LM2500+SAC高压涡轮转子装配技术

刘培军，拜 禾，李辉全

(1. 中国科学院工程热物理研究所 ，北京 100190； 2. 中国石油管道压缩机组维检修中心 ，河北 廊坊 065000； 3. 青岛中科国晟动力科技有限公司，山东 青岛 266400)

LM2500系列燃气轮机是GE公司于20世纪60年代以TF39涡轮风扇发动机为基础研制的一款航改型燃气轮机[1-3]，见图1。由于LM2500燃气轮机性能优秀，因此常作为先进舰艇的动力装置。从20世纪70年代初到现在，LM2500系列燃气轮机已经销售了2 400台(包括工业和舰船)，占世界舰船燃气轮机绝大部分份额。

我国采购的100多台该系列燃气轮机，主要应用在西气东输管线上，作为输送天然气的动力装置。为了确保国家能源通道安全，中国石油天然气集团公司于2010年独资组建了管道压缩机组维检修中心(以下简称压缩机中心)，主要经营燃气轮机的维护、修理、大修业务[4]。到2017年年初，压缩机中心共完成了20多台LM2500+SAC燃气发生器的返厂技术授权修理，完全掌握了核心组件高压涡轮转子装配的关键技术。

1 问题的提出

GE LM2500+SAC高压涡轮转子(HPTR)组件是燃气发生器的一个关键组件，该组件在一台气动平台设备上组装，装配方式为过盈配合，即加热两个涡轮盘、冷却隔热罩。各零件装配后的同心度和平面度的精度要求见表1。如果按照原手册工艺装配，在装配完二级盘后进行测量时，常常会发现同心度和平面度精度满足不了技术要求，必须返工装配，有时返工20多次才碰巧合格。这样的装配不仅浪费人力和物力，而且对生产周期产生较大的影响,生产效率低下。

表1 高压涡轮转子装配精度要求 mm

2 原因分析

LM2500+SAC燃气发生器的高压涡轮转子由37类零件组成，如图2所示，主要由前轴2、后轴25、一级盘29、二级盘21、隔热罩10、隔圈13和叶片等零件组成。该转子前轴与压气机转子后轴相连接，位于燃烧室和一级涡轮导向器之后，利用燃烧室内燃料燃烧产生的高温气体对涡轮转子做功来带动压气机转子运转，余热部分从涡轮后喷射而出，推动后面的动力涡轮做功，从而建立了燃气发生器连续不断的旋转并产生高温、高速的余热气体。高压涡轮转子的工作特点是高温、高压和高速旋转。

经过对所装零件的结构形状、工作环境和装配关系进行分析,见图3(图3中序号含义和图2相同)，发现影响涡轮转子装配精度的主要因素有：

1) 零件变形。部分零件的变形可能是导致装配不合格的主要因素。燃烧室出来的初温达1 400 ℃，涡轮转子的运行环境温度高达1 100～1 300 ℃、转速高达9 800 r/min，长时间的运行可能会使某些部件变形。经分析，隔热罩连接在两个涡轮盘之间，其受扭力最大，所以最容易变形，其次是前轴、后轴和隔圈，而两级涡轮盘结构较厚，变形的概率很小。

2) 零件公差叠加。每个零件本身会有公差，公差叠加也可能导致最后装配精度不合格。

3) 气动平台稳定性。装配操作在一个气动平台上进行，平台的初始值直接影响装配精度。气压太大，会对平台的稳定性产生影响，导致不同时间测得的值不一样，也影响装配的精度；气压太小，装配完成后气动平台可能无法承受整个涡轮转子的重量，导致气动平台损坏；如果气体的干燥度和洁净度不能满足要求，气动平台小孔可能局部堵塞(见图4)，导致气动平台气浮的压力不稳定或不均匀，直接影响测量精度。

4) 装配误差叠加。在多次装配过程中，发现前几个步骤都合格，但是到最后精度却不合格，所以每一步误差的叠加也会导致最后的装配精度达不到要求。

5) 磅紧方法。装配方式采用过盈配合，加热外部件，冷却内部件，装配后需要对连接螺栓和螺帽进行标准力矩的磅紧。在加热和冷却后，零件本身的结构发生了变形，若此时按照标准力矩磅紧，会影响零件的同心度和平面度。

3 问题的解决

装配前利用三坐标测量上述高压涡轮转子的六个零件的尺寸，找到每一个零件的平面度和同心度的高低点，做出标记，以便对关联零件的结合面做出合理的方位配置，减少零件本身的公差对装配精度的影响。对于易变形的隔热罩，必须在约束状态下进行测量。在装配过程中，各装配面的清洁十分重要。由于部件在安装前露置空气中时间较长，每次安装前要用酒精对接触面进行清洁，必要时需用油石对接触面高点进行打磨。打磨时要尽可能用油石大面积与安装面接触，保证不会出现小的凸起或凹坑影响测量结果。

改进测量系统的不稳定性。在使用原测量仪表架(图5)时，仪表指针不能回零，经过仔细检查，发现测量仪表架的支座和支撑杆之间有下垂量，对测量结果产生影响。重新设计固定方式，在支撑杆上安装一块较重铁块(约5 kg)(图6)，将测量仪表架支座依靠磁力吸附在上面，采用的新支座使仪表的下垂量影响降低至最小。

为消除气动平台自身偏差对转子跳动测量的影响，采用4点测量法。转动高压涡轮转子组件与平台成0°、90°、180°、270°，并分别测量4个点的跳动值，然后将4组数据经过软件分析后调整位置，确认哪个位置在合理的范围内装配误差最小。4点测量法的运用贯穿整个高压涡轮转子组件的上述六个主要零件装配的每个步骤，对提高装配技术、保证装配质量发挥了很好的作用。参照图7。

解决气动平台以及工装本身问题，减少其对涡轮转子装配精度的影响。主要包括自主维护气动平台，油脂压力要达到6.895～8.274 MPa；安装精度更高的空气滤芯和干燥机，确保气质符合要求，同时摸索出调节合适的气压为0.276 MPa。气动平台同心度和平面度不满足要求时，要松开固定气动平台转换头的螺栓并轻敲该转换头，加以调整。轻敲时，应同时用手带紧固定螺栓，不要全部松开。可参照图8～图10。

本着遵循手册要求的原则，提高装配要求，将前几级装配精度要求提高到手册要求范围的一半，甚至更小。见表2。

在二级盘装配时，改变常规磅紧对角螺栓的顺序，根据实际测量情况寻找最佳磅紧力矩值和磅紧的顺序，利用热胀冷缩的原理将两个盘中间的连接件隔热罩回归为标准尺寸，以达到涡轮转子整体装配精度要求。见图11。

表2 装配精度的要求变更值 mm

a) 涡轮前轴0°时的同心度

b) 涡轮前轴90°时的同心度

c) 涡轮前轴180°时同心度

d) 涡轮前轴270°时同心度

图7 涡轮前轴不同角度的同心度

4 结论

高压涡轮转子的装配，由于其要求精度高，很多安装要点无法通过理论或者手册给出，只能通过不断实践摸索验证，才能总结出行之有效的装配方法和技巧。以上解决问题的要点在后续的几台LM2500+SAC燃气发生器修理上得以验证，有效地提高了高压涡轮转子装配的成功率。