某工業型燃氣輪機滑油異常消耗故障分析

魏昌淼，彭 濤，方一格

(1.中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，無錫 214151；2. 中國船舶集團公司第七〇三研究所，哈爾濱 150036)

燃氣輪機作為一種高速旋轉的動力裝置，工作時伴有高頻率的變工況，轉子高速旋轉，轉子轉速變化時會在軸瓦間產生大量的熱量。同時燃氣輪機運行時，如果轉子轉動時潤滑效果不好，會造成軸瓦及轉子接觸面燒損，嚴重損害燃氣輪機壽命。為了帶走軸承腔內各接合面之間形成的硬夾雜物，并帶走由于摩擦所產生的熱量和高溫區域傳給滑油的熱量，燃氣輪機需要配備優良的滑油系統，其一般為循環式。

近年來，多位學者對燃氣輪機滑油系統設計及故障診斷方面進行了相關的研究[1]，何彬等[2]按高可靠性、結構緊湊、大流量、輕量化的要求，設計了一個由4個回油泵和1個供油泵組成的齒輪滑油系統泵，滿足了某型燃氣輪機各部位潤滑冷卻的要求，并進行了滑油泵試驗件的相關生產和試驗。衣爽[3]選擇自組織特征映射神經網絡作為滑油系統故障預測方法，將故障數據作為故障預測網絡訓練樣本，結果表明無導師的自組織特征映射網絡模型可直觀地反映滑油系統的健康狀態。梁茂宗等[4]對 D-S 證據理論公式進行了改進，通過10組滑油系統真實故障案例，驗證了D-S 證據理論能夠較好地解決燃氣輪機滑油系統故障。某工業型燃氣輪機在實際運行過程中，出現了滑油異常消耗問題，本文從燃氣輪機滑油系統結構、工作原理出發，列出了可能導致滑油消耗量大問題的因素，最終判斷滑油異常消耗是由于燃氣輪機內部漏油造成的，通過分解檢查及分析，發現問題由石墨密封環磨損導致。本次故障的解決過程對后續機組應對類似問題具有重要指導意義。本文同時提出開展優化石墨密封環工作，對提高滑油系統可靠性具有重要意義。

1 滑油系統工作原理

為了保證某工業型燃氣輪機在所有工作狀態下軸承部件、齒輪嚙合和其他摩擦零件的潤滑和冷卻，滑油系統采用強制抽油的壓力循環模式。滑油供油量與燃氣輪機的轉速成正相關關系，壓氣機通過傳動機構帶動滑油組件，滑油組件從滑油循環油箱抽油，隨后將足量的滑油供給燃氣輪機各支撐點軸承來保證旋轉部件的冷卻與潤滑。在各軸承點潤滑后具有一定壓力的滑油，經過滑油冷卻器冷卻后被送回滑油循環箱。燃氣輪機滑油系統工作原理如圖1所示。為保證滑油供油品質，在滑油供油總口及總回油口設有滑油濾器，同時在燃氣輪機各供油支管中裝設有濾器，用于保護發動機免受可能出現的意外污染。在各回油支管路上設有磁性屑末檢測信號器，用以分別監測燃氣輪機各軸承腔室內部的磨損情況[5]。

圖1 燃氣輪機滑油系統工作原理圖

2 滑油異常消耗故障及檢查

某臺燃氣輪機運行8 500 h左右時，運行人員例行巡檢發現滑油油箱液位與之前相比有明顯跌落，滑油循環油箱液位出現偏低現象，滑油消耗量出現異常增大現象。

針對機組突然出現的滑油異常消耗問題，本文從燃氣輪機滑油系統結構、工作原理出發，進行各方面詳細梳理，列出了可能導致滑油消耗量大問題的因素，故障樹如圖2所示。

圖2 滑油異常消耗故障樹

故障發生后,運行人員對燃氣輪機外圍系統和箱裝體內燃氣輪機本體滑油系統的滑油泄漏情況進行了詳細檢查。外圍滑油系統各部件及管路正常，滑油循環油箱、滑油冷卻器、回油濾器及供回油管路狀態良好，未發現異常；箱裝體內滑油系統部件正常，電動滑油供回油泵、雙聯濾器、靜態油氣分離器、油氣分離箱、下傳動箱和滑油系統供回油管路狀態良好，未發現異常。

隨后，對滑油循環油箱磁性液位計和滑油冷卻器進行了檢查，用油標尺直接測量并記錄滑油箱液位。為檢查滑油冷卻器是否有內部泄漏，更換了新的滑油冷卻器進行試驗驗證,運行2 h后，情況如下：

