某船用汽輪發電機組行星軸燒毀故障分析及處理

劉忠誠，許 濤， 戴娜娜，李少軍

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

某船用汽輪發電機組的滑油系統主要作用是向汽輪發電機組各軸承、齒輪箱等提供潤滑油，向調節系統等提供壓力油。該系統主要由主油泵、電動油泵、電動輔油泵和滑油管路等部套組成。

機組在啟動、停機及盤車狀態下，潤滑油的供給主要依靠電動油泵；機組正常運行時，潤滑油由機帶主油泵提供。機帶主油泵由汽輪機直接驅動，在機組啟動與停機過程中，調節油壓隨轉速變化，調節油壓力上升到設定值時，電動油泵自動停止，調節油壓力下降到設定值時，電動油泵自動啟動。機組在啟動與停機過程中，電動油泵出現故障，潤滑總管油壓下降到設定值，電動輔油泵自動啟動為潤滑系統提供滑油，保證機組安全停機。機組局部潤滑油系統如圖1所示。

圖1 機組局部潤滑油系統

本文針對某船用汽輪發電機組在首次動車過程中出現的齒輪箱行星軸燒毀的故障，對故障原因進行了分析，對單向閥進行了改進，對行星軸進行了更換，消除了齒輪箱行星軸燒毀的故障[1-3]。

1 故障現象

機組進行首次動車試驗時，當汽輪機轉速達到～6 000 r/min時，電動油泵與機帶主油泵切換，切換油壓～1.1 MPa。切換后，調節系統油壓迅速下降至～0.76 MPa，電動油泵立刻啟動，調節系統油壓上升至1.1 MPa以上，電動油泵停止，調節系統滑油壓力又下跌至～0.76 MPa，電動油泵再次啟動。如此反復10多次。由于電動油泵反復啟停，于是緊急停機。汽輪機轉速下降至～5 500 r/min時，電動油泵未正常啟動。手動開啟電動輔油泵，并迅速對機旁控制箱進行檢查，發現電動油泵熱繼電器跳閘，于是立即手動合閘，啟動電動油泵。此時汽輪機轉速從～1 100 r/min迅速下降至0 r/min。停機后，開啟盤車裝置，發現汽輪發電機組盤車裝置無法順利盤車。整個過程持續時間～2 min。整個過程油壓轉速等試驗數據如圖2所示。

圖2 機組運行時油壓和轉速曲線

圖2中，從13:09:31開始作為0點計時。機組轉速從13:11:07（96 s）開始下降，至13:12:58（207 s）降至0 r/min，惰走時間111 s，即1 min 51 s。調節油壓在13:11:04（93 s）前大幅度波動，波動范圍為0.687 MPa～1.195 MPa，波動幅度為0.508 MPa。調節系統滑油壓力在13:11:04（93 s）從1.19 MPa開始迅速下降，2 s后（13:11:06）下降至電動油泵啟動壓力0.8 MPa以下，為0.679 MPa，此時，電動油泵無法正常啟動。13:11:08（97 s），減速器潤滑油壓下降至0.118 MPa。按照機旁控制箱程序，此時電動輔油泵應自動啟動，但由于電動輔油泵正處于手動啟動狀態，因此未自動啟動。13:11:34（123 s）電動輔油泵手動開啟，13:11:36（125 s）電動輔油泵出口油壓為0.050 6 MPa。而此時調節系統滑油壓力繼續下降，減速器潤滑油壓有所回升，為0.067 MPa。13:12:38（187 s）后減速器油壓從0.083 MPa再次開始下降，直至13:12:43（192 s）電動油泵再次啟動，3 s（13:12:46）后，調節系統油壓從0.015 MPa開始上升至0.735 MPa，減速器潤滑油壓從0.043 MPa上升至0.176 MPa。

現場對汽輪機部分、減速器、發電機部分進行拆檢，經檢查發現：汽輪機前后軸承、發電機前后軸承無明顯拉毛或燒蝕現象；減速器三根行星軸燒毀嚴重；行星輪內部局部區域存在拉毛現象。減速器行星軸拆檢照片如圖3所示。

圖3 減速器行星軸

檢查減速器箱體內部，發現下箱體內存在較多巴氏合金粉末，現場照片如圖4所示。該巴氏合金粉末為行星軸在斷油狀態下，行星輪與行星軸碾壓脫落的粉末。

圖4 減速器下箱體

2 故障分析

2.1 電動油泵無法自動啟動原因分析

按照控制箱設計，電動油泵電機功率為22 kW，通過斷路器、交流接觸器、熱繼電器來控制電動油泵電機，P=1.732UIcosφ，cosφ=0.8，斷路器設置保護值為1.5 IA，熱繼電器設置保護值為1.2 IA。正常情況下，在機組啟動過程中，滑油壓力逐漸升高，當調節系統滑油壓力升高至1.1 MPa時，滑油壓力繼電器斷開電動油泵，電動油泵停止工作。在機組停機過程中，滑油壓力逐漸降低，當調節系統滑油壓力降低至0.8 MPa時，滑油壓力繼電器接通電動油泵，電動油泵開始工作。

在試驗過程中，由于調節系統油壓頻繁波動到0.8 MPa和1.1 MPa以上，造成交流接觸器頻繁動作，電動油泵隨之頻繁啟停。電機在斷電重合閘瞬間會產生巨大沖擊電流，導致熱繼電器過載跳閘，電動油泵斷電后無法自動啟動。由于電動輔油泵處于手動啟動狀態，也沒有自動啟動。

