9E燃機輔助齒輪箱故障分析與日常維護

吳建林

（浙江浙能鎮海發電有限責任公司，浙江寧波 315208）

0 引言

燃氣輪機是不能自行啟動的熱能動力裝置。對于9E型燃氣輪機，機組為了實現從啟動、點火直至到達額定轉速的全過程，機組配置了包括啟動電機、液力變扭器、3S離合器、輔助齒輪箱及輔助聯軸節等設備在內的啟動系統設施。機組啟動時，由啟動電機通過液力變扭器輸出扭矩，經過3S離合器帶動輔助齒輪箱、輔助聯軸節及機組主軸轉動。機組正常運行時，在3S離合器的作用下，啟動電機、液力變扭器與輔助齒輪箱之間的連接已被脫開，機組主軸通過輔助聯軸節帶動輔助齒輪箱轉動，再由輔助齒輪箱變速后帶動主潤滑油、主液壓油泵等輔機工作。故而輔助齒輪箱是燃機機組一個重要的輔助設備，如果它發生故障，機組將無法啟動和正常運行。

1 輔助齒輪箱結構

鎮海9E燃機發電機組采用的是美國GE公司生產的PG9171E型燃氣輪機，機組配置了美國費城齒輪公司生產的FRAME 9型輔助齒輪箱，齒輪箱為箱體結構，由底座及上蓋組成（圖1）。齒輪箱中共有4根軸系，分別編號為1#軸、2#軸、3#A軸、3#B軸與4#軸。1#軸帶動2#軸，再由2#軸帶動3#A軸、3#B軸與4#軸。若燃機是燃油機組，則3#A軸帶動主燃油泵運轉、3#B軸帶動主霧化空氣泵運轉，若燃機是燃氣機組，則3#A軸、3#B軸無動力輸出，為空轉狀態。4#軸一端帶動主液壓油泵運轉，另一端帶動主潤滑油泵運轉。1#軸一端通過輔助聯軸節與機組壓氣機轉子相連接，1#軸另一端通過3S離合器與液力變扭器相連接。機組正常運行時，各軸系正常轉速為：1#軸3000 r/min，2#軸3424 r/min，3A#軸 1550 r/min，3#B 軸 6600 r/min，4#軸 1422 r/min。

在機組正常啟動時，啟動馬達的動力通過液力變扭器及3S離合器帶動1#軸及機組轉子緩慢升速，直至機組升速至60%TNH（turbine non_drive HP shaft speed，燃機轉速），即1800 r/min時脫扣，即此后啟動系統設備與輔助齒輪箱已脫開，無功率傳輸。在機組60%TNH直至額定運行的3000 r/min為止，機組的動力通過輔助聯軸節傳至1#軸，并驅動輔助齒輪箱帶動輔助設備的正常工作。

2 輔助齒輪箱故障情況

對于輔助齒輪箱，一般均跟隨機組計劃檢修安排相應的檢查，對軸瓦等部件進行定期檢測與更換。機組投產以來已運行10多年，該設備運行基本正常。

2.1 輔助齒輪箱故障現象

某日，燃機負荷為105 MW正常運行時，突發“1#軸承振動大”報警信號。人員檢查時發現輔助齒輪箱安裝平臺振動明顯，且齒輪箱運行聲音異常，當即申請緊急停機。在此過程中機組由于1#軸承振動值再次急劇上升并超過1英寸/s，機組保護動作跳機，跳機后機組惰走時間與投入盤車情況正常，各軸承瓦溫度正常。

圖1 輔助齒輪箱結構（去除1#軸）

2.2 輔助齒輪箱解體情況

解體輔助齒輪箱，發現1#軸壓氣機側的軸瓦、油擋和軸頸磨損嚴重（圖2），離合器側的軸瓦和油擋也有磨損，1#軸上的傳動齒輪的齒有部分損壞（圖3），同時輔助齒輪箱殼體上的軸瓦底座有裂紋、破碎現象，導致齒輪箱殼體無法繼續使用。其余的軸、齒輪和軸瓦初步檢查未發現明顯損壞現象。由于該齒輪箱部件損壞較為嚴重，決定更換一臺新齒輪箱進行安裝，并在安裝時重新按標準對軸系中心進行檢測與調整。

