AE64.3A燃气轮机齿轮箱结构及轴系找中研究

王 璐(华电福新江门能源有限公司， 江门 529000)

天然气分布式能源具有利用率高，污染物排放小等诸多优点。“十二五”以来，国家出台了一系列法律、法规、规划和标准等文件，并在政策方面积极扶持，为进一步发展天然气分布式能源奠定了良好的基础。对于电功率为5 MW以上的分布式供能系统，燃气轮机作为原动机占据了较大的比例[1]。

应用于分布式能源系统中的燃气轮机，与重型燃气轮机相比，具有功率低、转速高等特点，转速一般高于3 000 r/min，而发电机转速需要维持3 000 r/min。鉴于上述情况，分布式能源系统的燃气轮机与发电机无法直接连接，需增设齿轮箱，以匹配燃气轮机与发电机的转速。在重型燃气轮机-发电机组中，燃气轮机和发电机之间通过中间轴连接，通过中间轴两侧的张口值进行轴系找中。随着齿轮箱的引入，燃气轮机-发电机组轴系被分为高速轴部分(包括燃气轮机-中间轴-齿轮箱高速轴)和低速轴部分(包括齿轮箱低速轴-发电机)，两部分轴系需要分别找中。

本文以使用AE64.3A燃气轮机的华电福新江门分布式能源站项目为例，介绍了齿轮箱的相关结构及其对轴系和振动的影响，研究了带齿轮箱的燃气轮机-发电机组轴系找中方法。

1 AE64.3A燃气轮机简介

AE64.3A是安萨尔多公司一款小F等级燃气轮机，外观结构见图 1，整体结构紧凑，长、宽、高约为5.9 m、3.1 m、3 m，质量约60.6 t。华电福新江门分布式能源站应用的国内首台AE64.3A燃气轮机性能详见表 1，目前上海电气已经在燃气轮机市场上推出新版AE64.3A燃气轮机，出力可达78 MW，在国内市场上与GE公司的6F.03型燃气轮机参数相当[2-3]。

图1 AE64.3A燃气轮机外观结构

表1 AE64.3A燃气轮机性能

从表1中可以看出，AE64.3A燃气轮机转速为5 400 r/min，该转速无法与50 Hz发电机(对应转速3 000 r/min)直接匹配，通常的做法是在燃气轮机和发电机之间增加齿轮箱进行变速。

2 AE64.3A燃气轮机齿轮箱

2.1 齿轮箱参数与结构

AE64.3A燃气轮机配备的齿轮箱形式为单级变速齿轮箱，齿轮结构为人字齿，人字齿轮具有承载力强、工作平稳、轴向力小等优点[4]。齿轮箱具体参数及描述见表 2。

齿轮箱内部共有2根轴——高速轴(小齿轮)和低速轴(大齿轮)。其中高速轴与燃气轮机转子相连，低速轴与发电机转子相连。图2显示了齿轮箱上半箱体打开时的结构。高速轴和低速轴各有两个径向轴承支撑，每个轴承配备两个电涡流传感器测量轴振，在外缸上配备两个位移传感器，测量缸体振动。在高速轴与低速轴两侧的缸体上各开了一个人孔，用于目视检查齿轮的状态。在轴系对中后启机前以及满负荷运行后，分别需要检查齿轮啮合状况，这时需要打开两侧的人孔盖，检查齿轮的啮合状态是否满足设计要求。

表2 AE64.3A齿轮箱参数及描述

图2 齿轮箱结构

齿轮箱4个轴承均为椭圆瓦结构，与可倾瓦相比，椭圆瓦具有结构简单、承载能力强等优点，缺点是无法摆动，不能使负载均布。因此在工厂装配时，各轴瓦都要与转子和轴承座做接触试验，确保轴瓦载荷分布均匀。同时在工厂装配时，要记录齿轮箱四角的高度差，在现场安装时，通过测量四角高度差，使齿轮箱达到工厂装配时的状态。

2.2 齿轮箱齿轮受力情况分析

AE64.3A燃气轮机齿轮箱人字齿结构见图3。

图3 人字齿齿轮

取人字齿中的一对进行齿轮啮合受力分析。在齿轮啮合时，同一根轴上的2个齿轮旋向相反，所受到的轴向力方向相反，互相抵消。因此人字齿齿轮具有轴向载荷小的特点。此外，人字齿齿轮还具有承载能力高、工作平稳的优点。基于上述情况，在分析人字齿齿轮受力情况时，只考虑周向力和径向力两种，详见图4，其中Z1为主动轮，Z2为从动轮。

图4 人字齿中一对斜齿受力分析[5]

各个方向的力分析如下：

1)轴向力：以图 4为例，主动轮Z1受到的轴向力为Fa1，从动轮Z2的轴向力为Fa2。人字齿同一轴上两排齿轮大小相等，方向相反，互相抵消，因此一般不考虑轴向力。

2)周向力：主动轮周向力与旋转方向相反，从动轮周向力与旋转方向相同，详见图4中Ft1与Ft2。

3)径向力：方向指向圆心，详见图 4中Fr1与Fr2。

齿轮在旋转时受到上述周向力和径向力的影响，且随着燃气轮机出力的增加，转子之间传递的扭矩逐渐增加，周向力与径向力不断增大。逐步增加的周向力与径向力会大幅提高齿轮的啮合刚度，同时增加齿轮箱轴承受到的载荷，具体表现为随着燃气轮机出力的增加，齿轮箱的轴振会大幅降低，瓦温会逐步升高。这与燃气轮机转子在低负荷与高负荷的表现存在显著不同，对比如下：

