某厂660MW机组轴系动平衡对主油泵齿轮断齿的影响分析及处理刘养浩

某厂660MW机组轴系动平衡对主油泵齿轮断齿的影响分析及处理刘养浩

刘养浩

（福建晋江天然气发电有限公司福建晋江362251）

摘要：介绍了某电厂2台660MW汽轮发电机组上发生的前箱主油泵齿轮断齿故障现象。通过对机组运行和检修数据的分析，指出机头小轴悬臂布置时，为了降低高压转子振动而在#1轴承外侧对轮上加配重量后，会形成脉动激振力作用到齿轮上，导致齿轮断齿。加重量越大，对齿轮的危害越大。该平面不宜作为动平衡时的首选加重面。

关键词：汽轮机；振动；主油泵；齿轮；断齿分析

1.前言

某电厂三期2×660MW超临界、单轴、一次中间再热、三缸两排汽凝汽式燃煤汽轮发电机组（编号为#5、#6机组，以下同）由北京重型电机厂提供，发电机采用水氢氢冷却方式，励磁系统为无刷励磁方式。该机组于2008年12月竣工投产。

2012年以来，经常出现主油泵传动齿轮断齿问题，故障频率也越来越频繁。图1给出了主油泵齿轮轴系结构。主油泵位于主轴机头方向左侧，通过斜齿轮啮合由主轴驱动。主油泵承担着机械润滑作用，一旦主油泵可靠性降低，将危及汽轮机的安全、可靠运行，严重时会造成汽轮机断油烧瓦事故。在主油泵轴和次轴上的危急保安器飞锤还可以实现汽轮机的机械超速保护。主油泵齿轮断齿会造成齿轮振动增大，影响机械超速保护的安全、可靠性。齿轮断齿问题成为影响机组安全、可靠运行的安全隐患。

图1660MW汽轮机前箱主油泵、主轴布置图

2.故障现象

2012年2月以来，5号、6号汽轮机前箱开始出现齿轮断裂问题。至2012年底，由此所导致的机组正常连续运行时间最短的只有一周，最长的也就两个多月，因齿轮断裂已经导致7次非计划停机。按每次停运5天计算，2012年机组强迫停运时间已有35天。为了解决主油泵齿轮断齿问题，厂方分别将5号机和6号机的#1瓦由原来的圆筒型瓦改为多油楔型瓦和椭圆瓦，对主轴与次轴和副轴之间的传动齿轮进行了精确调整和检修等，在一定程度上延长了齿轮使用周期，但是故障并没有得到彻底解决。

3.主油泵齿轮断齿失效分析

检查发现，主油泵齿轮的齿都是在根部断裂，齿面仅有轻微磨损，没有出现剥落、胶合、磨损等严重问题，究其原因应是疲劳断裂。

由金属材料疲劳破坏机制可知，材料在交变应力和应变作用下，某点或某些点产生了逐渐的永久结构变化，在一定循环次数后形成裂纹或发生断裂。金属疲劳破坏可分为疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和失稳断裂3个阶段。疲劳破坏与静力破坏有着本质不同。在交变荷载作用下，零件交变应力在远小于材料强度极限情况下，破坏就有可能发生。疲劳裂纹在宏观上表现为无明显塑性变形的突然断裂，这一特性使疲劳破坏具有更大的危险性。疲劳破坏是一个累积过程，需要经历一定的时间历程，甚至很长的时间历程。

根据分析，主油泵齿轮的齿发生疲劳断裂的原因有：

（1）材料及热处理不好，造成齿轮疲劳损坏；

（2）齿轮间隙调整不当，引起齿轮传动中产生振动、冲击等情况；

（3）齿轮啮合过程中，受到外部振动或者是交变激振力作用，致使齿轮上的齿弯曲应力出现局部过载，造成齿轮疲劳损坏。

（4）齿轮传递力矩增大。

4.主油泵齿轮损坏故障原因分析

将主油泵、主油泵齿轮和主油泵轴上的危急保安器飞锤作为一个独立系统看待，在汽轮机正常运行的情况下，这个系统的外部驱动部件是汽轮机主轴上的主动齿轮。如果汽轮机振动比较大，特别是在主轴齿轮处的振动比较大，就会对主轴上主动齿轮和主油泵上从动齿轮间的啮合产生影响。齿轮之间有一定间隙，在振动的扰动下，就会导致较大的脉动，在主油泵齿轮上产生交变作用力，并进而导致主油泵齿轮疲劳损坏。