3 輔助齒輪箱故障原因分析

（1）該輔助齒輪箱的齒輪經過十多年的運行，齒輪齒面發生磨損，齒間配合間隙變大，齒輪磨損引起軸系存在質量不平衡現象，當齒輪箱運行時軸系振動變大。壓氣機轉子通過輔助聯軸節與輔助齒輪箱連接，當輔助齒輪箱振動加劇時使得最近的機組1#軸承的振動值也同步變大，在經過長期運行后，齒輪箱軸系部件發生損壞是引起機組1#軸承振動大跳機的根本原因。

圖2 1#軸軸頸磨損

圖3 1#軸傳動齒輪損壞

該輔助齒輪箱1#軸的軸瓦為薄胎瓦（鎢金厚度僅1 mm）設計，機組運行時在齒輪箱持續振動的情況下，該軸瓦的鎢金非常容易碎裂脫落。軸瓦的鎢金一旦脫落，將使軸瓦的潤滑油膜被破壞，導致軸瓦潤滑不佳，軸頸與軸瓦磨擦加劇并發熱，這樣又再次使齒輪箱1#軸系的振動現象加劇，如此惡性循環，最后輔助齒輪箱的1#軸的軸瓦鎢金全部脫落，軸瓦間隙變大失控，同時軸瓦的金屬胎與1#軸軸頸直接接觸與摩擦碰撞，最終導致軸瓦的金屬胎失去固定而發生跑外圈現象，此時1#軸已失去軸瓦的潤滑與固定支撐作用，在高速運轉下，軸系跳動，使燃機機組軸系振動情況加速惡化，最終導致機組1#軸承振動值達跳機值而跳機。而輔助齒輪箱1#軸在失去軸瓦支撐后，軸系在高速運轉情況下發生跳動，使得1#軸齒輪部分齒被打壞、軸頸與油檔嚴重磨損，并使安裝軸瓦的軸瓦座損壞。

（2）鎮海9E燃機的基本運行方式為滿足電網調峰需求而實行日開夜停的方式，至故障發生時，機組已啟停將近2000次。由于機組啟停頻繁，加劇惡化了輔助齒輪箱的運行工況，這也是輔助齒輪箱發生零部件損壞事件的一個重要原因。

（3）由于設備制造廠商對該輔助齒輪箱未提供詳細的檢查與檢修工藝文件，對輔助齒輪箱進行檢修時其質量標準是參考國內通用齒輪箱的檢修工藝質量文件而制定的，因此實際的檢修與工藝質量要求有可能達不到制造廠商的技術規范。同時在現有的檢修裝備條件下，在齒輪箱檢修裝復后沒有有效的測試方法進行軸系高速動平衡測試工作。這也是輔助齒輪箱因振動大而發生零部件損壞事件的原因之一。

4 檢修和日常維護

（1）加強運行數據檢測工作。機組運行時，應每周檢測齒輪箱的振動情況，對相關數據進行跟蹤分析。有條件時，在輔助齒輪箱上安裝在線測振設備，并將信號接入機組振動監測畫面，以實現在線監測。

（2）縮短輔助齒輪箱的維護周期。應每季打開箱頂檢查蓋板對齒輪箱內部運行情況進行檢查，且每年安排一次揭蓋檢查工作，重點檢查齒輪嚙合情況及潤滑情況。

（3）在機組中修或大修時，輔助齒輪箱（包括殼體與各轉動部件）解體大修及軸系動平衡測試項目需列為標準檢修項目執行，并對解體的齒輪箱部件安排無損檢測，并將軸系部件送專業廠家進行動平衡測試。同時嚴格執行制造廠商的工藝規范文件，做好軸瓦間隙與齒側間隙的測量與復核工作，確保檢修質量。通過定期檢修與測試輔助齒輪箱的方式來保證齒輪箱設備安全可靠的運行。

（4）根據設備振動監測情況，定期評估設備運行情況，同時加強備品采購與儲備工作。對國內缺乏修復能力的重要零部件（如軸瓦）可送生產廠家修復，以保證檢修質量，提高設備可靠性。

（5）機組安排計劃檢修時，對輔助齒輪箱1#軸兩端與其連接的設備中心進行復測與調整，確保各傳動設備之間對中準確。

5 結語

燃氣輪機輔助齒輪箱是機組一個關鍵的輔助設備，它在機組啟動階段及正常運行時都有著重要的作用。對于長期運行的燃機機組，應定期開展對輔助齒輪箱的監測、維護與檢修工作，加強備件的儲備，嚴把檢修工藝質量，防止故障發生，確保輔助齒輪箱長期可靠穩定運行。