LM航改型燃机发电机组联轴器的选型与安装

毛杨军

(华电通用轻型燃机设备有限公司，上海 201108)

0 引言

LM航改型燃气轮机发电机组(以下简称LM机组)因将航改型燃气轮机(以下简称燃机)动力透平轴输出的动力用于驱动发电机发电而得名。LM机组属大型设备,需分部件运输至客户现场再重新安装。

LM机组属高速、大功率转子系统，对两轴的对中精度、传动精度及传动效率都有着极高的要求，其中轴向、径向的对中精度在0.1 mm级，角向对中精度在0.01 mm级，残余不平衡量小于0.78 g/mm，传动精度和效率要求达99%以上[1]。从保证LM机组效率和使用寿命的角度出发，联轴器的选型至关重要。

1 联轴器的偏移

LM机组的左侧为发电机，右侧为燃机，中间通过联轴器将燃机轴和发电机轴连接起来，并采用激光对中仪测量对中精度，如图1所示。LM机组采用冷态对中，可达到较高的对中精度。但机组高速运行会产生大量的热，导致机组热膨胀与热变形，而且机组长时间连续运转与振动会造成地基不均匀沉降，原始的对中状态会发生改变，燃机轴和发电机轴张角偏移、平行偏移和联合偏移等3种不对中状态[1]，如图2所示。为保证机组的正常运行，要求所选联轴器在径向、轴向、角向具有较强的不对中补偿能力。

图1 LM航改型燃机对中示意Fig.1 Schematic of alignment of LM aero-derivative gas turbine generator

图2 燃机轴和发电机轴的对中状态Fig.2 Alignment of gas engine shaft and generator shaft

2 弹性联轴器的种类与性能

弹性联轴器可依靠弹性元件的弹性变形来补偿两轴线的相对位移，还可以缓冲减振[2]，因此广泛地应用于持续运转的工业流程动力设备中。然而弹性联轴器种类繁多，常见的有波纹管联轴器、梅花联轴器、链条联轴器、齿式联轴器和膜片/膜盘联轴器等[3]。在LM机组联轴器选型之初需深入了解各种联轴器的性能特点和适用场合。

2.1 波纹管联轴器

波纹管联轴器用外形呈波纹状的薄壁管直接将两半联轴器焊接或粘接起来以传递运动，由2个毂和1个薄壁金属管组成，虽具有较强的三向补偿能力，但是中间的整体式薄壁金属管难以加工、做大和维修，因此仅适用于结构紧凑、传动精度较高的小功率精密机械和控制机构。

2.2 梅花联轴器

梅花联轴器是由2个金属爪盘和1个非金属弹性体组成，虽具有很好的平衡性能且适用于高转速的应用。但它易老化、使用寿命短、轴向偏差补偿能力不足，只适用于角向和径向补偿的场合。

2.3 齿式联轴器

齿式联轴器是由齿数相同的内齿圈和带外齿的凸缘半联轴器等零件组成(外齿可分为直齿和鼓形齿两种)。工作时，齿面可做轴向的相对滑移和角向移动，具有较强的不对中补偿能力。但是齿式联轴器的接触磨损和功率消耗也较大，不仅降低传动效率、需要良好的润滑和密封，而且在受载后摩擦和两轴的不对中会对轴及推力轴承产生很大的附加轴向力和弯矩，大大削弱LM机组的使用寿命。

2.4 膜盘联轴器

膜盘联轴器在国内通常被称作膜片联轴器，由数片不锈钢薄膜片交错叠加成膜盘并用螺栓与两半联轴器联接。这颠覆了传统挠性联轴器的复杂结构，在一个薄金属片上实现了高强度、高刚度与高弹性的矛盾统一，能够最大限度地补偿轴间的径向位移、轴向位移和角位移。膜盘联轴器无须润滑，采用全金属结构，具有传递扭矩大、使用寿命长、补偿不对中能力强、安装找正方便、轴向和角向刚度低、轴向反力极小、动平衡精度高、抗腐蚀性能好、对设备影响小等特点[2]，可有效降低轴端的弯曲荷载，因此成为中/高速大功率传动工业应用的首选，广泛应用于燃机、风机及压缩机等。