汽轮机运行几年后，转子可能会出现不平衡。根据机组启动过程中各个轴颈处的振动情况，包括振动频率、相位和幅值等，可以计算出转子上的平衡重量，以达到平衡汽轮机转子的目的。受结构条件限制，高压转子加配重比较困难。为了降低#1瓦振动，加重平面有时选择在高压转子外侧与小轴相连接的对轮处。

该型汽轮机具有一定特殊性。汽轮机主轴不是直接拖动主油泵和危急保安器，而是通过齿轮机构来拖动。在汽轮机转子1号瓦外端加配重，就会在主动齿轮处产生一个额外重量。该重量对1号瓦以外的悬臂轴来说，就是一个不平衡重量。此时，主轴上主动齿轮作用在主油泵上的力，就不是均匀的，还会产生一个频率为1倍工频的交变力。这个力使相互啮合的齿轮出现瞬时过载，加速了主油泵齿轮疲劳，并引起主油泵齿轮齿断裂。所加平衡重量越大，主油泵齿轮持续运行时间就越短，越容易疲劳断裂。

5.试验验证

为了验证该因素的影响，我们进行以下试验验证：

（1）在每次更换的新齿轮上，标上和主轴齿轮在啮合处原0位相对应的的标志，以确定下一次所损坏的齿是否位于主轴齿轮处所加平衡重量的附近。如果我们将主油泵齿轮和主轴齿轮同时更换，那么相互啮合齿轮的0位的确定，应根据主轴上的所加的平衡重量在圆周上的位置来确定。那么如果在下一次断齿的位置位于0位的附近，则说明影响主油泵齿轮损坏的主要因素就是转子上所加的平衡重量引起的。试验结果表明，1号瓦端加配重对主油泵断齿会产生较大影响；

（2）如果靠近主油泵齿轮处的轴瓦烧损故障发生在齿轮系的外侧，而远离主油泵齿轮的轴瓦烧损发生在齿轮系的内侧，则说明烧瓦是由于主轴上齿轮的偏心振动引起的。这种现象在以前所发生的主油泵支持轴承和推力轴承钨金磨损情况中得到证实。2013年5月7日—5月23日临修中发现主油泵Ø90mm瓦西侧有磨损痕迹，2012年12月10日—12月13日检修中发现Ø60mm瓦的上钢瓦东侧（沿机头方向看）有磨损，2013年2月18日—2月20日检查中发现Ø90mm瓦西侧磨损，Ø60mm瓦东侧磨损，主油泵推力瓦西侧磨损严重，东侧不严重；

（3）5号机组高压转子前轴封处弯曲0.038mm，调节级后轴弯曲0.028mm，弯曲值较小。6号机组高压转子前轴封处弯曲0.050mm，调节级后弯曲0.060mm。6号机组高压转子弯曲度比5号机组大，6号机组加在1号瓦处的平衡配重相应也较大。5号机组主油泵齿轮和轴承运行时间已超过100天，而6号机组持续运行时间很短。由此说明，加重量越大，对齿轮所产生的疲劳损伤越大。

6.结论

（1）该型机组汽轮机高压转子找平衡时，应该尽量减少在1号瓦外侧对轮上的加重量，该平面不宜作为主要的平衡面；

（2）改进齿轮加工和热处理工艺，通过提高表面光洁度、精度等级等措施，提高齿轮齿疲劳寿命。

采取上述措施后，主油泵齿轮再也没有出现过断齿问题，彻底消除了齿轮断齿故障。

作者简介：

刘养浩（1963-），男，陕西人，高级工程师，长期从事电厂技术管理工作，现任福建晋江天然气发电有限公司安全高级主管。