cè)）和一臺(tái)離心壓縮機(jī)（右側(cè)）構(gòu)成（圖1），蒸汽透平前后軸承座均與汽缸分開，為分體結(jié)構(gòu)，上汽缸中分面貓爪落在前后軸承座上，前后軸承座底面落在聯(lián)合底座支腿上，得益于此結(jié)構(gòu)，在蒸汽透平運(yùn)行溫度520 ℃的情況下，汽缸均勻地向上下兩個(gè)方向膨脹，讓熱膨脹最大的汽缸在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)轉(zhuǎn)子中心線無明顯影響。所以該背壓式蒸汽透平轉(zhuǎn)子在熱態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子位移只受前后2個(gè)軸承支座的影響。前后2個(gè)支座在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度主要受油溫影響最大，在前后軸承箱進(jìn)回油溫度相同的情況下，前后2個(gè)支座會(huì)向上膨脹，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子中心升高，經(jīng)計(jì)算本裝置兩側(cè)支座均熱膨脹約為0.18 mm，故轉(zhuǎn)子中心線在冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)均保持水平。

本裝置離心壓縮機(jī)兩端軸承座與機(jī)殼均為一體結(jié)構(gòu)，前后貓爪在離心壓縮機(jī)下機(jī)殼的側(cè)面上，工藝氣進(jìn)口在右端，出口在左端，所以會(huì)導(dǎo)致左端溫度高于右端，又因貓爪支撐平面是在下機(jī)殼上，所以會(huì)因兩端軸承座隨著機(jī)殼向上熱膨脹而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子升高，且由于左右端溫度不同，導(dǎo)致左端熱膨脹較大，經(jīng)計(jì)算約為0.38 mm，右端熱膨脹較小，經(jīng)計(jì)算約為0.17 mm，為了保證離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)為水平且與蒸汽透平轉(zhuǎn)子同軸，故離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在冷態(tài)時(shí)要處于一種左低右高的狀態(tài)。

圖1? HB5-4S+MCL702型號(hào)背壓反動(dòng)式蒸汽透平+二氧化碳

離心壓縮機(jī)裝置示意圖

2? 軸系對(duì)中理論方案

由圖2可以看出，在前視方向，由于離心壓縮機(jī)在豎直方向左端熱脹0.38 mm大于蒸汽透平支座熱脹的0.18 mm，離心壓縮機(jī)左端要低于蒸汽透平轉(zhuǎn)子水平中心線B=0.2～0.3 mm，以使得離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子左端在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)可以與蒸汽透平轉(zhuǎn)子右端相同軸。

圖2? 汽輪機(jī)與離心壓縮機(jī)垂直方向（前視）軸系對(duì)中方案

參照?qǐng)D1的滑銷系統(tǒng)，蒸汽透平兩軸承座和汽缸，以及離心壓縮機(jī)機(jī)殼的水平熱脹死點(diǎn)都在轉(zhuǎn)子的中心線上，所以在水平方向，可將兩轉(zhuǎn)子安裝找正至同軸（圖3）。

圖3? 汽輪機(jī)與離心壓縮機(jī)水平方向（俯視）軸系對(duì)中方案

為了測(cè)量?jī)赊D(zhuǎn)子的同軸狀態(tài)，可以通過將百分表安裝在蒸汽透平轉(zhuǎn)子上，去測(cè)量離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸端外圓的讀數(shù)，其理論讀數(shù)如圖4所示。

前段所述，離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子右端熱脹小于左端，所以離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在冷態(tài)下不能是水平的，在前視方向（圖2）是一種左低右高的狀態(tài)，本轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度2 640 mm，由于無法直接測(cè)量這種左低右高的狀態(tài)，可以對(duì)蒸汽透平轉(zhuǎn)子中心線與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子端面的垂直度進(jìn)行打表測(cè)量，以此間接測(cè)量出離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子左低右高的狀態(tài)，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸頭直徑比較小，測(cè)量誤差很大，所以需要在轉(zhuǎn)子端面上安裝打表盤，擴(kuò)大打表直徑，減小打表誤差，以直徑300 mm打表盤為例，蒸汽透平轉(zhuǎn)子軸線與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子端面打表盤垂直度讀數(shù)可表示為如圖5所示。

圖4? 打表盤同軸度外圓讀數(shù)

圖5? 打表盤垂直度前視方向端面讀數(shù)

3? 軸系安裝找正的誤差分析

參照軸系安裝的理論精度，在實(shí)際操作過程中是一個(gè)反復(fù)測(cè)量、計(jì)算、調(diào)整的過程，所以整個(gè)誤差是一個(gè)系統(tǒng)的誤差，并不是某一個(gè)單一的誤差源，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)存在誤差，都會(huì)影響到最終的找正結(jié)果，按照找正位置方向的不同，誤差主要存在于以下2個(gè)系統(tǒng)中。

