某F級(jí)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)液壓盤車故障分析與處理

李慶有，劉家琛，呂勇根

（上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海201306）

0 引言

汽輪機(jī)盤車裝置是帶動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，盤車裝置分為電動(dòng)盤車、液壓盤車和手動(dòng)盤車，均由驅(qū)動(dòng)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成[1-2]。

盤車裝置在汽輪機(jī)非工作狀態(tài)下運(yùn)行，即在汽輪機(jī)啟機(jī)過程中退出，在汽輪機(jī)停機(jī)過程中投運(yùn)。它是汽輪機(jī)非工作狀態(tài)下，減小上下汽缸溫差、減少轉(zhuǎn)子熱變形和重力變形、降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)力矩的核心設(shè)備[3-12]。因?yàn)槠啓C(jī)缸體和轉(zhuǎn)子尺寸較大，其上下缸溫差異過大會(huì)導(dǎo)致汽缸和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲變形，進(jìn)而對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生無法修復(fù)的損壞。因而，汽輪機(jī)盤車裝置運(yùn)行的安全與否，將直接決定著汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全與否。

某電廠擁有西門子公司生產(chǎn)的F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，其汽輪機(jī)采用液壓盤車裝置。該類型盤車裝置因其特殊的工作原理和精密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)安裝工藝、供油品質(zhì)和運(yùn)行維護(hù)等方面要求較高。同時(shí)，該類型液壓盤車裝置也廣泛應(yīng)用于我國(guó)大型火力發(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組[5]，因此關(guān)于該類型汽輪機(jī)液壓盤車裝置的典型故障分析與處理顯得尤為重要。本文詳細(xì)介紹了該類型盤車裝置的一次典型故障過程，并根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和解體情況，對(duì)該典型故障的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了多項(xiàng)針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施和優(yōu)化方案，為同類型盤車裝置的安全運(yùn)行和故障處理提供借鑒。

1 液壓盤車裝置

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該液壓盤車裝置主要由液壓馬達(dá)、齒套聯(lián)軸器、離合器、傳動(dòng)軸等組成，如圖1所示。其中，離合器為離心非接觸式超速離合器，由離合器外環(huán)組件和內(nèi)環(huán)組件組成，外環(huán)組件通過齒套聯(lián)軸器與液壓馬達(dá)連接，內(nèi)環(huán)組件通過鍵銷與傳動(dòng)軸連接，傳動(dòng)軸再通過齒套方式與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子剛性連接；離合器軸承為徑向滾珠軸承，安裝在離合器外環(huán)組件上；傳動(dòng)軸軸承為徑向-軸向聯(lián)合軸承，軸向雙側(cè)分別與傳動(dòng)軸推力面和傳動(dòng)軸推力盤接觸，承受傳動(dòng)軸雙向軸向推力。

圖1 液壓盤車裝置結(jié)構(gòu)

整個(gè)盤車裝置安裝在發(fā)電機(jī)組中低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子末端，與轉(zhuǎn)子同軸布置。液壓馬達(dá)位于軸系的最前端，通過齒套聯(lián)軸器與離合器相連，并將扭矩傳遞給離合器，然后離合器通過傳動(dòng)軸來驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 工作原理

盤車裝置離合器為自動(dòng)嚙合型離合器，當(dāng)離合器內(nèi)環(huán)組件轉(zhuǎn)速低于外環(huán)組件轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器自動(dòng)嚙合；當(dāng)內(nèi)環(huán)組件轉(zhuǎn)速高于外環(huán)轉(zhuǎn)組件速時(shí)，離合器自動(dòng)脫開；當(dāng)內(nèi)環(huán)組件超過一定轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器完全脫開，避免與外環(huán)組件接觸磨損[5-6]，如圖2所示。

