燃氣輪機滑油泵耐久性試驗臺研制及應用

賈新旺，吳一鳴，唐祖定，季 杰

(中國船舶集團有限公司第七○三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

滑油泵是燃氣輪機潤滑油系統的關鍵零部件，主要用于軸承和傳動齒輪部分潤滑油的輸送和回收，其質量好壞直接關系到燃氣輪機運行安全[1-2]。某型燃氣輪機滑油泵為五聯變位齒輪滑油泵，具有流量大、可靠性高、結構緊湊等優點[3]，由壓氣機轉子通過下部傳動箱間接驅動。來自滑油箱的低壓油經滑油泵供油泵增壓后轉化為高壓油供給至各轉子軸承腔，再由滑油泵的4個回油子泵從各處腔室將滑油抽回至滑油箱，形成油路循環。由滑油泵基本工作原理可知，當驅動轉速一定時，滑油泵做功能力理論上也應該固定[4]，但實際運行可能會受溫度、滑油泵內部結構制造等因素影響[1]。因此研究其耐久性運行能力，尤其是流量衰減性能對燃氣輪機運行安全、使用壽命至關重要。

目前燃氣輪機滑油泵多是作為附屬系統隨燃氣輪機整機一起進行耐久性考核，該方式有兩個弊端：一是使用燃氣輪機作為動力源，試驗成本太高；二是受它在燃氣輪機上的安裝方式、功能作用，以及空間限制影響，不能直接測量各子泵的實際流量，因而不能對各子泵的工作能力進行研究分析。也有少數科研機構對滑油泵進行了單部件性能試驗，但該方式存在一些問題：一是需要手動控制，操作復雜；二是滑油泵的每個子泵流量只能逐一測試，無法同時進行測試。

因此，須要研制一套能模擬燃氣輪機耐久性試驗運行的滑油泵試驗臺，且該試驗臺要保證滑油泵安裝方式、被驅動方式基本與它在燃氣輪機整機上狀態一致，同時還能獲取運行時的轉速、流量、壓力等參數，最終通過對各參數分析研究，判斷滑油泵耐久性是否滿足研制要求。

1 試驗臺系統設計

1.1 總體設計方案

燃氣輪機滑油泵結構如圖1所示，由供油泵A泵和四個回油子泵(B泵、Г泵、Д泵、Б泵)組成。滑油泵直接安裝在下部傳動箱一側，兩者傳動軸是通過花鍵配合，即由下部傳動箱的輸出軸通過花鍵配合直接驅動滑油泵齒輪旋轉。

圖1 滑油泵結構示意圖

為了模擬滑油泵裝配在燃氣輪機整機上運行時狀態，總體設計方案采用了相同的安裝方式，即滑油泵水平式安裝于安裝座上；采取相似的驅動方式，即使用變頻電機替代原下部傳動箱；變頻電機和安裝座之間通過梅花聯軸器聯接。主設備布置見圖2。

1—底架；2—變頻電機；3—聯軸器；4—安裝座；5—滑油泵。圖2 主設備布置示意圖

總體設計方案基本原理如下:控制系統根據耐久性圖譜考核要求，控制變頻電機到達相應的轉速，進而通過聯軸器驅動滑油泵運行；潤滑系統為滑油泵正常運行及潤滑提供必要的滑油；測控系統對相關執行機構進行控制，并對各參數進行采集、監測、顯示、記錄；電氣系統為各試驗設備提供電氣保障。

1.2 機械結構

滑油泵試驗臺的機械結構包括底架、聯軸器及安裝座。底架通過地腳螺栓與場地導軌進行固定，其上布置有變頻電機和安裝座，如圖2所示。因底架和聯軸器相對簡單，本文重點介紹安裝座的結構設計。由圖1可知滑油泵的B泵是直接從下部傳動箱抽吸滑油，然后經回油泵總出口至滑油箱。因此在對滑油泵進行單部件試驗時，為保證工作狀態與它在燃氣輪機整機上狀態基本一致，需要將安裝座設計成可模擬下部傳動箱腔室的結構件，如圖3所示。

1—平鍵軸；2—軸承；3—軸承座；4—骨架密封圈；5—腔體；6—觀察窗；7—預埋螺栓；8—彈性軸；9—進油口。圖3 安裝座結構組成

安裝座結構組成及作用如下：平鍵軸由兩個軸承定位支撐，通過聯軸器與變頻電機聯接；彈性軸與滑油泵輸入軸通過花鍵配合聯接，且彈性軸被設計為中空結構，起到扭矩傳遞以及超扭故障時提前扭斷從而保護滑油泵作用；軸承座內設有骨架密封圈，防止腔體內滑油進入軸承；觀察窗可用于目視腔體內滑油狀態；滑油從進油口進入腔體內供B泵抽吸；腔體與滑油泵通過預埋螺栓定位安裝。

