核電盤車裝置相位齒輪損壞原因分析及改進(jìn)

段增輝

摘 要：詳細(xì)介紹了東方百萬等級核電汽輪機盤車裝置的結(jié)構(gòu)和控制原理，分析了電廠調(diào)試過程中出現(xiàn)的相位齒輪損壞原因，并提出了相關(guān)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：核電汽輪機；盤車裝置；相位齒輪；轉(zhuǎn)動慣量

中圖分類號：TK268 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.057

盤車裝置是汽輪機發(fā)電機組的必要設(shè)備，機組啟動前和停機過程中都需要對軸系進(jìn)行盤車。機組啟動前，盤車能盤直轉(zhuǎn)子、檢查動靜碰磨。投軸封前和汽輪機停機時，必須及時投盤車，以免轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲。

半轉(zhuǎn)速核電汽輪機體積龐大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大，同時，核電站可靠性要求高，調(diào)試期間試驗項目多，所以，對盤車裝置的機械性能、操控性能提出了更高的要求。引進(jìn)型百萬等級核電汽輪機采用SSS離合器盤車裝置，該裝置軸向嚙合、沖擊力小，能有效保護汽輪機轉(zhuǎn)子。但是，在某核電廠汽輪機調(diào)試期間，出現(xiàn)了盤車相位齒輪損壞的情況。本文主要分析了出現(xiàn)這一問題的原因，并提出了相關(guān)的改進(jìn)措施。

1 相位齒輪損壞情況

在某核電廠汽輪機調(diào)試的過程中，作主輔電切換試驗。在試驗前，機組正常盤車，當(dāng)主電切斷后，潤滑油泵、頂軸油泵和盤車電機停運。25 s后投輔電，盤車重新啟動，但是，盤車在規(guī)定時間內(nèi)因未能接收到正確的嚙合信號而跳閘。

隨后檢查發(fā)現(xiàn)，盤車相位齒輪嚙合端齒形發(fā)生扭曲變形，如圖1所示。但是，裝在大軸上的大齒輪完好無損，其他齒輪也無損傷。

2 盤車裝置介紹

2.1 盤車裝置工作原理

該盤車裝置為電液操控，軸向嚙合式盤車裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電機通過蝸桿蝸輪機構(gòu)帶動盤車軸轉(zhuǎn)動，在盤車軸的外圓和小齒輪內(nèi)圓之間有螺旋滑道。小齒輪的嚙合端裝有一個特制齒輪——相位齒輪，用于與大齒輪預(yù)嚙合。相位齒齒形比小齒輪的齒形略細(xì)，更易于嚙合。其材質(zhì)選用軟鋼，這樣即使與大齒輪強烈碰撞，也能利用相位齒輪自身材料損壞來保護大齒輪。盤車動力油是由三通電磁閥控制的，當(dāng)電磁閥打開時，動力油推動小齒輪向大齒輪靠近；當(dāng)相位齒輪齒與大齒輪齒隙對上時，在動力油的作用下，小齒輪軸向移動，實現(xiàn)與大齒輪的嚙合。

當(dāng)機組轉(zhuǎn)速上升時，大齒輪會給小齒輪一個反力矩，小齒輪便會沿著螺旋滑道向脫開大齒輪的方向移動直至脫開。在盤車過程中電機停運，小齒輪失去動力，也會受到大齒輪施加的反力矩翻轉(zhuǎn)而脫開。

該盤車置還配備了控制器和監(jiān)測設(shè)備。轉(zhuǎn)速探測器P1、P2測量大軸轉(zhuǎn)速，P3測小齒輪轉(zhuǎn)速，位置探測器S2、S3分別測量盤車是否嚙合和退出。同時，由控制器判斷監(jiān)測信號，以控制盤車裝置的運行。

2.2 盤車裝置運行控制

選擇啟動盤車后，盤車裝置如圖3所示運行。

由圖3可知，可以在以下情況下投盤車。

2.2.1 停機狀態(tài)投盤車

控制器用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速探測器P1、P2判斷機組轉(zhuǎn)速是否大于盤車轉(zhuǎn)速。如果不是，再確認(rèn)轉(zhuǎn)速是否為零，如果轉(zhuǎn)速為零，則為停機狀態(tài)。如果電磁閥帶電，則小齒輪被推至與大齒輪接觸。然后盤車電機啟動，小齒輪旋轉(zhuǎn)至相位齒輪與大齒輪輪齒無干涉時，軸向移動與大齒輪嚙合。當(dāng)完全嚙合后（S2觸發(fā)）電磁閥關(guān)閉，轉(zhuǎn)子開始盤車。

2.2.2 降速過程投盤車

在降速過程中，控制器利用轉(zhuǎn)速探測器P1、P2、P3判斷出汽輪機轉(zhuǎn)速大于盤車轉(zhuǎn)速。這時，先啟動盤車電機，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速降至盤車轉(zhuǎn)速時，電磁閥帶電，將小齒輪推向大齒輪嚙合。嚙合后關(guān)閉電磁閥，轉(zhuǎn)子開始盤車。

3 原因分析

從控制過程中可以看出，為了減小大小齒輪的沖擊，該盤車裝置要求相對靜態(tài)嚙合，即當(dāng)嚙合時，大、小齒輪的線速度相等，要么全部靜止，要么兩者都在盤車轉(zhuǎn)速。