圖2 離心非接觸式超速離合器原理

盤車裝置的供油系統(tǒng)如圖3所示，由頂軸油和潤(rùn)滑油系統(tǒng)同時(shí)供油，向盤車提供液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)油和軸承潤(rùn)滑油，然后通過回油孔的回油完成油循環(huán)。汽輪機(jī)備用狀態(tài)下，盤車控制電磁閥打開，高壓頂軸油通過調(diào)流閥控制流量，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)以一定轉(zhuǎn)速（48～54 r/min，盤車轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于馬達(dá)轉(zhuǎn)速，離合器自動(dòng)嚙合，液壓馬達(dá)帶動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子以盤車轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。汽輪機(jī)啟機(jī)后當(dāng)轉(zhuǎn)速超過盤車轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器自動(dòng)脫開，液壓馬達(dá)空轉(zhuǎn)；隨后，控制電磁閥關(guān)閉，盤車退出，為防止盤車裝置內(nèi)部在退出期間發(fā)生靜止腐蝕，向液壓馬達(dá)輸送少量潤(rùn)滑油，使液壓馬達(dá)以6～12 r/min緩 慢 轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，盤車裝置傳動(dòng)軸與離合器內(nèi)環(huán)組件一起，隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子以3 000 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 汽輪機(jī)盤車系統(tǒng)

2 故障經(jīng)過

該液壓盤車裝置在機(jī)組盤車過程中，曾發(fā)生過多次轉(zhuǎn)速緩慢下降現(xiàn)象，最嚴(yán)重時(shí)，盤車轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min降至31 r/min。但現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)聲音、振動(dòng)等異?，F(xiàn)象。往上追溯，該機(jī)組在新機(jī)投運(yùn)初期，曾發(fā)生過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子抱死故障。隨后，在該盤車裝置定期維護(hù)過程中，檢查發(fā)現(xiàn)其傳動(dòng)軸推力間隙實(shí)測(cè)值大于2.0 mm，標(biāo)準(zhǔn)值為0.20±0.02 mm，嚴(yán)重不合格。于是將該盤車裝置解體，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸推力盤磨損0.5 mm，如圖4所示。而且盤車裝置腔室內(nèi)部發(fā)現(xiàn)較多金屬碎屑。傳動(dòng)軸軸承與推力盤接觸面磨損約2.0 mm，如圖5所示。

圖4 傳動(dòng)軸推力盤磨損情況

圖5 傳動(dòng)軸軸承磨損情況

離合器靠近推力盤側(cè)軸向面也存在輕微磨損，如圖6所示。盤車裝置漏打回油孔，只是在回油孔位置進(jìn)行了沖鉚標(biāo)記，如圖7和圖1所示。

圖6 離合器軸向磨損情況

圖7 盤車裝置外殼漏打回油孔

3 故障分析

從解體情況可以明顯看出，運(yùn)行過程中盤車轉(zhuǎn)速多次下降的直接原因?yàn)閭鲃?dòng)軸軸承與推力面直接接觸碰磨。傳動(dòng)軸軸承與推力面發(fā)生碰磨的可能原因有：傳動(dòng)軸軸向受力過大；軸承與推力面之間的油膜被破壞或不能建立；裝置內(nèi)部存在雜質(zhì)等其他因素。針對(duì)以上原因，具體分析。

3.1 傳動(dòng)軸軸向受力過大

盤車裝置傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子采用齒套連接，嚙合間隙較小，意味著其對(duì)兩軸的同軸度要求比較高，對(duì)中標(biāo)準(zhǔn)較高。而汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與傳動(dòng)軸尺寸量級(jí)不同，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子要長(zhǎng)的多，正常情況下都會(huì)因?yàn)橹亓Φ纫蛩卮嬖谝欢ǖ膹澢?，累積到轉(zhuǎn)子末端都會(huì)產(chǎn)生一定的揚(yáng)度。因此，較容易發(fā)生傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子同軸度超標(biāo)，導(dǎo)致傳動(dòng)軸軸向受力增加，進(jìn)而引發(fā)軸承磨損。具體分析如下。