3.1? 垂直度打表讀數(shù)誤差分析

在打表檢查蒸汽透平轉(zhuǎn)子中心線與離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子打表盤端面垂直度時(shí)，需要不斷盤動(dòng)蒸汽透平轉(zhuǎn)子和離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，在該裝置中，轉(zhuǎn)子軸向的定位依靠?jī)蓹C(jī)的推力盤與推力軸承接觸，但是在設(shè)計(jì)上，推力盤與推力軸承之間存在推力間隙，一般為0.3～0.4 mm，所以在盤動(dòng)兩轉(zhuǎn)子時(shí)，難免會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)，竄動(dòng)方向不可控制，竄動(dòng)大小也無法控制，所以可以將上述誤差稱為轉(zhuǎn)子竄動(dòng)誤差。

由于離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子端面直徑較小，與轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度長(zhǎng)徑比過大，會(huì)導(dǎo)致間接測(cè)量的垂直度無法準(zhǔn)確反映離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的前視方向的左低右高的斜度，所以需要在轉(zhuǎn)子端面上安裝一個(gè)直徑較大（一般為300 mm直徑）的打表盤，降低長(zhǎng)徑比，來增加間接測(cè)量的精度。但是打表盤在制造過程中會(huì)存在制造誤差，在安裝上打表盤以后，由于制造誤差，使得打表盤端面跳動(dòng)讀數(shù)無法為0，即打表盤端面不與離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子中心線絕對(duì)垂直，所以可將此誤差稱為工裝制造誤差。

當(dāng)然，在系統(tǒng)中還會(huì)存在各種誤差因素，例如人操作的誤差，量具的制造精度等，但上面2個(gè)因素是必然存在，且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤差影響最大的，所以可將整個(gè)垂直度打表讀數(shù)誤差總結(jié)為

垂直度讀數(shù)系統(tǒng)誤差=工裝制造誤差+轉(zhuǎn)子竄動(dòng)誤差+垂直度偏差。

3.2? 同軸度打表讀數(shù)誤差分析

在打表檢查蒸汽透平轉(zhuǎn)子中心線與離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子同軸度時(shí)，同樣需要盤動(dòng)兩轉(zhuǎn)子，在盤動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子也會(huì)因?yàn)橥屏﹂g隙前后竄動(dòng)，但是由于推力間隙一般只有0.3～0.4 mm，轉(zhuǎn)子竄動(dòng)量不會(huì)超過推力間隙，如此小的竄動(dòng)量不會(huì)對(duì)徑向打表產(chǎn)生任何可測(cè)量的影響，所以轉(zhuǎn)子竄動(dòng)的誤差可以忽略不計(jì)。

為了打表方便，一般同軸度打表測(cè)量也會(huì)選在打表盤上，所以打表盤外圓與轉(zhuǎn)子中心線的同軸度就成了誤差產(chǎn)生的原因。該系統(tǒng)存在工裝誤差，可將整個(gè)同軸度打表讀數(shù)誤差總結(jié)為

同軸度讀數(shù)系統(tǒng)誤差=工裝制造誤差+同軸度偏差。

4? 軸系安裝誤差的消除

4.1? 垂直度讀數(shù)系統(tǒng)誤差

對(duì)于垂直度讀數(shù)系統(tǒng)誤差的消除，首先應(yīng)消除的是工裝制造的誤差，一套制造優(yōu)良的工裝肯定是必不可少的，但是常規(guī)加工方法的制造精度有幾道的誤差都是正常且無法避免的，所以在消除工裝制造誤差時(shí)，可以采用兩軸同盤的方法。

如圖6所示，在假定兩軸同軸且不發(fā)生軸向竄動(dòng)的情況下，打表盤與轉(zhuǎn)子中心線不垂直，此時(shí)參照?qǐng)D6百分表的讀數(shù)為A，參照?qǐng)D6（b）所示，如果只將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)讀數(shù)B=A+0.04 mm，A-B=0.04 mm，雖然從理論上兩轉(zhuǎn)子絕對(duì)同軸，但是由于工裝制造誤差，導(dǎo)致讀數(shù)相減不為0，如果將打表盤找正至為0的狀態(tài)，無疑會(huì)將2個(gè)轉(zhuǎn)子調(diào)整至不同軸的狀態(tài)，會(huì)對(duì)找正帶來錯(cuò)誤的結(jié)果。

（a）? 狀態(tài)1

（b）? 狀態(tài)2

圖6? 兩轉(zhuǎn)子不同盤讀數(shù)示意圖

但是如果采用單表同盤的方法，在第一次讀數(shù)A后將2個(gè)轉(zhuǎn)子同時(shí)盤動(dòng)180°時(shí)，參照?qǐng)D7，百分表的讀數(shù)為B，此時(shí)A-B=0，讀數(shù)沒有改變，此時(shí)兩讀數(shù)之差為0，就可以真實(shí)地反映兩軸同軸的狀態(tài)。