1.3 滑油系統

為了對滑油泵各子泵的流量能力進行耐久性考核，同時為其運行提供必要的潤滑，設計了一套滑油系統，如圖4所示。其基本工作過程如下：滑油泵運轉前，由外置泵給滑油泵提供一定壓力的潤滑油；變頻電機驅動滑油泵運轉后，各子泵分別從滑油箱抽吸經Y型濾器過濾的滑油；經供油泵和回油泵增壓后的滑油通過電動閥門、濾器、換熱器回至滑油箱；電動調節閥門用于調節供/回油泵后滑油壓力；供油泵出口設有一單向支路供運轉時潤滑滑油泵；整個試驗期間外置泵持續工作，當供油泵后壓力高于外置泵后壓力時則由供油泵提供潤滑，該設計可始終保持潤滑滑油泵的壓力不小于外置泵后壓力，以滿足滑油泵正常運行要求。

1—供油泵；2—回油泵；3—滑油箱；4—外置泵；5—Y型濾器；6—流量計；7—潤滑滑油泵壓力傳感器；8—回油泵出口壓力傳感器； 9—回油泵出口溫度傳感器；10—回油泵后電動閥門；11—換熱器；12—過濾器；13—供油泵出口溫度傳感器；14—供油泵出口壓力傳感器；15—供油泵后電動閥門。圖4 滑油系統

1.4 測控系統

為滿足滑油泵耐久性試驗要求，設計了一套測控系統，主要具備以下功能：各模塊間相互通訊，包括上位機、PLC程序；實時采集、顯示和存儲流量、轉速、壓力、溫度等參數并提供查詢與打印功能；根據試驗要求自動加載控制變頻電機、電動閥門開度。

PLC是以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統裝置，與常規繼電器組成的控制系統相比，在系統中減少了大量中間繼電器和時間繼電器，使控制系統大大簡化[5]。因其具有編程簡單、抗干擾強、軟硬件齊全、硬件接線少、通用性強等特點，廣泛應用于各工業控制領域，包括燃氣輪機試驗[6-8]。LabVIEW是使用較為廣泛的虛擬儀器，用于開發上位機程序，具有編程簡單、直觀、開發效率高等特點，已應用于燃氣輪機多個方向試驗測控領域[9-11]。因此，基于LabVIEW和PLC開發了本滑油泵試驗臺測控系統，其基本組成如圖5所示，工作原理如下：上位機程序提供人機交互界面，與PLC、變頻電機控制器協同作用實現試驗臺的自動控制；試驗人員在上位機程序中選擇試驗內容后，程序將試驗圖譜的工況順序轉化為試驗時序在PLC程序內執行；PLC實時采集傳感器信號并傳輸至上位機進行顯示；當進行變工況時，PLC將加載參數變化指令發送給變頻電機控制器和供/回油泵后的電動調節閥門，實現轉速、供/回油泵后滑油壓力控制。

圖5 測控系統軟件組成

2 驗證及應用

為了驗證研制的試驗臺能否滿足滑油泵耐久性試驗考核，進行了試驗運行。經試驗表明各項數據均滿足試驗要求，單個圖譜運轉周期內各參數變化如圖6所示。其中變工況過程中供/回油泵出口壓力突變是因為設計的控制邏輯為：在工況運行時間結束后，電動閥門位置全開；當轉速到達下一工況后，調節電動閥門位置，使得出口壓力滿足試驗要求。

(a) 轉速隨時間變化

目前，該套燃氣輪機滑油泵耐久性試驗臺已無故障運行累計約2 000 h，進一步說明了該套試驗臺系統穩定可靠，能完成燃氣輪機滑油泵單部件耐久性考核試驗任務。

3 結論

因使用燃氣輪機作為動力源進行滑油泵耐久性試驗成本太高，且受安裝、管路布置等因素影響，無法獲取更多反映滑油泵能力的運行參數，而現有的滑油泵性能試驗臺又存在手動操作不便，且無法同時完成5個滑油子泵流量測試，因此研制了一套燃氣輪機滑油泵耐久性試驗臺系統，經過驗證應用，得出以下結論：

(1) 滑油泵安裝及被驅動方式基本與它裝配在燃氣輪機上狀態相同；

(2) 設計的機械結構及滑油系統滿足滑油泵各子泵流量試驗、運行要求；

(3) 基于LabVIEW和PLC實現的測控系統，具備自動控制、數據采集、記錄等功能，運行穩定可靠；

(4) 長時間無故障運行，進一步說明了該試驗臺滿足滑油泵耐久性考核試驗，滿足任務需求。

該試驗臺的成功應用為燃氣輪機滑油泵改進設計提供了重要的試驗支撐，同時也為其他相似的泵類試驗提供借鑒參考。