某船用汽輪機組圍帶進汽邊局部碰擦問題分析與處理

曹 輝，胡繼敏，靳 軍

（1. 海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

某船用汽輪機在中、低轉速下運行穩定，機組各熱力參數正常，振動監測數據正常，隨后進行了停機惰走，惰走時間正常，盤車工作正常。之后開機，逐漸升轉速至額定轉速，完成振動測試后，進行惰走試驗。期間汽輪機后軸承回油溫度明顯偏高，其他各參數正常，惰走試驗時間偏短，停機后開啟盤車裝置對機組進行盤車，但此時已無法盤動。由此可斷定轉子與靜子出現碰擦、卡澀。現場拆除盤車裝置后進行手動盤車，并對機組前軸承座進行了拆檢，隨后對汽缸、汽輪機后軸承、減速器上蓋進行了拆檢，發現圍帶進汽邊出現了局部碰擦問題[1-3]。

1 問題描述

首先，復速第二級圍帶與轉向導葉環有碰擦，圍帶上有2條明顯碰磨痕跡，如圖1所示。

圖1 復速第二級圍帶

其次，壓力第二級圍帶與隔板有碰擦，圍帶上有3處嚴重損壞，如圖2所示。

圖2 壓力第二級圍帶

另外，還發現汽輪機壓力第一級圍帶與隔板有輕微碰擦，壓力級上無痕跡，隔板上半內圈焊縫處有輕微痕跡，且壓力第一級圍帶上一個鉚接型孔處有一條小裂紋。

2 問題的分析及處理

文章主要從設計、制造和總裝 3個方面來對該碰擦問題進行分析。

2.1 設計

汽輪機通流動靜部分發生了磨擦，因此，首先對汽輪機通流部分設計圖紙進行了仔細檢查與核對，檢查后發現：通流部分各零件設計尺寸、通流間隙要求等均設計合理，可保證機組安全運行，不會使機組運行時動靜產生碰擦。

同時，采用有限元方法對所設計的圍帶與葉片鉚接進行了計算。根據設計條件，復速級第二級圍帶鉚釘頭高度約2 mm，鉚釘邊緣厚度約1 mm，鉚釘與鉚釘孔間隙為0.15 mm到0.35 mm，計算中取最大間隙0.35 mm，計算轉速取115%額定轉速。計算結果如圖3所示。

圖3 設計條件下鉚釘強度計算

根據計算結果可知：設計條件下，鉚釘最大應力為497.3 MPa，最大應力位于鉚釘進汽側倒圓處，鉚釘平均截面應為25 MPa；圍帶最大應力為204 MPa，圍帶的最大位移為0.048 mm，位于進汽邊處，表明圍帶的鉚接設計滿足強度要求。

2.2 制造

在排除了設計問題的基礎上，詳細檢查了制造方面的問題。通過開缸對通流部分各零件的檢查和測量，發現隔板制造和圍帶裝配存在制造誤差，導致了此次故障的發生。

2.2.1 隔板制造

現場通過開缸對通流部分各零件的檢查和測量，發現隔板汽封圈內圈焊縫高度不一致，部分焊縫高度達到了約10 mm（見圖4），而設計焊縫高度為5 mm，實際高度超出了設計要求。

由于隔板汽封圈內圈部分焊縫高度超出了設計值，就會造成轉子圍帶和隔板焊縫之間間隙的減小，從而存在動靜部分碰擦的隱患，機組運行時，可能會引起動靜部分之間的碰擦。

圖4 隔板焊縫

2.2.2 圍帶裝配

圍帶裂紋是由于圍帶鉚接后產生的沖擊裂紋，沖鉚后探傷檢查未發現，在試驗運行過程中高轉速、高溫、高壓產生了高離心力擴展了該裂紋。

2.3 總裝

檢查零件的同時，技術人員也對總裝過程記錄進行了仔細檢查，檢查后發現各零件裝配及間隙均符合要求，所有通流間隙尺寸也在設計范圍內，總裝符合要求。

3 處理措施與試驗驗證

根據上述原因分析，特制訂了以下處理措施：1）檢查機組所有隔板汽封圈內圈焊縫高度，并按圖紙要求進行處理；2）檢查機組轉子上所有葉片與圍帶的間隙，如超差較大則按相關質量管理流程進行處理；3）如果機組圍帶有裂紋，則更換圍帶及相關葉片；4）對機組其他所有動葉圍帶進行探傷，如發現不合格，則更換圍帶及相關葉片，重新做動平衡；5）機組進行復裝后重新進行試驗驗證。

在完成隔汽封圈內焊縫處理、更換圍帶葉片后，機組復裝并重新進行試驗，試驗結果表明：機組在額定轉速工況下運行平穩、正常，停機后，盤車正常，故障消除。

4 結論

該汽輪機圍帶進汽邊局部碰擦問題主要是由于制造過程中存在誤差造成的。通過原因分析，可以得出以下結論：1）隔板汽封圈內圈的部分焊縫高度超出設計值，使兩者之間動靜間隙減小，由于后軸承燒毀后振動，從而導致了壓力第二級圍帶與隔板發生了碰擦、損壞；2）汽輪機壓力第一級圍帶與隔板焊縫有輕微碰擦的原因主要是隔板汽封圈內圈的部分焊縫高度超出設計值，導致動靜間隙減小，在高轉速下出現輕微碰擦；3汽輪機壓力第一級圍帶上出現的1條小裂紋為鉚接是沖擊應力引發裂紋。

通過更換葉片圍帶以及加工處理超差的焊縫高度后，機組復裝，驗證試驗結果表明機組運行及盤車正常，故障消除。