GE LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)IGB齒輪箱故障淺析

于曉峰，李振，江濤，于凱杰，尹梽安，馮守宇

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司；2.天津?yàn)I海概念人力資源有限公司，天津 300452）

GE LM2500+G4是一種簡(jiǎn)單循環(huán)的雙軸燃?xì)廨啓C(jī)，由GG 和動(dòng)力渦輪機(jī)（PT）組成，是LM2500燃?xì)廨啓C(jī)的直接衍生產(chǎn)品。其具有高壓縮比、軸流設(shè)計(jì)、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于各種機(jī)械驅(qū)動(dòng)、發(fā)電、工業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)。LM2500+G4主要組成為：GG 配備17級(jí)高壓壓縮輪盤、燃燒器和2級(jí)高壓渦輪輪盤；動(dòng)力渦輪擁有6級(jí)輪盤；進(jìn)排氣系統(tǒng)；輔助變速箱（AGB），包括變速箱（TGB）總成和進(jìn)氣齒輪箱總成（IGB）；VSV控制系統(tǒng)；燃油系統(tǒng)（噴嘴和歧管）；點(diǎn)火系統(tǒng)（點(diǎn)火器和勵(lì)磁器）；發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)（油箱少，冷卻器和過(guò)濾器）。本文主要故障發(fā)生在IGB、TGB、徑向驅(qū)動(dòng)軸以及AGB之間，在分析故障前需要了解4個(gè)部件之間的結(jié)構(gòu)與原理。

圖1 GE LM2500+G4機(jī)組平面圖

圖2 IGB主體結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，IGB總成由鑄鋁外殼、主軸、一堆斜角齒輪、軸承和噴油嘴組成。鑄鋁外殼通過(guò)螺紋鑲嵌在CFF輪轂上，上面安裝2個(gè)球軸承和1個(gè)滾柱軸承，里面有內(nèi)部的油道及噴嘴以供齒輪和軸承潤(rùn)滑，主軸通過(guò)軸向旋轉(zhuǎn)，在后端用花鍵與前軸相配合。主軸前段安裝在錐面齒輪上，由1個(gè)雙球軸承進(jìn)行支撐。

徑向驅(qū)動(dòng)軸是1個(gè)在兩端帶齒輪的空心軸，通過(guò)與錐形齒輪緊密配合連接著IGB與TGB，功能是將動(dòng)力從TGB傳送到IGB，該軸包含剪切功能，防止發(fā)生故障損壞附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

TGB由1組直角傘型齒輪和水平傳動(dòng)軸組成，其中水平驅(qū)動(dòng)軸將動(dòng)力傳輸從AGB傳輸過(guò)來(lái)，每個(gè)錐型齒輪由1個(gè)雙球軸承和滾柱軸承固定。套管底部的檢修蓋便于徑向傳動(dòng)軸的安裝。

圖3 TGB主體結(jié)構(gòu)圖

AGB總成由兩件式鋁制外殼、齒輪、軸承、密封件、油嘴和附件適配器組成。插件齒輪在所有輔助適配器和怠速齒輪在尾部（輔助）應(yīng)用。這使得整個(gè)齒輪、軸承、密封和適配器總成可以在不拆卸變速箱的情況下拆卸和更換。每個(gè)正齒輪由1個(gè)套管安裝滾子軸承的一端和1個(gè)適配器安裝的球軸承的另一端支撐連接。輔助驅(qū)動(dòng)正齒輪是內(nèi)部花鍵，內(nèi)管和油嘴以提供齒輪和軸承的潤(rùn)滑。