2.2 調節系統油壓下降原因分析

機組油路系統中設置2個單向閥，結構圖如圖5所示。一個單向閥（通徑DN80）用于向注油器供油。當電動油泵工作時，電動油泵出口高壓油通過單向閥后，分別供往注油器Ⅰ和注油器Ⅱ，提供主油泵進口油和潤滑總管用油。另一個單向閥（通徑DN65）設置在高壓濾油器前，靜態下為調速器提供滑油。當調節系統滑油壓力大于1.1 MPa后，電動油泵自動停止，主油泵出口高壓油反向通往單向閥，單向閥關閉。機組正常工作時，通過高壓濾器的油路停止工作。

圖5 單向閥結構示意圖

機組運行情況顯示：當電動油泵工作時，油壓正常；當電動油泵停止工作時，油壓下降較多。因此，初步判斷電動油泵出口的單向閥存在卡澀現象。當電動油泵停止，主油泵單獨工作時，主油泵出口高壓油通過單向閥直接通往油箱，形成旁路，導致整個油路系統發生大量內漏，造成調節系統滑油壓力迅速下降。圖6為單向閥卡澀后泄漏示意圖。

圖6 單向閥泄漏示意圖

通過拆檢向注油器供油的單向閥，發現單向閥存在卡澀現象。單向閥拆檢的照片如圖7所示。

圖7 單向閥拆檢照片

根據圖紙設計要求，單向閥閥套與提板之間的間隙為0.20 mm～0.35 mm，實測間隙值為0.3 mm。為保證拆檢時泄油方便，在提板底部開2×φ3孔。拆檢發現：2個小孔存在較多毛刺，導致電動油泵工作時提板上移并與閥套卡澀。當電動油泵與主油泵切換后，電動油泵停止、主油泵工作，由于卡澀，提板無法向下移動，導致大量潤滑油通過單向閥旁通至油箱，并導致調節系統油壓下降。

2.3 減速器行星軸燒毀原因分析

行星齒輪減速器的結構如圖8所示，主要由箱體、軸瓦、輸出轉架、行星軸、行星輪、太陽輪、行星架和聯軸器等組成。

圖8 減速器結構示意圖

來自潤滑總管的潤滑油經節流孔板后，通過箱體法蘭進入焊接在箱體內部的不銹鋼管，進入到由箱體軸承座與軸承外圓面形成的環形油腔中，通過環形分布的進油孔給輸出轉架徑向軸承和推力軸承供油。同時，潤滑油經輸出轉架上的3個徑向孔和電機軸頭中心腔室供給傳動組件，在傳動組件內，油路分為3路，其中1路為嚙合用油，1路為行星軸供油，1路為聯軸器用油，所有回油聚集在下箱體后，通過回油總管回至油箱。

經過前期計算分析可知：正常運行時，減速器的供油壓力不應小于0.2 MPa～0.25 MPa。在轉速低于3 000 r/min時，供油壓力不應低于0.12 MPa。

根據現場采集的試驗數據顯示：當天機組調節系統油壓下降后（13:12:14），機組轉速為2 344 r/min時，減速器潤滑油壓為0.039 MPa。顯然，進入減速器的潤滑油壓是偏低的，因而造成行星軸與行星輪供油壓力不足，致使行星軸燒毀。

3 故障處理

根據現場拆檢的情況，認為此次故障涉及的零部件主要包括減速器、單向閥和油箱等部套件。由于行星軸表面巴氏合金燒毀，且行星輪內部同樣存在局部拉痕，為確保機組后續安全、穩定運行，決定更換3個行星輪與3個行星軸。通過前期的分析，認為單向閥卡澀的主要原因是提板處φ3小孔處存在毛刺，導致卡澀。考慮到后續機組在試驗及運行過程中，仍有可能因為金屬雜質進入提板閥而導致單向閥卡澀，因此將提板閥更改為球閥結構。使用球閥接口后，球與閥座之間的配合間隙大于1 mm，不會產生卡澀現象。在實際生產過程中，只要保證球的制造精度，確保水壓（或油壓試驗）合格，則球閥可滿足機組的使用要求。改進結構圖如圖9所示。

圖9 使用球閥結構的單向閥

由于減速器內部有少量巴氏合金粉末，金屬粉末通過油路系統進入了潤滑總管和油箱，因此排空潤滑油，清理油箱，重新串油。

4 結束語

分析汽輪發電機組在首次動車過程中減速器行星軸燒毀的原因，認為造成減速器行星軸燒毀的主要原因是油路系統電動油泵出口單向閥卡澀，導致當主油泵正常工作時出現內漏現象，大量高壓油直接進入油箱并導致調節系統滑油壓力降低，電動油泵反復啟停，熱繼電器跳閘，電動油泵未能啟動，最終潤滑系統油壓偏低，導致減速器行星軸燒毀。

根據拆檢情況，提出了更換行星輪和行星軸、改造單向閥為球閥結構以及系統換油的整改方案。通過整改方案的實施，完成了機組滑油的更換及重新串油、完成了球閥的制造及更換、完成了齒輪箱行星軸的更換、完成了機組的對中工作及試驗驗證，通過試驗驗證，表明整改措施有效。