汽輪機(jī)盤車用自動(dòng)離合器的工作原理及運(yùn)行

王濤　盧平

摘? 要：文章介紹了一種汽輪機(jī)盤車裝置中采用的自動(dòng)盤車離合器的結(jié)構(gòu)、工作原理及其運(yùn)行過(guò)程。自動(dòng)離合器沒有棘輪、棘齒結(jié)構(gòu)，與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不同軸，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞載荷大，能夠自動(dòng)嚙合、純機(jī)械自動(dòng)脫開，安全可靠，具有廣泛的借鑒參考意義。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);盤車;自動(dòng)嚙合;自動(dòng)脫開;離合器

中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）34-0050-02

Abstract： This paper introduces the structure， working principle and operation process of an automatic turning clutch used in a steam turbine turning device. Automatic clutch has no ratchet or ratchet structure， is different from steam turbine rotor shaft， has a compact structure， large transfer load， automatic meshing， pure mechanical automatic detachment， safe and reliable， thereby has a wide range of reference significance.

Keywords： steam turbine; turning; automatic meshing; automatic release; clutch

引言

盤車裝置是保證汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組安全的重要設(shè)備，在啟動(dòng)預(yù)熱階段和停機(jī)后，汽缸內(nèi)上、下部蒸汽存在溫度或局部溫度不均，為使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受熱均勻，防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子因溫差發(fā)生彎曲事故，需要配置盤車裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。因汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子價(jià)值很高，發(fā)生彎曲事故損失很大，因而盤車裝置的安全、穩(wěn)定、可靠就非常重要。

從實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，盤車裝置最容易出現(xiàn)的故障就是盤車裝置的嚙合和脫開的過(guò)程。能實(shí)現(xiàn)盤車裝置的自動(dòng)嚙合和自動(dòng)安全脫開的自動(dòng)離合器是非常必要的。

本文介紹一種在多個(gè)百萬(wàn)千萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)組中使用的，能夠?qū)崿F(xiàn)盤車裝置穩(wěn)定可靠地自動(dòng)嚙合和脫開的全自動(dòng)低速重載離合器。

1 盤車裝置簡(jiǎn)介

盤車裝置布置于汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)頭側(cè)的前軸承箱內(nèi)，主要由盤車電機(jī)、離合器，盤車大齒輪等部件組成。盤車大齒輪套裝在汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的前端與轉(zhuǎn)子組成一體隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng);離合器的主軸與轉(zhuǎn)子平行布置，離合器上的盤車小齒輪可相對(duì)離合器主軸軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)盤車的嚙合和脫開;盤車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，盤車電機(jī)臥式布置于箱體外側(cè)，并與離合器的主軸垂直布置，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖1所示。

2 離合器的結(jié)構(gòu)

離合器主要由主軸（帶螺旋花鍵槽）、小齒輪、定相齒輪、蝸輪蝸桿、軸承、電磁閥、位置傳感器等零部件組成。與盤車電機(jī)相連的蝸輪將電機(jī)動(dòng)力通過(guò)蝸桿傳遞至主軸，主軸通過(guò)小齒輪傳遞至盤車大齒輪，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。離合器同時(shí)具有減速的作用，通過(guò)蝸輪、蝸桿和小齒輪、大齒輪的齒數(shù)比設(shè)置，將盤車電機(jī)轉(zhuǎn)速750RPM減至盤車轉(zhuǎn)速8RPM。離合器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

小齒輪外徑齒與盤車大齒輪外徑齒配合，定相齒輪緊固在小齒輪與盤車大齒輪初始嚙合的區(qū)域，三者均為直齒。初始嚙合區(qū)域在離合器嚙合時(shí)需要承受沖擊載荷，定相齒輪使用較軟材質(zhì)，可保護(hù)盤車大齒輪，定相齒輪的存在同時(shí)也可以保護(hù)小齒輪。定相齒輪尺寸較小，且更換易操作，更換成本也相對(duì)更換盤車大齒輪和小齒輪低。

