某型汽輪機超速脫扣試驗淺析

曾建華，趙悅涵，蔡佐君，劉克成

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

汽輪機是高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速一旦超過允許的轉(zhuǎn)速范圍，就會造成設(shè)備的嚴(yán)重事故。為了防止機組超速產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，汽輪機須設(shè)計超速保護(hù)裝置來保護(hù)機組的安全。汽輪機的超速保護(hù)裝置具有多種不同的結(jié)構(gòu)型式，本文討論的某型汽輪機的超速保護(hù)裝置采用超速脫扣的結(jié)構(gòu)，該型汽輪機在連續(xù)的超速脫扣試驗中經(jīng)常出現(xiàn)試驗不成功、超速保護(hù)失敗等現(xiàn)象。通過分析其結(jié)構(gòu)，找到試驗失敗的原因，并提出優(yōu)化改進(jìn)建議，以提高其可靠性。

1 超速脫扣裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1給出了該型超速脫扣裝置的連桿結(jié)構(gòu)，圖2給出了危急遮斷器的結(jié)構(gòu)。此種超速脫扣裝置由危急遮斷器及超速脫扣連桿組成，其中連桿機構(gòu)與機組速關(guān)閥的閥桿聯(lián)鎖，危急遮斷器則安裝在轉(zhuǎn)子軸上的垂直孔中。

圖1 超速脫扣連桿簡圖

圖2 危急遮斷器簡圖

速關(guān)閥全開后，可被脫扣連桿的結(jié)構(gòu)作用鎖住（即掛鉤），從而保證速關(guān)閥的可靠打開；當(dāng)機組一旦發(fā)生超速情況時，危急遮斷器中的飛錘在離心力作用下迅速飛出，擊打在脫扣連桿的外側(cè)懸臂桿，使圖中連桿順時針轉(zhuǎn)動，使連桿結(jié)構(gòu)的掛鉤狀態(tài)瞬間松脫，速關(guān)閥即在速關(guān)彈簧的作用下瞬間關(guān)閉，達(dá)到超速保護(hù)的功能和目的。

2 超速脫扣試驗不成功的原因

根據(jù)相關(guān)圖紙，超速脫扣連桿的掛鉤重疊度約為 2 mm，懸臂連桿與轉(zhuǎn)子軸外圓面的初始間隙為0.8 mm～1.0 mm。危急遮斷器飛錘的最大飛出位移為 2 mm，實際飛錘飛出撞擊的距離只有1 mm，和2 mm的掛鉤重疊度相差1 mm。理論上，超速脫扣裝置不一定能實現(xiàn)有效脫扣，特別是當(dāng)機組轉(zhuǎn)速無限緩慢增加時，客觀上極大削弱了危急遮斷器飛錘的飛出沖擊作用。

該汽輪機在進(jìn)行超速脫扣試驗時，操作人員有意控制了機組轉(zhuǎn)速的升速率，轉(zhuǎn)速上升非常緩慢，當(dāng)轉(zhuǎn)速超出機組的超速范圍時，仍未能實現(xiàn)連桿脫扣，即超速保護(hù)功能異常。但細(xì)究其因，這個現(xiàn)象與上述原因相對，反映了此種超速脫扣裝置的潛在缺陷，進(jìn)行超速試驗的方法必須有所改進(jìn)。

另外，連桿裝置掛鉤處的毛刺，稍微增大了掛鉤脫扣所需的沖擊力，非主要原因和必然原因。當(dāng)然，毛刺情況也不符合零件的加工要求。

3 危急遮斷器飛錘沖擊力估算

對該型汽輪機的超速脫扣裝置，根據(jù)圖紙要求，其超速脫扣的轉(zhuǎn)速范圍為 10 648 r/min～10 658.648 r/min，本文選取n＝10 548 r/min作為估算的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)危急遮斷器的飛錘離心力與彈簧預(yù)緊力相平衡時，可將此時的機組轉(zhuǎn)速稱為“飛錘起動轉(zhuǎn)速”；當(dāng)轉(zhuǎn)速超出飛錘起動轉(zhuǎn)速時，飛錘即加速飛出。機組實際的飛錘起動轉(zhuǎn)速可在超速脫扣試驗中進(jìn)行調(diào)整，以符合機組超速范圍的要求。根據(jù)該型汽輪機零部件的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算[1]，假設(shè)飛錘起動轉(zhuǎn)速為n＝10 548 r/min，當(dāng)n以30 r/s～40 r/s的升速率上升并超過10 548 r/min時，飛錘受到的徑向力瞬間即可達(dá)到并超過1.5 N，待飛錘飛出1 mm時，其線速度可達(dá)約8 m/s，對超速連桿的瞬間沖擊造成的沖擊力應(yīng)不小于4 N，對該汽輪機的超速脫扣裝置來說，足以完成連桿的脫扣動作，確保實現(xiàn)超速保護(hù)功能[2]。

4 改進(jìn)建議

鑒于該型汽輪機超速脫扣裝置的結(jié)構(gòu)特點、動作原理及存在的缺陷，超速脫扣裝置裝配和試驗應(yīng)進(jìn)行下述改進(jìn)[3]。

1）危急遮斷器的飛錘擊出距離被限制為2 mm，可能不滿足裝配質(zhì)量較差時的沖擊力需求，應(yīng)適當(dāng)增加。

2）超速連桿在制造和裝配時，應(yīng)特別注意位置精度，確保掛鉤的作用方向通過連桿的轉(zhuǎn)軸中心，不可誤差過大。

3）超速脫扣試驗為人工模擬機組的飛車過程，從而精細(xì)整定機組的超速脫扣轉(zhuǎn)速。試驗時應(yīng)小心謹(jǐn)慎，但也應(yīng)保證機組轉(zhuǎn)速在超速范圍時的升速率不低于30 r/s～40 r/s，以回避此型裝置的原理缺陷。

5 處理及試驗驗證

該型汽輪機按上述建議進(jìn)行了現(xiàn)場處理，對脫扣裝置的掛鉤處進(jìn)行細(xì)微修配及去毛刺，然后進(jìn)行不少于 9次的超速脫扣試驗，并注意保持10 648 r/min附近的轉(zhuǎn)速升速率為30 r/s～40 r/s，試驗均獲得了成功。

6 結(jié)論

本文對某型汽輪機的超速脫扣裝置的結(jié)構(gòu)特點及工作原理進(jìn)行介紹，分析了超速脫扣裝置試驗失敗的可能原因，計算了危急遮斷器飛錘的沖擊力。鑒于該型汽輪機超速脫扣裝置的結(jié)構(gòu)特點、動作原理及存在的缺陷，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

1）適當(dāng)增加危急遮斷器的飛錘的擊出距離，滿足裝配質(zhì)量較差時的沖擊力要求。

2）提高超速連桿的位置精度，確保掛鉤的作用方向通過連桿的轉(zhuǎn)軸中心。

3）超速脫扣的試驗過程中，應(yīng)保證機組的升速率不低于30 r/s～40 r/s。