世家偉， 高聯(lián)歡， 杜 亞， 董家磊

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

汽輪機(jī)推力盤(pán)損壞原因分析及解決措施

世家偉， 高聯(lián)歡， 杜 亞， 董家磊

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

針對(duì)飽和蒸汽輪機(jī)推力盤(pán)的頻繁損壞，本文通過(guò)對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析找到了推力損壞的根本原因，并提出了兩項(xiàng)解決措施：通過(guò)穩(wěn)定蒸汽流量減小對(duì)推力盤(pán)的沖擊力；通過(guò)更換推力盤(pán)并進(jìn)行推力盤(pán)的激光焊接加固實(shí)現(xiàn)齒輪軸的再利用。

汽輪機(jī)； 推力盤(pán)； 損壞

0 前言

云南馳宏資源綜合利用有限公司動(dòng)力廠現(xiàn)使用的德國(guó)KK&K公司的10 MW飽和蒸汽發(fā)電機(jī)，自2007年1月正式投入運(yùn)行以來(lái)，出現(xiàn)汽輪機(jī)低壓軸推力盤(pán)損壞故障共6次，具體情況見(jiàn)表1所示。

表1 汽輪機(jī)推力盤(pán)損壞記錄

其中，推力盤(pán)損壞較為嚴(yán)重的有兩次，一次是2007年11月推力盤(pán)出現(xiàn)缺口，如圖1左側(cè)所示；另一次是2011年12月推力盤(pán)發(fā)生斷裂，圖1右側(cè)所示。

以上6次推力盤(pán)損壞是否存在相同的原因，應(yīng)采取何種措施才能延長(zhǎng)推力盤(pán)使用壽命，分析原因并尋求解決方案勢(shì)在必行、亟待解決。下面將對(duì)幾次故障進(jìn)行綜合分析，找出癥結(jié)所在。

1 原因分析

為了找出推力盤(pán)損壞原因，避免此類(lèi)事故再次發(fā)生，需要對(duì)汽輪機(jī)齒輪軸及推力盤(pán)的受力情況進(jìn)行分析。

1.1 汽輪機(jī)齒輪軸軸向力分析

圖1 推力盤(pán)損壞情況

汽輪機(jī)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)中齒輪軸的受力如圖2所示，其中FH為高壓蒸汽對(duì)高壓葉輪的軸向力；FaH為高壓軸齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力；FHT為大齒輪側(cè)面對(duì)高壓軸推力盤(pán)的軸向力；FL為低壓蒸汽對(duì)低壓葉輪的軸向力；FaL為低壓軸齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力；FLT為大齒輪側(cè)面對(duì)低壓軸推力盤(pán)的軸向力。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)軸向力分析

如圖2高壓側(cè)蒸汽流經(jīng)蝸殼靜葉膨脹對(duì)葉輪做功，高壓葉輪所受的軸向力方向指向發(fā)電機(jī)，該力與高壓軸齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力反向，高壓側(cè)推力盤(pán)軸向力平衡后有：

FHT=FaH-FH

(1)

式中FHT—大齒輪側(cè)面對(duì)高壓軸推力盤(pán)的軸向力，N；

FaH—高壓軸齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力，N；

FH—高壓蒸汽對(duì)高壓葉輪的軸向力，N；

低壓側(cè)蒸汽對(duì)葉輪做功后進(jìn)入凝汽器，射水抽汽器使低壓出口蒸汽形成負(fù)壓，低壓葉輪所受的軸向力方向背離發(fā)電機(jī)，該力與低壓軸齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力同向，低壓側(cè)推力盤(pán)軸向力平衡后有

FLT=FaL+FL

(2)

據(jù)KK&K公司提供的數(shù)據(jù)，其中：

FH=3 252 N；FaH=9 150 N；

FL=455 N；FaL=7 444 N。

以上數(shù)據(jù)分別代入公式(1)、(2)，得FHT=5 898 N，F(xiàn)LT=7 899 N。

可以看出，雖然高壓側(cè)小齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力要大于低壓側(cè)小齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力，但推力環(huán)的受力卻是低壓側(cè)比高壓側(cè)大近2 000 N。這也是為什么低壓側(cè)推力環(huán)損壞頻率高于高壓側(cè)推力環(huán)的原因。

1.2 推力盤(pán)接觸變形分析

圖3為低壓齒輪軸的裝配結(jié)構(gòu)，推力盤(pán)是通過(guò)過(guò)渡卡環(huán)與齒輪軸進(jìn)行裝配，它們之間采用過(guò)盈配合。為分析推力盤(pán)受力后的變形與應(yīng)力，采用有限元方法進(jìn)行分析。

圖3 齒輪軸裝配結(jié)構(gòu)

圖4 推力盤(pán)接觸變形云圖(mm)