小齒輪內(nèi)徑與主軸外徑為螺旋花鍵配合結(jié)構(gòu)。當(dāng)小齒輪外側(cè)與盤車大齒輪少量或全部嚙合時(shí)，如果存在轉(zhuǎn)速差，小齒輪將相對(duì)主軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的同時(shí)小齒輪將沿主軸軸線方向運(yùn)動(dòng)。

主軸靠近蝸輪側(cè)設(shè)有嚙合用供油口，電磁閥通電后供油進(jìn)入小齒輪左端部與主軸凸出結(jié)構(gòu)組成的腔室A，用于推動(dòng)小齒輪軸向運(yùn)動(dòng)。

主軸中心孔能夠持續(xù)供油。供油至主軸與小齒輪之間的腔室B能夠潤(rùn)滑螺旋花鍵，推動(dòng)小齒輪軸向運(yùn)動(dòng)，脫開時(shí)使小齒輪保持在脫開位置。供油至腔室C能夠吸收完全嚙合時(shí)的沖擊。嚙合用供油和中心孔能持續(xù)供油為同一油源，具有相同的油壓。

在嚙合和脫開的位置均設(shè)有位置傳感器，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)離合器“嚙合”或“脫開”的狀態(tài)，結(jié)合盤車裝置的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)盤車的自動(dòng)化控制。

3 離合器的工作原理

根據(jù)離合器工作的受力情況，可將其分為4個(gè)過(guò)程。

3.1 脫開至初始嚙合

電磁閥通電使腔室A進(jìn)油，因腔室A面積大于腔室B，腔室A對(duì)小齒輪向右（圖2中所示的右側(cè)，下文左、右均按相同參照）的軸向力大于腔室B對(duì)小齒輪向左的軸向力，在二力差值的作用下小齒輪向右運(yùn)動(dòng)。小齒輪右移離開腔室A之前，小齒輪上的定相齒輪已經(jīng)與盤車大齒輪實(shí)現(xiàn)初始嚙合。

3.2 初始嚙合至完全嚙合

初始嚙合后，小齒輪與盤車大齒輪具有相同的等效轉(zhuǎn)速（零或者小于等效盤車轉(zhuǎn)速），盤車主軸轉(zhuǎn)速等于等效盤車轉(zhuǎn)速，即主軸的轉(zhuǎn)速大于小齒輪轉(zhuǎn)速，且小齒輪與大齒輪為直齒，可軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)主軸和小齒輪螺旋花鍵配合處，主軸對(duì)小齒輪的使小齒輪向右運(yùn)動(dòng)的力矩T1大于小齒輪對(duì)主軸的力矩T2，小齒輪向右運(yùn)動(dòng)，直至T1=T2，達(dá)到盤車轉(zhuǎn)速。

3.3 完全嚙合至脫開

完全嚙合至脫開的過(guò)程與初始嚙合至完全嚙合過(guò)程相反。當(dāng)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（即盤車大齒輪轉(zhuǎn)速）超過(guò)盤車轉(zhuǎn)速，主軸和小齒輪螺旋花鍵配合處，小齒輪對(duì)主軸的使小齒輪向左運(yùn)動(dòng)的力矩T2大于主軸對(duì)小齒輪的力矩T1，小齒輪沿軸向向左運(yùn)動(dòng)直至脫開。

3.4 脫開后

小齒輪完全脫開后，在腔室B油壓力的作用下繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，腔室B的油壓同時(shí)能使小齒輪保持在脫開位置，防止小齒輪與高速旋轉(zhuǎn)的盤車大齒輪碰擦發(fā)生損壞事故。

4 盤車裝置運(yùn)行簡(jiǎn)述

選擇啟動(dòng)盤車后，控制系統(tǒng)判斷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速是否大于盤車轉(zhuǎn)速8RPM，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速小于盤車轉(zhuǎn)速且為零，電磁閥通電使盤車嚙合然后啟動(dòng)盤車電機(jī)，持續(xù)盤車。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于盤車轉(zhuǎn)速則先啟動(dòng)電機(jī)，等到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降到盤車轉(zhuǎn)速后電磁閥通電使盤車嚙合。持續(xù)盤車后，汽輪機(jī)準(zhǔn)備好在加速超過(guò)盤車轉(zhuǎn)速后脫離。若不再盤車，離合器脫開后，切斷盤車電機(jī)，盤車處于備用狀態(tài);若還需盤車，則選擇啟動(dòng)盤車，將判定小齒輪是否脫離嚙合，如已經(jīng)脫離嚙合，則等到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降到盤車轉(zhuǎn)速后電磁閥通電使盤車重新嚙合，如未脫離嚙合，則繼續(xù)盤車，直至汽輪機(jī)加速脫開（圖3）。

