660 MW機(jī)組主油泵齒輪斷齒原因分析

劉養(yǎng)浩

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司 福建晉江）

一、前言

2臺(tái)660 MW超臨界、單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽凝汽式燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組（編號(hào)為5#、6#機(jī)組，以下同）由北京重型電機(jī)廠生產(chǎn)，發(fā)電機(jī)采用水氫氫冷卻方式，勵(lì)磁系統(tǒng)為無(wú)刷勵(lì)磁方式。該機(jī)組于2008年12月竣工投產(chǎn)。

2012年以來(lái)，經(jīng)常出現(xiàn)主油泵傳動(dòng)齒輪斷齒問(wèn)題，故障頻率也越來(lái)越頻繁。圖1給出了主油泵齒輪軸系結(jié)構(gòu)。主油泵位于主軸機(jī)頭方向左側(cè)，通過(guò)斜齒輪嚙合由主軸驅(qū)動(dòng)。主油泵承擔(dān)著機(jī)械潤(rùn)滑作用，一旦主油泵可靠性降低，將危及汽輪機(jī)的安全、可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成汽輪機(jī)斷油燒瓦事故。在主油泵軸和次軸上的危急保安器飛錘還可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的機(jī)械超速保護(hù)。主油泵齒輪斷齒會(huì)造成齒輪振動(dòng)增大，影響機(jī)械超速保護(hù)的安全、可靠性。齒輪斷齒問(wèn)題成為影響機(jī)組安全、可靠運(yùn)行的安全隱患。

圖1 660 MW汽輪機(jī)前箱主油泵、主軸布置圖

二、故障現(xiàn)象

2012年2月以來(lái)，5#、6#汽輪機(jī)前箱開始出現(xiàn)齒輪斷裂問(wèn)題。至2012年底，由此所導(dǎo)致的機(jī)組正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最短的只有一周，最長(zhǎng)的也就兩個(gè)多月，因齒輪斷裂已經(jīng)導(dǎo)致7次非計(jì)劃停機(jī)。按每次停運(yùn)5天計(jì)算，2012年機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間已有35天。為了解決主油泵齒輪斷齒問(wèn)題，廠方分別將5#機(jī)和6#機(jī)的1#瓦由原來(lái)的圓筒型瓦改為多油楔型瓦和橢圓瓦，對(duì)主軸與次軸和副軸之間的傳動(dòng)齒輪進(jìn)行了精確調(diào)整和檢修等，在一定程度上延長(zhǎng)了齒輪使用周期，但是故障并沒(méi)有得到徹底解決。

三、主油泵齒輪斷齒失效分析

檢查發(fā)現(xiàn)，主油泵齒輪的齒都是在根部斷裂，齒面僅有輕微磨損，沒(méi)有出現(xiàn)剝落、膠合、磨損等嚴(yán)重問(wèn)題，究其原因應(yīng)是疲勞斷裂。

由金屬材料疲勞破壞機(jī)制可知，材料在交變應(yīng)力和應(yīng)變作用下，某點(diǎn)或某些點(diǎn)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了永久變化，在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或發(fā)生斷裂。金屬疲勞破壞可分為疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂3個(gè)階段。疲勞破壞與靜力破壞有著本質(zhì)不同。在交變荷載作用下，零件交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限情況下，破壞就有可能發(fā)生。疲勞裂紋在宏觀上表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的突然斷裂，這一特性使疲勞破壞具有更大的危險(xiǎn)性。疲勞破壞是一個(gè)累積過(guò)程，需要經(jīng)歷一定的時(shí)間歷程，甚至很長(zhǎng)的時(shí)間歷程。

根據(jù)分析，主油泵齒輪的齒發(fā)生疲勞斷裂的原因有：材料及熱處理不好，造成齒輪疲勞損壞；齒輪間隙調(diào)整不當(dāng)，引起齒輪傳動(dòng)中產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊等情況；齒輪嚙合過(guò)程中，受到外部振動(dòng)或者是交變激振力作用，致使齒輪上的齒彎曲應(yīng)力出現(xiàn)局部過(guò)載，造成齒輪疲勞損壞。齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩增大。

四、主油泵齒輪損壞故障原因分析

將主油泵、主油泵齒輪和主油泵軸上的危急保安器（飛錘），作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)看待，在汽輪機(jī)正常運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)的外部驅(qū)動(dòng)部件是汽輪機(jī)主軸上的主動(dòng)齒輪。如果汽輪機(jī)振動(dòng)比較大，特別是在主軸齒輪處的振動(dòng)比較大，就會(huì)對(duì)主軸上主動(dòng)齒輪和主油泵上從動(dòng)齒輪間的嚙合產(chǎn)生影響。齒輪之間有一定間隙，在振動(dòng)的擾動(dòng)下就會(huì)導(dǎo)致較大脈動(dòng)，在主油泵齒輪上產(chǎn)生交變作用力，進(jìn)而導(dǎo)致主油泵齒輪疲勞損壞。

