660 MW機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)電機組（編號為5#、6#機組，以下同）由北京重型電機廠生產(chǎn)，發(fā)電機采用水氫氫冷卻方式，勵磁系統(tǒng)為無刷勵磁方式。該機組于2008年12月竣工投產(chǎn)。

2012年以來，經(jīng)常出現(xiàn)主油泵傳動齒輪斷齒問題，故障頻率也越來越頻繁。圖1給出了主油泵齒輪軸系結構。主油泵位于主軸機頭方向左側，通過斜齒輪嚙合由主軸驅(qū)動。主油泵承擔著機械潤滑作用，一旦主油泵可靠性降低，將危及汽輪機的安全、可靠運行，嚴重時會造成汽輪機斷油燒瓦事故。在主油泵軸和次軸上的危急保安器飛錘還可以實現(xiàn)汽輪機的機械超速保護。主油泵齒輪斷齒會造成齒輪振動增大，影響機械超速保護的安全、可靠性。齒輪斷齒問題成為影響機組安全、可靠運行的安全隱患。

圖1 660 MW汽輪機前箱主油泵、主軸布置圖

二、故障現(xiàn)象

2012年2月以來，5#、6#汽輪機前箱開始出現(xiàn)齒輪斷裂問題。至2012年底，由此所導致的機組正常連續(xù)運行時間最短的只有一周，最長的也就兩個多月，因齒輪斷裂已經(jīng)導致7次非計劃停機。按每次停運5天計算，2012年機組強迫停運時間已有35天。為了解決主油泵齒輪斷齒問題，廠方分別將5#機和6#機的1#瓦由原來的圓筒型瓦改為多油楔型瓦和橢圓瓦，對主軸與次軸和副軸之間的傳動齒輪進行了精確調(diào)整和檢修等，在一定程度上延長了齒輪使用周期，但是故障并沒有得到徹底解決。

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，沒有出現(xiàn)剝落、膠合、磨損等嚴重問題，究其原因應是疲勞斷裂。

由金屬材料疲勞破壞機制可知，材料在交變應力和應變作用下，某點或某些點的結構產(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、疲勞裂紋的擴展和失穩(wěn)斷裂3個階段。疲勞破壞與靜力破壞有著本質(zhì)不同。在交變荷載作用下，零件交變應力在遠小于材料強度極限情況下，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性。疲勞破壞是一個累積過程，需要經(jīng)歷一定的時間歷程，甚至很長的時間歷程。

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，引起齒輪傳動中產(chǎn)生振動、沖擊等情況；齒輪嚙合過程中，受到外部振動或者是交變激振力作用，致使齒輪上的齒彎曲應力出現(xiàn)局部過載，造成齒輪疲勞損壞。齒輪傳遞轉矩增大。

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），作為一個獨立系統(tǒng)看待，在汽輪機正常運行的情況下，系統(tǒng)的外部驅(qū)動部件是汽輪機主軸上的主動齒輪。如果汽輪機振動比較大，特別是在主軸齒輪處的振動比較大，就會對主軸上主動齒輪和主油泵上從動齒輪間的嚙合產(chǎn)生影響。齒輪之間有一定間隙，在振動的擾動下就會導致較大脈動，在主油泵齒輪上產(chǎn)生交變作用力，進而導致主油泵齒輪疲勞損壞。

汽輪機運行幾年后，轉子可能會出現(xiàn)不平衡。根據(jù)機組啟動過程中各個軸頸處的振動情況，包括振動頻率、相位和幅值等，可以計算出轉子上的平衡重量，以達到平衡汽輪機轉子的目的。受結構條件限制，高壓轉子加配重比較困難。為了降低1#瓦振動，加重平面有時選擇在高壓轉子外側與小軸連接的對輪處。

該型汽輪機主軸不是直接拖動主油泵和危急保安器，而是通過齒輪機構來拖動。在汽輪機轉子1#瓦外端加配重，就會在主動齒輪處產(chǎn)生一個額外重量。該重量對1#瓦以外的懸臂軸來說，就是一個不平衡重量。此時，主軸上主動齒輪作用在主油泵上的力，就不是均勻的，還會產(chǎn)生一個頻率為1倍工頻的交變力。這個力使相互嚙合的齒輪出現(xiàn)瞬時過載，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)運行時間就越短，越容易疲勞斷裂。

五、試驗驗證

（1）在每次更換的新齒輪上，標上和主軸齒輪在嚙合處的相對應的標志（標為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更換，那么相互嚙合齒輪0位的確定，應根據(jù)主軸上的所加的平衡重量在圓周上的位置來確定。那么如果在下一次斷齒的位置位于0位附近，則說明影響主油泵齒輪損壞的主要因素就是轉子上所加的平衡重量引起的。試驗結果表明，1#瓦端加配重對主油泵斷齒會產(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，而遠離主油泵齒輪的軸瓦燒損發(fā)生在齒輪系的內(nèi)側，則說明燒瓦是由于主軸上齒輪的偏心振動引起的。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。2012年12月的檢修中，發(fā)現(xiàn)直徑60 mm的瓦上，鋼瓦東側（沿機頭方向看）有磨損，2013年2月檢查中又發(fā)現(xiàn)直徑90 mm的瓦西側磨損，直徑60 mm的瓦東側磨損，主油泵推力瓦西側磨損嚴重，東側不嚴重。2013年5臨修中發(fā)現(xiàn)，主油泵直徑90 mm的瓦西側有磨損痕跡。

（3）5#機組高壓轉子前軸封處彎曲0.038 mm，調(diào)節(jié)級后軸彎曲0.028 mm，彎曲值較小。6#機組高壓轉子前軸封處彎曲0.050 mm，調(diào)節(jié)級后彎曲0.060 mm。6#機組高壓轉子彎曲度比5#機組大，6#機組加在1#瓦處的平衡配重相應也較大。5#機組主油泵齒輪和軸承運行時間已超過100天，而6#機組持續(xù)運行時間很短。由此說明，加重量越大，對齒輪所產(chǎn)生的疲勞損傷越大。

六、結論

（1）該型機組汽輪機高壓轉子找平衡時，應該盡量減少在1#瓦外側對輪上的加重量，該平面不宜作為主要的平衡面。

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

采取上述措施后，主油泵齒輪再也沒有出現(xiàn)過斷齒問題，徹底消除了齒輪斷齒故障。