5 離合器的嚙合過(guò)程

5.1 啟動(dòng)前的嚙合過(guò)程

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為零。

5.1.1 當(dāng)盤車系統(tǒng)收到啟動(dòng)盤車的指令后，判定轉(zhuǎn)速為零后，電磁閥通電，使供油進(jìn)入腔室A，使小齒輪朝與盤車大齒輪嚙合的方向作運(yùn)動(dòng)。

5.1.2 當(dāng)小齒輪軸向運(yùn)動(dòng)至即將離開腔室A時(shí)，小齒輪上的定相齒輪與盤車大齒輪已嚙合。

5.1.3 盤車電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

5.1.4 離合器部分嚙合后，位置傳感器反饋信息，控制系統(tǒng)切斷電磁閥，腔室A油壓消失。

5.1.5 主軸旋轉(zhuǎn)，使小齒輪繼續(xù)軸向運(yùn)動(dòng)直至完全嚙合。小齒輪和主軸相對(duì)靜止，帶動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，保持盤車狀態(tài)。

5.2 停機(jī)后的嚙合過(guò)程

停機(jī)后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速持續(xù)降低，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的盤車轉(zhuǎn)速時(shí)，盤車裝置離合器能夠自動(dòng)嚙合。

5.2.1 在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于盤車轉(zhuǎn)速時(shí)，選擇啟動(dòng)盤車指令。轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)盤車電機(jī)。

5.2.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至設(shè)定的盤車轉(zhuǎn)速后，電磁閥接通，內(nèi)部油壓使小齒輪朝與盤車大齒輪嚙合的方向軸向運(yùn)動(dòng)。

5.2.3 離合器部分嚙合后，位置傳感器反饋信息。

5.2.4 主軸旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)切斷電磁閥，內(nèi)部油壓消失。小齒輪繼續(xù)軸向運(yùn)動(dòng)直至完全嚙合。小齒輪和主軸相對(duì)靜止，帶動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，保持盤車狀態(tài)。

6 離合器的脫開過(guò)程

離合器的脫開是全自動(dòng)的機(jī)械動(dòng)作，不需要控制系統(tǒng)操作。

（1）汽輪啟動(dòng)后，在蒸汽作用下，盤車大齒輪的轉(zhuǎn)速大于盤車輸入轉(zhuǎn)速，因螺旋花鍵結(jié)構(gòu)，盤車大齒輪對(duì)小齒輪有反向力，使小齒輪向脫開方向軸向運(yùn)動(dòng)。（2）主軸中心孔向腔室B的供油使小齒輪運(yùn)動(dòng)至完全脫離位置，供油同時(shí)能避免小齒輪軸向運(yùn)動(dòng)至與盤車大齒輪接觸，保證盤車裝置的安全。（3）位置傳感器顯示完全脫開，汽輪機(jī)可以加速?zèng)_轉(zhuǎn)。（4）主控室下達(dá)取消盤車指令，盤車電機(jī)停止。

7 結(jié)束語(yǔ)

盤車裝置的自動(dòng)離合器已在多個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組中實(shí)際應(yīng)用，效果良好。自動(dòng)離合器結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞載荷大，能夠自動(dòng)嚙合、純機(jī)械自動(dòng)脫開，易損件更換成本低，結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，工作原理先進(jìn)，在相關(guān)工程領(lǐng)域具有廣泛的借鑒參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐禮，劉緒芳.SSS離合器設(shè)計(jì)特點(diǎn)及在發(fā)電設(shè)備中的應(yīng)用[J].東方汽輪機(jī)，2015（1）：20-23.

[2]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)：第二卷：汽輪機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[3]東方汽輪機(jī)有限公司.主盤車運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)[Z].2012-11.