1)齿轮箱转子轻，满转速空载时，轴承载荷轻，瓦温较低；燃气轮机不断升负荷至满载时，齿轮啮合处周向力与径向力增加，齿轮副啮合刚度增加，齿轮箱轴承载荷增大，瓦温升高，轴振呈现下降趋势，详见图5。当燃气轮机载荷增加时，瓦温升高且轴振下降。

2)燃气轮机转子重，满转速空载与满载相比，轴承载荷与瓦温变化不明显。此外燃气轮机满载与空载时相比，转子刚度变化不明显，轴振变化也不明显，详见图6。当燃气轮机载荷增加时，瓦温与轴振变化趋势不明显。

图5 齿轮箱低速轴燃机侧轴承满载与空载时瓦温与轴振曲线

图6 燃气轮机压气机轴承满载与空载时瓦温与轴振曲线

3 AE64.3A燃气轮机轴系找中研究

3.1 AE64.3A齿轮箱冷热态轴位移研究

燃气轮机、齿轮箱等旋转机械的转子在旋转时，由于转子重力与旋转速度的作用，转子的径向位置与静止时相比会发生改变，在考虑燃气轮机、齿轮箱等旋转机械的冷热态轴位移时，通常需要考虑上述位置变化。除此之外，对于齿轮箱转子冷热态轴位移，还需要考虑以下两点：

1)齿轮间作用力产生的位移。根据2.2节的研究，在运行过程中，随着齿轮箱传递的扭矩不断增大，人字齿齿轮受到周向力与径向力不断增加。在上述力的作用下，齿轮会沿受力方向产生相应的位移。齿轮箱高速轴(对应图4中的Z1)受到的周向力为+Z方向，受到的径向力为-Y方向，因此高速轴在+Z和-Y方向产生位移；齿轮箱低速轴(对应图4中的Z2)受到的周向力为-Z方向，受到的径向力为+Y方向，因此低速轴在-Z和+Y方向产生位移。

2)缸体热膨胀。燃气轮机-齿轮箱-发电机轴系布置示意图见图7，按图7所示的坐标系，考虑齿轮箱缸体在Y和Z方向上的膨胀量。其中齿轮箱缸体沿Z方向膨胀的基准点在高速轴与低速轴中心线中间点，因此高速轴沿Z轴膨胀方向为-Z方向，低速轴沿Z轴膨胀方向为+Z方向；齿轮箱缸体沿Y方向膨胀的基准点在基础底板处，因此高速轴与低速轴沿Y轴膨胀的方向均为+Y方向。

图7 AE64.3A燃气轮机-齿轮箱-发电机轴系布置示意图

3.2 AE64.3A燃气轮机轴系找中方法

图7中，找中的两对法兰面分别是中间轴-齿轮箱高速轴法兰面(如图7中B所示)、发电机-齿轮箱低速轴法兰面(如图7中C所示)。

轴系找中的目的是保证机组运行时整个轴系围绕同一根轴线旋转，然而由于燃气轮机、齿轮箱和发电机转子冷热态位移量不同，因此在冷态找中时，燃气轮机、齿轮箱和发电机转子不会完全对中，法兰面B、C存在圆心错位和法兰张口。

表3 冷热态轴位移

根据表3给出的冷热态位移量，假定热态运行时法兰面B、C圆心完全对中，则冷态时，法兰面B、C的偏心量见表4。

表4 轴系找中偏心量

对于AE64.3A燃气轮机，由于齿轮箱存在较大的周向力与径向力，而且齿轮箱转子在Z方向有较大的膨胀量，因此法兰面B和C的偏心量数值较大。

AE64.3A燃气轮机机组轴系找中分为两步：

1)在转子法兰面进止口前，找准转子法兰中心偏心量，同时测量法兰张口值，保证偏心量与张口值在图纸要求的范围内；

2)在转子法兰面进止口后，法兰中心偏心量为0，复测法兰张口值，保证张口值在图纸要求的范围内。

在理论计算中，转子法兰面进止口前的偏心量与张口值，和进止口后的张口值是一一对应的，进止口前的偏心量与张口值在图纸要求的公差范围内，则进止口后的张口值也在图纸要求的公差范围内。在现场的实际找中过程中，由于实际转子与理论模型之间存在偏差，实际找中过程存在一定的误差，同时图纸给出的公差范围较小，有时会出现进止口前的偏心量和张口值在公差范围内，而进止口后的张口值超出公差要求范围的情况。此时需根据进止口后张口值超差的多少进行判断，如超差较小，可以让步回用，如超差较多，需排查原因并进行调整。

4 结 论

本文介绍了AE64.3A燃气轮机的热力性能参数，重点分析了AE64.3A燃气轮机齿轮箱的结构特点。在此基础上，分析了齿轮之间的作用力以及齿轮箱对燃气轮机-发电机轴系特性的影响。由于齿轮箱冷热态轴位移与燃气轮机、发电机转子相比大很多，在冷态找中时，发电机与齿轮箱、齿轮箱与中间轴转子连接处法兰偏心量较大，AE64.3A燃气轮机机组找中方法与常规重型燃气轮机机组轴系有所不同，分为进止口前与进止口后两个步骤。在进止口前，应当控制偏心量与张口值；在进止口后，应当控制张口值。希望本文的研究能够为带齿轮箱的燃气轮机-发电机组轴系找中提供参考。