（1）傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中不良

該類型盤車裝置對(duì)安裝工藝要求非常高，要求機(jī)組在冷態(tài)和熱態(tài)兩種狀態(tài)下，傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子同軸度都要小于0.10 mm。但是，安裝對(duì)中工作一般只能在機(jī)組冷態(tài)時(shí)進(jìn)行，而冷態(tài)靜置時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子有一定的揚(yáng)度，與熱態(tài)時(shí)彎曲度不同。因此，為保證機(jī)組冷熱狀態(tài)都符合工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，就要考慮轉(zhuǎn)子冷熱態(tài)的彎曲度差別。如果安裝人員對(duì)中時(shí)沒有考慮這一因素，就容易造成機(jī)組熱態(tài)時(shí)對(duì)中誤差較大，導(dǎo)致盤車傳動(dòng)軸軸向受力過大，引起軸承與推力面接觸磨損。

（2）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲度過大

該機(jī)組基建結(jié)束投運(yùn)后不久，曾發(fā)生過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子抱死情況，說明該汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子至少發(fā)生過局部變形、彎曲度超標(biāo)的情況。在這種情況下，傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的同軸度也會(huì)超標(biāo)，導(dǎo)致傳動(dòng)軸軸向受力過大，引發(fā)軸承磨損。

3.2 油膜被破壞或不能建立

（1）油循環(huán)不能正常進(jìn)行

如果盤車裝置回油不暢，未建立起有效的油循環(huán)，將導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果：①盤車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)排出，導(dǎo)致盤車裝置內(nèi)的油溫過高，油品劣化，無法建立起有效油膜，不能避免軸承與推力面接觸，進(jìn)而引發(fā)軸承和推力盤的磨損；②盤車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)不能及時(shí)排出，油品不能得到凈化，導(dǎo)致油膜被破壞，從而引發(fā)軸承和推力盤的接觸和磨損。

檢查中發(fā)現(xiàn)該盤車外殼漏打回油孔，導(dǎo)致盤車裝置內(nèi)的離合器軸承、傳動(dòng)軸軸承和離合器的潤(rùn)滑油無法回油，油循環(huán)不能正常進(jìn)行，就屬于這種情況。

（2）推力間隙測(cè)量不準(zhǔn)確

裝配過程中，盤車傳動(dòng)軸推力間隙的標(biāo)準(zhǔn)為0.20±0.02 mm。以往都是通過深度尺測(cè)量傳動(dòng)軸推力端面和推力盤端面之間的距離，然后再測(cè)量傳動(dòng)軸軸承高度，兩者之差為理論推力間隙。但是該方法存在較大的測(cè)量誤差，如果誤差的方向剛好導(dǎo)致實(shí)際的推力間隙過小，就會(huì)造成軸承與推力面之間的油膜太薄或無法建立，從而引起軸承和推力盤的接觸和磨損。

3.3 雜質(zhì)影響等其他因素

如果在盤車裝置加工、安裝過程中遺留有部分鐵屑、焊渣等雜質(zhì)，或是盤車裝置供油系統(tǒng)中存在雜質(zhì)，進(jìn)入盤車裝置內(nèi)部后，一是可能會(huì)對(duì)軸承、齒套、離合器內(nèi)外環(huán)組件等造成損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生金屬鐵屑，即新的雜質(zhì)，在油品監(jiān)測(cè)過濾不到位的情況下，會(huì)形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致盤車裝置故障，盤車轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或無法運(yùn)行；二是可能會(huì)造成盤車控制電磁閥或調(diào)流閥堵塞，使液壓馬達(dá)不能正常工作，盤車無法正常運(yùn)行。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中不良和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲度過大為盤車傳動(dòng)軸軸承磨損誘發(fā)因素；漏打回油孔導(dǎo)致油循環(huán)不能正常進(jìn)行和推力間隙測(cè)量不準(zhǔn)確為傳動(dòng)軸軸承磨損惡化和盤車轉(zhuǎn)速變化影響因素；存在內(nèi)部雜質(zhì)為傳動(dòng)軸軸承磨損可能性因素。