汽輪機(jī)運(yùn)行幾年后，轉(zhuǎn)子可能會(huì)出現(xiàn)不平衡。根據(jù)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中各個(gè)軸頸處的振動(dòng)情況，包括振動(dòng)頻率、相位和幅值等，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子上的平衡重量，以達(dá)到平衡汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的目的。受結(jié)構(gòu)條件限制，高壓轉(zhuǎn)子加配重比較困難。為了降低1#瓦振動(dòng)，加重平面有時(shí)選擇在高壓轉(zhuǎn)子外側(cè)與小軸連接的對(duì)輪處。

該型汽輪機(jī)主軸不是直接拖動(dòng)主油泵和危急保安器，而是通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)拖動(dòng)。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子1#瓦外端加配重，就會(huì)在主動(dòng)齒輪處產(chǎn)生一個(gè)額外重量。該重量對(duì)1#瓦以外的懸臂軸來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)不平衡重量。此時(shí)，主軸上主動(dòng)齒輪作用在主油泵上的力，就不是均勻的，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率為1倍工頻的交變力。這個(gè)力使相互嚙合的齒輪出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)載，加速了主油泵齒輪疲勞，并引起主油泵齒輪齒斷裂。所加平衡重量越大，主油泵齒輪持續(xù)運(yùn)行時(shí)間就越短，越容易疲勞斷裂。

五、試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）在每次更換的新齒輪上，標(biāo)上和主軸齒輪在嚙合處的相對(duì)應(yīng)的標(biāo)志（標(biāo)為0位），以確定下一次所損壞的齒是否位于主軸齒輪處所加平衡重量的附近。如果將主油泵齒輪和主軸齒輪同時(shí)更換，那么相互嚙合齒輪0位的確定，應(yīng)根據(jù)主軸上的所加的平衡重量在圓周上的位置來(lái)確定。那么如果在下一次斷齒的位置位于0位附近，則說(shuō)明影響主油泵齒輪損壞的主要因素就是轉(zhuǎn)子上所加的平衡重量引起的。試驗(yàn)結(jié)果表明，1#瓦端加配重對(duì)主油泵斷齒會(huì)產(chǎn)生較大影響。

（2）如果靠近主油泵齒輪處的軸瓦燒損故障發(fā)生在齒輪系的外側(cè)，而遠(yuǎn)離主油泵齒輪的軸瓦燒損發(fā)生在齒輪系的內(nèi)側(cè)，則說(shuō)明燒瓦是由于主軸上齒輪的偏心振動(dòng)引起的。這種現(xiàn)象在以前所發(fā)生的主油泵支持軸承和推力軸承鎢金磨損情況中得到證實(shí)。2012年12月的檢修中，發(fā)現(xiàn)直徑60 mm的瓦上，鋼瓦東側(cè)（沿機(jī)頭方向看）有磨損，2013年2月檢查中又發(fā)現(xiàn)直徑90 mm的瓦西側(cè)磨損，直徑60 mm的瓦東側(cè)磨損，主油泵推力瓦西側(cè)磨損嚴(yán)重，東側(cè)不嚴(yán)重。2013年5臨修中發(fā)現(xiàn)，主油泵直徑90 mm的瓦西側(cè)有磨損痕跡。

（3）5#機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子前軸封處彎曲0.038 mm，調(diào)節(jié)級(jí)后軸彎曲0.028 mm，彎曲值較小。6#機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子前軸封處彎曲0.050 mm，調(diào)節(jié)級(jí)后彎曲0.060 mm。6#機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子彎曲度比5#機(jī)組大，6#機(jī)組加在1#瓦處的平衡配重相應(yīng)也較大。5#機(jī)組主油泵齒輪和軸承運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)100天，而6#機(jī)組持續(xù)運(yùn)行時(shí)間很短。由此說(shuō)明，加重量越大，對(duì)齒輪所產(chǎn)生的疲勞損傷越大。

六、結(jié)論

（1）該型機(jī)組汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子找平衡時(shí)，應(yīng)該盡量減少在1#瓦外側(cè)對(duì)輪上的加重量，該平面不宜作為主要的平衡面。

（2）改進(jìn)齒輪加工和熱處理工藝，通過(guò)提高表面光潔度、精度等級(jí)等措施，延長(zhǎng)輪齒耐疲勞性能。

采取上述措施后，主油泵齒輪再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)斷齒問(wèn)題，徹底消除了齒輪斷齒故障。