1 GE LM2500+G4機(jī)組IGB齒輪箱故障概述

如圖4所示，液壓?jiǎn)?dòng)馬達(dá)將動(dòng)力傳輸給AGB，然后AGB通過(guò)軸向的動(dòng)力傳輸軸將動(dòng)力傳輸給TGB，TGB通過(guò)傘形齒輪將傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換方向通過(guò)徑向傳動(dòng)軸傳輸給IGB，IGB通過(guò)傘形齒輪將TGB傳過(guò)來(lái)的力轉(zhuǎn)換成水平力，從而達(dá)到機(jī)組啟動(dòng)的目的。IGB在機(jī)組啟動(dòng)中起到非常關(guān)鍵的作用。IGB一旦損壞，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法啟動(dòng)，為避免出現(xiàn)IGB出現(xiàn)重大損壞，所以在AGB、TGB與IGB滑油供給油路與回油路上安裝金屬碎屑收集器，當(dāng)金屬碎屑收集器上吸附的金屬碎屑到達(dá)一定量后，會(huì)降低金屬碎屑收集器電阻從而達(dá)到報(bào)警目的。在本次的故障中，正是金屬碎屑收集器發(fā)出報(bào)警，機(jī)組緊急停機(jī)才沒(méi)有造成更大的損失。經(jīng)過(guò)檢查判定本次故障是IGB軸承滾動(dòng)體涂層脫落導(dǎo)致軸承磨損嚴(yán)重產(chǎn)生金屬碎屑。本次損壞軸承工作狀態(tài)下只承受徑向力，并不承受軸向力，所以軸承本身不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度疲勞、過(guò)度磨損等。

圖4 LM2500+G4機(jī)組IGB示意圖

2 GE LM2500+G4機(jī)組IGB齒輪箱故障原因分析

通過(guò)查閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)資料，最終對(duì)于本次故障原因分析主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 機(jī)組本身全合成潤(rùn)滑油成分超標(biāo)（如表1所示）

表1 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)潤(rùn)滑油技術(shù)要求

潤(rùn)滑油能夠潤(rùn)滑軸承、齒輪和一些花鍵。此外，潤(rùn)滑油還應(yīng)用于控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。必須按照GE維保操作手冊(cè)規(guī)定對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行溫度控制并保持清潔，以充分體現(xiàn)它的功能作用。正常供應(yīng)溫度應(yīng)為保持在 140~160℉（59.9~71.1℃），在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于4,500rpm或怠速狀態(tài)下，最低供應(yīng)壓力為8~15psig（55.2~103.4kPa表壓）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于8000rpm時(shí)，供氣壓力＞15psig（103.4kPa表壓）。

GE手冊(cè)關(guān)于潤(rùn)滑油執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與要求如下：附錄A7通用電氣飛機(jī)用潤(rùn)滑油規(guī)范-燃?xì)廨啓C(jī)，符合A7.1節(jié)中列出的美國(guó)國(guó)防部（DoD）規(guī)范的石油可用于通用電氣飛機(jī)衍生燃?xì)鉁u輪機(jī)，只要它們列在本規(guī)范的合格產(chǎn)品清單（QPL）中。商用合成基礎(chǔ)潤(rùn)滑油可用于GE飛機(jī)衍生燃?xì)廨啓C(jī)，只要它們列于A7.4節(jié)中。此類油主要符合第A7.2節(jié)中的油的基本要求。A7.2適用文件以下文件在本文規(guī)定的范圍內(nèi)構(gòu)成了本規(guī)范的一部分。除非規(guī)定了特定的問(wèn)題，否則應(yīng)采用最新的修訂版本。MIL-L-23699-潤(rùn)滑油，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)合成油。MIL-L-23699-潤(rùn)滑油渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，合成油。潤(rùn)滑油應(yīng)符合MIL-L-23699的規(guī)定，但應(yīng)考慮以下例外情況：STMD2532進(jìn)行測(cè)試時(shí)的低溫粘度根據(jù)ASTMD97測(cè)試時(shí)的澆點(diǎn)，當(dāng)根據(jù)ASTMD445進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在104℉（40℃）和212℉（100℃）下的粘度SBAG基礎(chǔ)庫(kù)存組成石油供應(yīng)商應(yīng)提供MIL-L-23699的具體變化，以及性能差異影響，供GE審查。潤(rùn)滑油應(yīng)與符合MILL-23699或符合MIL-L-7808標(biāo)準(zhǔn)的油混合，其比例應(yīng)高達(dá)兩者的5%，而不會(huì)對(duì)大多數(shù)油的性能完整性或操作油產(chǎn)生不利影響。A7.4.1性能測(cè)試石油供應(yīng)商應(yīng)按照MIL-L-23699進(jìn)行測(cè)試，并將結(jié)果與其中所述的要求進(jìn)行比較。所有結(jié)果，特別是對(duì)MIL-L23699要求的變化，應(yīng)在服務(wù)評(píng)估測(cè)試之前與GEM&I一起進(jìn)行審查。提交審查的材料至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：MIL-L-23699的物理化學(xué)性質(zhì)和變化，由于屬性變化而對(duì)操作系統(tǒng)產(chǎn)生的預(yù)期影響，材料兼容性清單和測(cè)試結(jié)果不合格油結(jié)試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 滑油化驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 合成油油箱內(nèi)部