1)滑油消耗約12 L，折合平均滑油消耗量約6.0 L/h(燃氣輪機生產廠家要求不超過1.5 L/h)；

2)檢查滑油冷卻水系統水池，水面干凈無油污；

3)檢查外圍系統和箱裝體內滑油系統的泄漏情況，未發現異常。

通過上述排查，運行人員排除燃氣輪機外部漏油情況的可能性。隨后運行人員對運行參數進行了梳理分析，并對滑油回油濾進行拆檢檢查。

將滑油系統參數與之前運行數據進行對比，如滑油供油壓力、滑油供油溫度、油氣分離箱壓力、滑油回油溫度、接觸式密封壓降等，發現各參數均無明顯變化，機組其他試驗數據，如各轉子轉速和振動等參數均正常。拆檢滑油回油濾，發現回油濾濾芯有較多的不規則黑色石墨條狀物及顆粒存在。

經上述排查及分析，認為滑油異常消耗是由于燃氣輪機內部漏油造成的，可能是石墨密封環異常磨損導致接觸式密封失效，進而導致滑油從石墨密封環處泄漏進入燃氣輪機通流。若燃氣輪機繼續運行，則存在石墨密封環加速磨損的風險，給運行帶來隱患，因此決定對燃氣輪機進行分解檢查。

3 滑油異常消耗的分解檢查及分析

3.1 分解檢查

該型燃氣輪機由燃氣發生器及動力渦輪組成，對燃氣發生器各軸承腔室部位進行檢查，未發現異常，各軸承腔密封石墨環均正常。

對動力渦輪分解檢查，滑油密封空氣系統管路、密封空氣通道及密封空氣腔室未發現異常，檢查發現滾珠軸承側石墨密封環異常磨損，滾柱軸承殼體合圍區域大面積滑油燒蝕、結焦、積碳，滾柱軸承側滑油密封失效，由此可判斷滑油的異常消耗是由于動力渦輪軸承腔室密封失效，出現故障導致的。

3.2 動力渦輪滑油密封空氣系統分析

動力渦輪滑油密封空氣系統圖如圖3所示，首先從壓氣機引入壓縮空氣進入動力渦輪空氣進氣管。滾珠軸承側密封腔室如圖4所示，密封空氣通過通道E到達滾珠軸承側密封腔室。

圖3 動力渦輪滑油密封空氣系統圖

圖4 滾珠軸承側密封腔室

滾珠軸承側密封腔室將氣路分為3路，一路通過后密封蓋蜂窩密封與蓖齒的間隙L排出，一路通過間隙M實現滑油密封，一路通過動力渦輪軸上的F、G通道進入動力渦輪軸內腔。

滾柱軸承側密封腔室如圖5所示。進入動力渦輪軸的密封空氣通過J、K通道進入滾柱軸承側密封腔室。滾柱軸承側密封腔室將氣路分為2路，一路通過前密封蓋蜂窩密封和蓖齒的間隙N排出，一路實現滑油密封。

圖5 滾柱軸承側密封腔室

在壓縮空氣的作用下，軸承側密封腔室與滑油腔保持一定的壓差，使石墨密封環的前端面與軸承腔端面緊密貼合，具有良好的隨動適應性，從而達到了滑油腔的滑油密封的效果。

動力渦輪滾珠軸承側石墨密封環的異常磨損，會使滑油腔密封用壓縮空氣流量分配與設計狀態偏離。如圖4所示，動力渦輪滾珠軸承側腔室中石墨環與密封蓋的配合間隙M為壓縮空氣主要排放通道，由于機組運行期間空氣壓力大于滑油腔壓力，故仍能保證滾珠軸承側的滑油密封。分配至渦輪軸內腔的壓縮空氣流量和壓力不足導致滾柱軸承側滑油密封失效，如圖5所示，大量滑油從N處泄漏至滾柱軸承殼體合圍區域，滑油泄漏路徑溫度較高，滑油出現大面積碳化，結焦在部件表面。

為保證后續機組的運行，動力渦輪分解后更換了新的石墨密封環，同時開展了新型石墨環的研制，旨在提高石墨環的耐磨性。在后續機組的運行過程中，應加強滑油消耗記錄及檢查，保證機組運行安全。

4 結 論

從燃氣輪機的滑油系統原理出發，建立故障樹對燃氣輪機運行過程中出現的滑油異常消耗故障進行分析，通過檢查，排除了燃氣輪機外圍滑油系統故障。通過燃氣輪機分解檢查及滑油密封空氣系統分析，得出本次機組滑油消耗量異常增大為動力渦輪石墨密封環未達到使用壽命前異常磨損，導致接觸密封失效所致，動力渦輪滾珠軸承側石墨環磨損后，分配至滾柱軸承側的壓縮空氣流量和壓力不足，導致滾柱軸承側滑油密封失效，滑油主要從動力渦輪滾珠軸承石墨環處泄漏。同時，在機外滑油回油濾器中發現的大量石墨應為動渦石墨環掉塊、脫落所致。為了避免石墨密封環再次磨損，出現滑油異常損耗情況，建議加快石墨環材料的研究工作，提升其壽命，并優化石墨環工作環境。