（a）? 狀態(tài)1

（b）? 狀態(tài)2

圖7? 兩轉(zhuǎn)子同盤讀數(shù)示意圖

反之，在兩轉(zhuǎn)子不同軸時(shí)，同時(shí)盤動(dòng)兩轉(zhuǎn)子百分表變化的讀數(shù)即為蒸汽透平轉(zhuǎn)子中心線與打表盤端面垂直度的誤差。因?yàn)樵诓捎脙奢S同盤的方法時(shí)，百分表與工裝打表盤接觸的讀數(shù)點(diǎn)都是同一處，所以可以不受工裝制造誤差的影響，有效消除了工裝制造誤差對(duì)轉(zhuǎn)子找正結(jié)果的影響。

上述使用1個(gè)百分表的方法在不考慮轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)的條件下時(shí)完全可行，但是如果在讀數(shù)里面加入一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)誤差，那么這樣的單表讀數(shù)將不具備任何參考意義。所以為了消除轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)帶來的隨機(jī)誤差，就不得不再引入1個(gè)百分表，2個(gè)百分表成180°對(duì)稱布置，使用2個(gè)百分表同時(shí)測(cè)量。

如圖8所示，在假定兩轉(zhuǎn)子同軸的情況下，在同時(shí)盤動(dòng)兩轉(zhuǎn)子時(shí)，引入一個(gè)隨機(jī)的軸向竄量m，在圖8（a）狀態(tài)，上面的百分表讀數(shù)為A1，下面的百分表讀數(shù)為B1，當(dāng)壓縮機(jī)和蒸汽透平轉(zhuǎn)子同時(shí)盤動(dòng)180°后，此時(shí)上面的百分表轉(zhuǎn)動(dòng)到下面，此時(shí)該百分表的讀數(shù)為A2，原下面的百分表轉(zhuǎn)動(dòng)到上面，此時(shí)該百分表的讀數(shù)為B2。

（a）? 狀態(tài)1

（b）? 狀態(tài)2

圖8? 兩轉(zhuǎn)子兩表同盤讀數(shù)示意圖

如果用A2-A1=m，B2-B1=m，可以看出同一百分表在兩軸同盤180°后讀數(shù)相減的結(jié)果反映了該轉(zhuǎn)子的軸向竄量情況，且兩表相同。此時(shí)，如果將兩表前后讀數(shù)的差值再做差值，[（A2-A1）-（B2-B1）]=0，就可以在該視圖上真實(shí)反映兩軸垂直的狀態(tài)。

綜上所述，在兩轉(zhuǎn)子中心線在不同軸且不平行，且存在轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)及打表盤加工制造誤差的情況下，可以將某一方向的垂直軸誤差A(yù)v表示為

Av=[（A2-A1）-（B2-B1）]/2（需要考慮百分表的正負(fù)值）。

4.2? 同軸度讀數(shù)系統(tǒng)誤差

對(duì)于同軸度讀數(shù)系統(tǒng)誤差的消除，如果按照常用的找正方法，只需要將百分表吸在蒸汽透平轉(zhuǎn)子上，然后盤動(dòng)轉(zhuǎn)子，去測(cè)量離心壓縮機(jī)打表盤上的讀數(shù)即可計(jì)算出同軸度偏差，但是由于存在工裝制造的誤差，那么測(cè)量出的讀數(shù)就包含了工裝制造的誤差，所以為了消除這種誤差，可以采用單表同盤的方法，兩軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得百分表與打表盤的測(cè)量點(diǎn)始終保持在同一位置，這樣讀數(shù)就可以不受工裝制造誤差的影響。

綜上所述，在兩轉(zhuǎn)子中心線不同軸且不平行，且打表盤外圓存在制造誤差的情況下，可以將某一方向的同軸度誤差Rv表示為

Rv=（C2-C1）/2（需要考慮百分表的正負(fù)值）。

5? 實(shí)踐驗(yàn)證

對(duì)該蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)進(jìn)行了實(shí)際的裝配找正驗(yàn)證，如圖9所示，通過實(shí)際測(cè)量，兩轉(zhuǎn)子找正后的尺寸均在公差范圍之內(nèi)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開車試驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置的軸系系統(tǒng)振動(dòng)指標(biāo)、溫度指標(biāo)、軸位移指標(biāo)均符合API要求，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況穩(wěn)定。

圖9? 實(shí)踐驗(yàn)證圖片

6? 結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了軸系對(duì)中找正過程中幾種誤差消除的方法，可以有效提升兩轉(zhuǎn)子在冷態(tài)狀態(tài)下的找正精度，使得蒸汽透平與離心壓縮機(jī)裝置在熱態(tài)有負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，達(dá)到兩軸中心線既同心又同軸的狀態(tài)，保證裝置的無故障連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)然在冷態(tài)找正時(shí)，不僅要考慮設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的熱脹情況，還要考慮可傾瓦軸承的油膜厚度，轉(zhuǎn)子的揚(yáng)度等情況，所以現(xiàn)場(chǎng)的安裝人員仍需要根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)裝置的運(yùn)行情況作出一些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祁大同.離心式壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2] 趙東方.離心式壓縮機(jī)主機(jī)聯(lián)軸器三表精確對(duì)中找正[J].裝備制造技術(shù)，2009（4）：156-157.

[3] 張小威.探討汽輪機(jī)軸系找正的誤差分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（19）：22-23.

[4] 盧秉恒.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.