簡(jiǎn)化大齒輪和齒輪模型，并施加大齒輪端面對(duì)低壓軸推力盤(pán)的軸向力FLT、小齒輪軸旋轉(zhuǎn)角速度及約束，推力盤(pán)、過(guò)渡卡環(huán)及齒輪軸之間按接觸問(wèn)題求解。求解結(jié)果如圖4所示。當(dāng)推力盤(pán)受軸向力FLT=1 100 N(設(shè)計(jì)載荷)時(shí)，推力盤(pán)沿軸向的變形量已達(dá)到0.049 mm，此時(shí)推力盤(pán)已不能滿(mǎn)足使用要求。也就是說(shuō)，當(dāng)大齒輪端面對(duì)推力盤(pán)的軸向力大于某一值時(shí)，會(huì)使推力盤(pán)發(fā)生傾斜或偏移，致使小齒輪軸振動(dòng)增大。若汽輪機(jī)仍然繼續(xù)運(yùn)行下去，大齒輪端面與推力盤(pán)側(cè)面某一點(diǎn)頻繁接觸，就可能引起推力盤(pán)局部點(diǎn)燒傷，降低推力盤(pán)強(qiáng)度，最終導(dǎo)致推力盤(pán)疲勞斷裂(2011年12月故障)。若推力盤(pán)傾斜度再大一點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生大齒輪端面碾壓推力盤(pán)，導(dǎo)致推力盤(pán)出現(xiàn)缺口(2007年11月故障)。

2 解決措施

2.1 穩(wěn)定蒸汽量

由煙化爐、艾薩爐冶煉工藝決定了進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽必然會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，蒸汽大幅度突變，會(huì)使推力盤(pán)所受軸向力瞬間增大，從而導(dǎo)致推力盤(pán)損壞。因此穩(wěn)定蒸汽流量也可視為延長(zhǎng)推力盤(pán)使用壽命的一種解決措施。

由于無(wú)法從蒸汽源處穩(wěn)定蒸汽流量，可行的辦法是讓從余熱鍋爐出來(lái)的蒸汽先進(jìn)入蒸汽蓄熱器[1]，再?gòu)男顭崞鞒鰜?lái)進(jìn)入汽輪機(jī)。蒸汽蓄熱器作為一種儲(chǔ)存熱能的設(shè)備，可以有效的穩(wěn)定蒸汽的波動(dòng)。

2.2 推力盤(pán)修復(fù)與加固

由推力盤(pán)的裝配結(jié)構(gòu)可知，對(duì)其進(jìn)行拆卸和更換是可行的，通過(guò)更換推力盤(pán)可實(shí)現(xiàn)小齒輪軸的再利用。從前面的受力分析可知，推力盤(pán)損壞表現(xiàn)在推力盤(pán)發(fā)生了傾斜或偏移。為了延長(zhǎng)推力盤(pán)的使用壽命，必須增大推力盤(pán)與過(guò)渡卡環(huán)的連接剛度。待新加工的過(guò)渡卡環(huán)、推力盤(pán)與齒輪軸裝配后，可采用激光焊接技術(shù)[2]在推力盤(pán)外側(cè)(非工作表面)與過(guò)渡卡環(huán)凸緣進(jìn)行焊接，焊接完成后再對(duì)推力盤(pán)內(nèi)側(cè)(工作表面)進(jìn)行精加工。增大推力盤(pán)與過(guò)渡卡環(huán)連接剛度，可減小推力盤(pán)的受力變形量，使變形量在允許的范圍內(nèi)，從而延長(zhǎng)推力盤(pán)使用壽命。

3 結(jié)論

推力盤(pán)的結(jié)構(gòu)和受力特征決定了推力盤(pán)只能承受較小載荷，當(dāng)蒸汽流量發(fā)生突變時(shí)，就可能導(dǎo)致推力盤(pán)損壞。

延長(zhǎng)推力盤(pán)使用壽命可采取以下兩種措施：

(1) 增設(shè)蒸汽蓄熱器，在蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)前，先進(jìn)入儲(chǔ)熱設(shè)備蓄熱器，從而緩沖蒸汽流量的突變。

(2) 采用激光焊接裝配后的過(guò)渡卡環(huán)和推力盤(pán)，增大推力盤(pán)與過(guò)渡卡環(huán)的連接剛度。

[1] 張渝，段瓊，彭嵐.蒸汽蓄熱器的原理及應(yīng)用[J].節(jié)能，2006，(5).

[2] 蘇寶蓉，姚建華.齒輪激光焊接技術(shù)與運(yùn)用[J].電力機(jī)車(chē)技術(shù)，2002，25(4)：20-21.

Reason Analysis and Solving Measures of Damage of Turbine Thrust Pad

SHI Jia-wei，GAO Lian-huan，DU Ya，DONG Jia-lei

Owing to the frequent damage of turbine thrust pad, the paper finds out the reasons of damage of turbine thrust pad, the paper puts forward two measures also, by installing a heat reservoir can reduce the force to thrust pad, and replacement and reinforce of damaged thrust pad can reuse the gear shaft.

turbine；thrust pad；damage

2015-08-26

世家偉(1979-)，男，云南曲靖人，機(jī)械工程師，碩士研究生，主要從事設(shè)備管理工作。

TK26

B

1003-8884(2015)06-0038-03