3 膜盘联轴器的选型

由上述可知，膜盘联轴器是LM机组较为合适的选择。其根据膜片形式，可分为连杆式和不同形状的整片式；根据膜盘的数量,可分为单膜盘和双膜盘；根据安装形式,可分为键槽式、胀套式、锥套式、内嵌法兰式、外伸法兰式及组合式等[4]。因此在联轴器选型时，除了考虑联轴器的通用要素(如传递功率、转速、连续运转力矩、瞬时最大力矩、对中性能、装拆及使用环境等因素)，更需考虑LM机组的特殊需求。

以顺德项目中LM6000型燃机的联轴器选型及应用为例，分析联轴器选型的要素。

3.1 连接方式与传递力矩、功率

由于LM机组须在短时间内达到较高转速，其核心轴通常设计成空心的，燃机的输出轴为薄壁法兰型，故与之连接的联轴器亦为法兰外伸式。另外该联轴器所连接的两端均为动力设备，因此在传递力矩上除考虑输入端燃机的连续运转力矩和瞬时力矩外，同时需考虑发电机的稳态输出力矩和瞬时力矩，这是由于发电机轴比燃机轴重很多，其瞬时力矩往往也会比燃机端大。传递功率取决于发电机的输出功率。

3.2 机组热膨胀

考虑机组热膨胀是LM机组联轴器选型和常用联轴器选型的最大区别。燃机的燃烧室在高温燃烧后会产生大量的热，并最终传递给动力透平轴，即膜盘联轴器的输入端。据资料显示，LM燃机从冷态启动到热态运行，动力透平轴会发生约4 mm的轴向位移，并将该位移直接传递给膜盘联轴器。若LM机组在联轴器选型时不考虑热膨胀，并采用冷态对中安装方式，可能会导致运行时轴向变形超出联轴器的轴向补偿能力，此时连续运行不仅会损害联轴器，甚至对燃机轴系造成严重影响。因此，在LM机组膜盘联轴器选型时，需要充分考虑联轴器的轴向补偿能力是否能满足补偿热膨胀的影响。

3.3 轴系受力

轴系受力主要受联轴器重量和热膨胀位移两方面的影响。联轴器重量以剪力和沿联轴器长度方向的弯矩两种形式直接作用在薄壁法兰轴上，这对燃机空心轴本身就是个巨大的考验；更重要的是冷态预拉伸产生的轴向力直接作用在推力轴承上。若选用单膜盘联轴器，为达到能补偿热膨胀的轴向补偿力，其轴向刚度往往也较大，因此预拉伸联轴器膜盘产生的轴向力也较大，甚至超过燃机动力透平轴或推力轴承的许用推力值，严重影响燃机的运行安全和推力轴承的使用寿命。而若采用双膜盘联轴器，在满足相同轴向补偿能力的情况下，轴向刚度通常仅为单膜盘联轴器的1/4，较大程度地减小预拉伸安装对燃机轴系的受力影响。因此，LM机组选用双膜盘联轴器。

3.4 与轴系的动态匹配

在选型时要充分考虑膜盘联轴器的扭转刚度和转动惯量不会使轴系产生扭转共振，要求膜盘联轴器接入机组中，由动力透平轴系、膜盘联轴器和发电机轴系组成的新转子系统的一阶临界转速高于工作转速，保持转子轴系仍为刚性转子。通过进一步分析悬挂弯矩(由联轴器自重产生的对动力透平轴的弯矩)和附加弯矩(由于联轴器传扭和不对中引起的对转子轴承的弯矩)，确定合适的横向振动特性，使上述转子系统的横向自振频率避免转子工频[2]。

3.5 动平衡

对于上述转子系统而言，若联轴器在制作时质量分布不均匀，那么产生不平衡离心力不仅会在转子轴承上引起振动、产生噪声并加速轴承磨损，还会严重影响燃机轴承的使用寿命，产生高昂的维修费用。另外离心力会以剪力的形式作用于燃机动力透平空心轴上，与联轴器的重力作用效果叠加，可能会超出动力透平轴的许用剪力，造成轴系强度失效或疲劳失效。因此膜盘联轴器的动平衡品质也是选型时重要考虑的因素，据相关规定对LM机组膜盘联轴器整体、端轴、中间轴应分别进行动平衡试验，并要求所有残余不平衡量均小于0.78 g/mm。

