汽輪機推力盤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)

汽輪機推力盤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)

針對飽和蒸汽輪機推力盤的頻繁損壞，本文通過對其進行靜力學(xué)分析找到了推力損壞的根本原因，并提出了兩項解決措施：通過穩(wěn)定蒸汽流量減小對推力盤的沖擊力；通過更換推力盤并進行推力盤的激光焊接加固實現(xiàn)齒輪軸的再利用。

汽輪機； 推力盤； 損壞

0 前言

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

表1 汽輪機推力盤損壞記錄

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

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

1 原因分析

為了找出推力盤損壞原因，避免此類事故再次發(fā)生，需要對汽輪機齒輪軸及推力盤的受力情況進行分析。

1.1 汽輪機齒輪軸軸向力分析

圖1 推力盤損壞情況

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

圖2 汽輪發(fā)電機軸向力分析

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

FHT=FaH-FH

(1)

式中FHT—大齒輪側(cè)面對高壓軸推力盤的軸向力，N；

FaH—高壓軸齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力，N；

FH—高壓蒸汽對高壓葉輪的軸向力，N；

低壓側(cè)蒸汽對葉輪做功后進入凝汽器，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，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 推力盤接觸變形分析

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

圖3 齒輪軸裝配結(jié)構(gòu)

圖4 推力盤接觸變形云圖(mm)

簡化大齒輪和齒輪模型，并施加大齒輪端面對低壓軸推力盤的軸向力FLT、小齒輪軸旋轉(zhuǎn)角速度及約束，推力盤、過渡卡環(huán)及齒輪軸之間按接觸問題求解。求解結(jié)果如圖4所示。當(dāng)推力盤受軸向力FLT=1 100 N(設(shè)計載荷)時，推力盤沿軸向的變形量已達到0.049 mm，此時推力盤已不能滿足使用要求。也就是說，當(dāng)大齒輪端面對推力盤的軸向力大于某一值時，會使推力盤發(fā)生傾斜或偏移，致使小齒輪軸振動增大。若汽輪機仍然繼續(xù)運行下去，大齒輪端面與推力盤側(cè)面某一點頻繁接觸，就可能引起推力盤局部點燒傷，降低推力盤強度，最終導(dǎo)致推力盤疲勞斷裂(2011年12月故障)。若推力盤傾斜度再大一點，就會發(fā)生大齒輪端面碾壓推力盤，導(dǎo)致推力盤出現(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入汽輪機的蒸汽必然會發(fā)生較大波動，蒸汽大幅度突變，會使推力盤所受軸向力瞬間增大，從而導(dǎo)致推力盤損壞。因此穩(wěn)定蒸汽流量也可視為延長推力盤使用壽命的一種解決措施。

由于無法從蒸汽源處穩(wěn)定蒸汽流量，可行的辦法是讓從余熱鍋爐出來的蒸汽先進入蒸汽蓄熱器[1]，再從蓄熱器出來進入汽輪機。蒸汽蓄熱器作為一種儲存熱能的設(shè)備，可以有效的穩(wěn)定蒸汽的波動。

2.2 推力盤修復(fù)與加固

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

3 結(jié)論

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

延長推力盤使用壽命可采取以下兩種措施：

(1) 增設(shè)蒸汽蓄熱器，在蒸汽進入汽輪機前，先進入儲熱設(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渡卡環(huán)和推力盤，增大推力盤與過渡卡環(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)與運用[J].電力機車技術(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