4 改進(jìn)措施

針對(duì)以上各種影響因素，現(xiàn)從生產(chǎn)制造、基建安裝、運(yùn)行維護(hù)等多個(gè)方面提出改進(jìn)措施。

（1）機(jī)組啟停過程中，加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)缸體和轉(zhuǎn)子溫度的監(jiān)控，控制溫升和溫降速度，密切關(guān)注疏水情況，盡量避免轉(zhuǎn)子熱彎曲或是轉(zhuǎn)子抱死的發(fā)生。停機(jī)過程中，運(yùn)行人員還要做好避免轉(zhuǎn)子抱死的應(yīng)對(duì)措施，準(zhǔn)備好手動(dòng)盤車工具，出現(xiàn)盤車卡澀時(shí)，立即手動(dòng)盤車。

（2）優(yōu)化盤車傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中工藝流程。為保證機(jī)組冷熱態(tài)對(duì)中數(shù)據(jù)均符合要求，盤車對(duì)中安裝過程中需考慮轉(zhuǎn)子軸系彎曲，具體步驟應(yīng)為：①手動(dòng)盤車至少2 h，降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子重力彎曲；②通過百分表測(cè)量盤車安裝端面與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子端面瓢偏度；③根據(jù)測(cè)量得到的瓢偏度加裝楔形墊片；④對(duì)中、安裝盤車裝置。同時(shí)，安裝找中人員要嚴(yán)格按照汽輪機(jī)和盤車裝置安裝說明書要求進(jìn)行安裝。

（3）優(yōu)化推力間隙測(cè)量工藝。盤車裝置在裝配過程中，可通過百分表直接測(cè)量傳動(dòng)軸推力間隙，避免間接測(cè)量；并與理論值對(duì)比驗(yàn)證，避免裝配差錯(cuò)。

（4）補(bǔ)打回油孔，保證油循環(huán)正常運(yùn)行，避免回油不暢引發(fā)的雜質(zhì)聚集和軸承溫度增加。

（5）保證盤車裝置內(nèi)部清潔度。加強(qiáng)盤車裝置出廠前或是委外修理過程中的監(jiān)督，避免盤車裝置內(nèi)部雜質(zhì)殘留或是生銹；儲(chǔ)存過程中，做好盤車裝置的保養(yǎng)，防止銹蝕或雜質(zhì)污染；安裝前盤車裝置內(nèi)部需進(jìn)行油沖洗，直到油品化驗(yàn)合格。運(yùn)行時(shí)，須保證供油油質(zhì)的清潔，定期對(duì)供油油質(zhì)檢查化驗(yàn)。

通過綜合運(yùn)用以上改進(jìn)措施，該機(jī)組盤車裝置運(yùn)行至今一直狀態(tài)良好，未曾發(fā)生過盤車轉(zhuǎn)速異常變化、軸承磨損等情況。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某F級(jí)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)液壓盤車裝置的一次典型故障，從盤車裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和現(xiàn)場(chǎng)解體情況等各個(gè)方面，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中不良和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲度過大為盤車傳動(dòng)軸軸承磨損誘發(fā)因素；漏打回油孔導(dǎo)致油循環(huán)不能正常進(jìn)行和推力間隙測(cè)量不準(zhǔn)確為傳動(dòng)軸軸承磨損惡化和盤車轉(zhuǎn)速變化影響因素；存在內(nèi)部雜質(zhì)為傳動(dòng)軸軸承磨損可能性因素。根據(jù)以上原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以從根本上避免該類故障的再次發(fā)生，為同類型機(jī)組盤車裝置的安全運(yùn)行提供借鑒。