在膜盘联轴器选型过程中着重考虑了传递力矩、机组热膨胀、轴系受力、轴系动态匹配和动平衡品质等特殊需求之后，LM6000机组最终选用美国美锐公司的HP/R型膜盘联轴器，其结构组成如图3所示，主要技术参数见表1。

图3 HP/R型膜盘联轴器Fig.3 Composition of the HP/R type diaphragm coupling

表1 HP/R型膜盘联轴器主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of HP/R type diaphragm coupling

如图3所示，两个端轴各配备金属膜盘4和5用于补偿不对中偏差，并分别通过安装螺栓与动力透平轴和发电机轴法兰相连。运输螺钉6和7在运输过程中防止运输颠簸对膜盘造成的影响，在对中安装时拆除。

目前，在莘庄、金湖和顺德等诸多国内LM项目的实际运行中，已经验证了膜盘联轴器在LM机组上运行的可靠性。

4 膜盘联轴器的预拉伸安装

预拉伸安装是LM机组安装中的第一步，也是至关重要的一步。LM机组是采用冷态对中的安装方式。为减小机组运行产生的热膨胀对设备的影响，采用预拉伸安装的补偿方法，即沿机组热膨胀的反方向预先将膜盘联轴器拉伸与热膨胀量一致的量，这样在LM机组运行过程中膜盘联轴器会恢复到中性状态，使联轴器、燃机动力透平推力轴承和发电机推力轴承均不受轴向力，大大延长其使用寿命。

4.1 预拉伸正确的安装步骤

(1)在安装前先测量发电机轴端法兰和燃机动力透平法兰之间的距离(DBSE)，将燃机罩壳在轴向上大致定位，使DBSE等于联轴器自然长度加预拉伸量。

(2)将联轴器两端法兰分别与燃机动力透平轴法兰和发电机轴法兰连接，此时需断开联轴器位于发电机侧的中间轴和端轴法兰，再拧紧所有连接螺栓。

(3)用卡尺测量3，6，9，12点钟的rA(与发电机连接的端轴和联轴器中间轴2个法兰面之间的距离，如图3所示)，并取平均值记为rA1。

(4)在支撑联轴器中间轴和端轴在相同的高度上，拆下位置A处法兰的连接螺栓并分开法兰，断开联轴器之后再用卡尺测此时4个时钟位置的值并取平均值记为rA2；保证rA1，rA2在预拉伸规定范围内即可完成安装。

4.2 预拉伸安装过程中的问题

膜盘联轴器的预拉伸安装步骤虽简洁，但操作者往往忽略过程中应注意的细节，以至于对燃机造成极其严重的影响。

(1)在安装过程中发现预拉伸值偏小，会采用减少膜片数量的方法来调整预拉伸量达到目标值。这样会直接削弱不对中补偿能力、增加轴向刚度。在同等预拉伸量的情况下膜盘产生的恢复力增加，该力以拉力的形式分别反作用于燃机轴系和发电机轴系，因更加接近或超过轴系推力轴承许用的轴向载荷而影响到轴承的使用寿命。而且，减少膜片数量会改变使原始参数，使性能有所下降，致使原有的动平衡性能、轴系动态匹配特性被破坏。另外，膜盘组件的拧紧力矩需由厂家联系提供，过紧或过松都会直接影响到联轴器的使用性能和使用寿命。

(2)该膜盘联轴器在燃机侧和发电机侧各配备了3个运输螺钉。然而操作者在预拉伸安装时往往容易忘记拆除，至此直接影响燃机透平轴系的受力情况，严重的会引起LM机组振动异常。