如果齒形扭曲變形，則為相位齒輪和大齒輪的強烈沖擊所致。有此沖擊，投入時，兩者之間肯定存在較大的轉(zhuǎn)速差。當(dāng)出現(xiàn)這種轉(zhuǎn)速差時，小齒輪和大齒輪接觸瞬間會有2種極端的情況出現(xiàn)：①轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，小齒輪靜止或者轉(zhuǎn)速很低；②轉(zhuǎn)子靜止或者轉(zhuǎn)速很低，小齒輪轉(zhuǎn)速高。

在試驗過程中，汽輪機組一直沒有升速，此次投盤車為圖3所示的停機狀態(tài)投盤車。當(dāng)相位齒輪能與大齒輪接觸時，就說明電磁閥已經(jīng)帶電。根據(jù)停機狀態(tài)投盤車邏輯的要求，電磁閥帶電需滿足已確認(rèn)“汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零”。因此，可以基本排除第一種極端的情況。

要想找到出現(xiàn)這種情況的根本原因，就需要知道主電斷電25 s后投輔電后，汽輪機轉(zhuǎn)子與小齒輪接觸時各自的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。當(dāng)汽輪機和小齒輪脫開后，都會有一段惰走時間，所以，必須經(jīng)過相關(guān)計算或測量。

3.1 汽輪機轉(zhuǎn)子惰走時間計算

試驗結(jié)果表明，斷電后，汽輪機轉(zhuǎn)子惰走時間很短，在25 s后投盤車時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已為零。因此，可以完全排除第一種大齒輪與小齒輪的接觸情況——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，小齒輪靜止或者轉(zhuǎn)速很低。

3.2 小齒輪惰走時間測量

斷電后，在盤車電機和小齒輪惰走期間，所受阻力為電機軸承摩擦力、離合器軸承摩擦力和蝸輪蝸桿間的摩擦力。

經(jīng)現(xiàn)場測量，小齒輪惰走時間為78 s。

由上述計算和測量結(jié)果可知，大齒輪與小齒輪的實際接觸情況為第二種，即轉(zhuǎn)子靜止，小齒輪以比較高的轉(zhuǎn)速惰走。

在試驗過程中，主電切斷后，盤車電機、頂軸油泵停運。汽機轉(zhuǎn)子在無頂軸油的情況下受到了很大的摩擦力，在不到1 s的時間內(nèi)很快完成惰走。在OFF命令發(fā)出25 s后，DCS對盤車裝置發(fā)出ON 指令。此時，汽輪機轉(zhuǎn)速已為零，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速探測器P1、P2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照停機狀態(tài)投盤車。將邏輯電磁閥打開，推動帶相位齒輪的小齒輪與大齒輪嚙合，此時，小齒輪還在高速旋轉(zhuǎn)。相位齒輪與大齒輪接觸后會產(chǎn)生強烈的碰撞，導(dǎo)致相位齒輪被損壞。

4 改進(jìn)措施

從以上分析中可以發(fā)現(xiàn)，盤車在機組停機狀態(tài)下啟動的過程中，控制邏輯中只有汽輪機轉(zhuǎn)速為零的確認(rèn)，但是，并沒有小齒輪轉(zhuǎn)速確認(rèn)。如果小齒輪與此次試驗的情況一樣還在惰走，那么，就不能保證小齒輪與大齒輪靜態(tài)嚙合。

針對以上結(jié)論，對該盤車裝置進(jìn)行了改進(jìn)。

4.1 增加小齒輪轉(zhuǎn)速為零的確認(rèn)

原控制邏輯停機狀態(tài)投盤車流程中，在確認(rèn)了汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零后，增加“小齒輪轉(zhuǎn)速為零”的確認(rèn)，以保證盤車裝置真正的靜態(tài)嚙合，如圖4所示。

4.2 延長盤車再啟動的時間間隔

增加了小齒輪轉(zhuǎn)速確認(rèn)后，從邏輯上可以保證盤車裝置不被誤投入。為了保險起見，又增加了盤車再啟動時間間隔的設(shè)定，規(guī)定停盤車與盤車再啟動之間的最小時間間隔為120 s。該間隔遠(yuǎn)大于電機和小齒輪的惰走時間，也能排除測量誤差引起的誤操作。

采取了改進(jìn)措施后，該盤車裝置再也沒有出現(xiàn)誤投入的情況。后續(xù)臺份采用了相同的改進(jìn)方式，也沒出現(xiàn)過類似的故障。這證明以上改進(jìn)是行之有效的。

5 結(jié)束語

在主輔電切換試驗中，汽輪機轉(zhuǎn)子快速完成惰走，小齒輪惰走時間很長。當(dāng)盤車快速再投入后，大小齒輪在有大轉(zhuǎn)速差的情況下發(fā)生了激烈的碰撞，這是造成相位齒輪損壞的根本原因。在此需要注意的是，在盤車狀態(tài)下進(jìn)行該試驗，大軸會在無頂軸的狀態(tài)下惰走。這樣做不符合汽輪機運行說明書的要求，容易造成轉(zhuǎn)子損傷，建議此類試驗不要在盤車狀態(tài)下操作。

增加小齒輪零轉(zhuǎn)速確認(rèn)和盤車再投入延時，能夠有效防止小齒輪在惰走狀態(tài)投入，進(jìn)而保護盤車裝置不受損傷。

相位齒輪扭曲變形，而大齒輪沒有損傷。這說明，相位齒輪采用軟鋼材質(zhì)能達(dá)到以犧牲相位齒輪來保護大齒輪的目的。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕

Abstract： This paper introduces in detail the structure and control principle of Oriental 1 000 MW class nuclear power steam turbine jigger device， analyzes the power plant commissioning process in phase gear damage causes， and put forward the relevant improvement measures.

Key words： nuclear steam turbine； winch； phase gear； inertia