通過(guò)取樣化驗(yàn)得知滑油酸值參數(shù)超出廠家規(guī)定0.5mgkOH/g的標(biāo)準(zhǔn)。參考GB/7304-2000標(biāo)準(zhǔn)及其他文獻(xiàn)中總結(jié)。潤(rùn)滑油長(zhǎng)時(shí)間在設(shè)備內(nèi)運(yùn)行，容易受到溫度變化、氧氣含量和其他條件的影響，導(dǎo)致發(fā)生氧化，產(chǎn)生一系列的氧化物，在眾多氧化物中危害最大的酸性物質(zhì)主要是羧基酸、環(huán)烷酸、瀝青質(zhì)等。設(shè)備使用過(guò)程中的潤(rùn)滑油酸值越高，則代表滑油的污染程度越高。潤(rùn)滑油中含有的酸性物質(zhì)會(huì)在加工過(guò)程中、使用過(guò)程中出現(xiàn)較高溫度（75℃及以上）的情況下快速增加。同時(shí)油品中的酸性物質(zhì)會(huì)對(duì)含有Cu、Fe、Al、Cr等元素合金金屬材料產(chǎn)生腐蝕。使用中的設(shè)備潤(rùn)滑油如果酸值增加，說(shuō)明油品已經(jīng)重度污染，破壞油品潤(rùn)滑性能，造成軸承滾動(dòng)體表面圖層脫落，產(chǎn)生金屬碎屑導(dǎo)致軸承滾動(dòng)體與滑道損壞，隨滑油流動(dòng)到達(dá)機(jī)組及其軸承，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

2.2 引起滑油酸值高的原因

我們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)逐一進(jìn)行檢查：滑油冷卻器、滑油雙聯(lián)濾器、滑油箱、滑油加熱器等，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)滑油箱及加熱器進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)一些其他問(wèn)題。

（1）現(xiàn)場(chǎng)滑油液位為滿足機(jī)組運(yùn)行要求，沒(méi)有到達(dá)規(guī)定液位，導(dǎo)致部分加熱管裸露在滑油液位上部。

（2）通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)滑油加熱器拆除后檢查發(fā)現(xiàn)，在加熱管上的膠狀物結(jié)痂與積碳，明顯屬于過(guò)加熱現(xiàn)象。

根據(jù)對(duì)滑油箱的檢查得出，油位液面沒(méi)有完全淹沒(méi)加熱管，導(dǎo)致加熱管部分暴露于空氣導(dǎo)致局部過(guò)加熱。電加熱器安裝位置與加熱管設(shè)計(jì)存在缺陷，導(dǎo)致加熱管不能完全浸沒(méi)在油面以下，導(dǎo)致無(wú)法完全對(duì)滑油進(jìn)行加熱，降低加熱效率，造成油箱局部存在過(guò)度加熱現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致滑油酸值愈來(lái)愈高。

3 結(jié)語(yǔ)

由分析可知，AGB金屬碎屑收集器發(fā)生報(bào)警故障，主要原因?yàn)闈?rùn)滑油酸值過(guò)高導(dǎo)致IGB滾動(dòng)軸承體涂層腐蝕剝落，隨著滑油中碎屑越積越多，造成碎屑收集器發(fā)生報(bào)警故障，根本原因在于滑油電加熱器設(shè)計(jì)存在缺陷，以造成滑油箱局部過(guò)加熱問(wèn)題，建議按照GE LM2500+G4操作維修手冊(cè)定期進(jìn)行滑油檢驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)滑油加熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，以徹底解決該故障。