4.3 安装问题案例

本文以顺德某项目中LM6000型燃机的安装为例，分析运输螺钉使用不当造成的不良后果。

当燃机两侧运输螺钉未被全部拆除时，膜盘联轴器处于非正常工作状态，膜盘联轴器单侧或双侧的膜盘会被完全约束而不允许弹性变形，此时若开始预拉伸安装，为达到规定的预拉伸值，需不断增加在膜盘联轴器上靠近发电机的端轴法兰所施加的外力，会造成2种情况：(1)靠近燃机侧运输螺钉已拆除，靠近发电机侧运输螺钉未拆除，随着施加的外力增加，燃机侧膜盘开始变形、未拆除的运输螺钉受力，若运输螺钉允许的螺牙破坏力较大(具体情况取决于螺纹参数)，则最终由燃机侧膜盘被拉伸至预拉伸值，若运输螺钉允许的螺牙破坏力较小，则在拉伸的过程中运输螺钉因螺牙损坏而失效，靠近发电机侧膜盘恢复弹性变形能力，最终由两侧膜盘共同承担预拉伸值；(2)燃机侧和发电机侧的运输螺钉均未被拆除，为实现最终的预拉伸安装目的，所施加的外力必须先把两侧的运输螺钉的螺牙破坏使其失效，然后使膜盘联轴器恢复弹性变形的能力，最终由两侧膜盘共同承担预拉伸值。为保证螺牙不损坏，应同时满足下列3个条件，

(1)

(2)

(3)

式中：F1，F2，F3分别为螺牙弯曲、挤压和剪切破坏时的受力；d为螺纹的公称直径；z为受力螺牙数；h为螺纹展开后的高度；b为螺纹展开后的宽度[4]；[σb]为螺纹材料的许用弯曲应力；[σp]为螺纹材料的许用挤压应力；[τ]为螺纹材料的许用剪切应力。

要使螺牙损坏，单个运输螺钉受到的初始破坏力F0=Min{F1max，F2max，F3max}，由于单侧膜盘沿轴系中心线均布3个运输螺钉，可得到螺栓组螺牙损坏的初始总破坏力Ft=3F0。当膜盘联轴器受到的轴向力大于Ft时，运输螺钉失效，两侧膜盘恢复弹性并渐渐被拉伸至预拉伸值，恢复到正常工作状态。根据胡克定律，单侧膜盘变形完成安装时，膜盘联轴器上受到的轴向力

Fz1=K1ΔL或K2ΔL，

(4)

同理，两侧膜盘变形完成安装时，膜盘联轴器受到的轴向力

(5)

式中：K1，K2分别为两侧膜盘的轴向刚度；ΔL为规定的联轴器预拉伸值。

比较式(4)和式(5)，发现Fz1肯定大于Fz2，因此，在不正当操作的预拉伸安装过程中，膜盘联轴器受到的最大轴向力为Ft或Fz1，该值显然已经超过正常安装时膜盘联轴器受到的最大轴向力Fz2，甚至可能超过燃机动力透平轴或推力轴承的许用推力，严重影响燃机的使用寿命，可能造成重大损失。

而在顺德项目LM6000型燃机安装过程中，仅拆除了靠近燃机侧的运输螺钉而未拆除靠近发电机侧的螺钉，强制拉伸联轴器使其遭到破坏：燃机侧膜盘承受一定变形并产生轴向力，同时发电机侧运输螺钉受同等大小的力，由于Ft=3F0，燃机侧膜盘变形直至预拉伸值时，产生的轴向力约为Fz2的2倍，超过了燃机推力轴承的许用推力。后期经过反复的技术沟通，采用了联轴器返厂检修并更换燃机推力轴承的维修方案，造成了严重的影响和重大的经济损失。

在燃机膜盘联轴器采用预拉伸安装时，必须严格参照安装步骤，注意勿改变膜片数量且务必拆除运输螺钉，防止误操作引起的轴向力超过燃机轴系的许用载荷，造成不可估量的后果。

5 结论

(1)LM机组采用冷态对中安装方式，但是随着机组连续运行和地基不均匀沉降，轴系势必发生张角偏移、平行偏移或联合偏移的不对中状况，因此要求所选用的联轴器在保证对中精度的情况下具有较强的不对中补偿能力。

(2)经过比较分析，并结合LM机组传递力矩/功率、机组热膨胀、轴系受力、轴系动态匹配及动平衡品质等特殊需求，选取HP/R型双膜盘联轴器应于用LM航改型燃机发电机组。

(3)膜盘联轴器采用预拉伸安装方法，安装时必须严格参照安装步骤。保证燃机运行时轴系处于中性状态，且注意变膜片数量和运输螺钉的拆除情况，防止误操作引起的轴向力超过燃机轴系的许用载荷，造成不可估量的后果。