汽輪機盤車用自動離合器的工作原理及運行

王濤　盧平

摘? 要：文章介紹了一種汽輪機盤車裝置中采用的自動盤車離合器的結構、工作原理及其運行過程。自動離合器沒有棘輪、棘齒結構，與汽輪機轉子不同軸，結構緊湊，傳遞載荷大，能夠自動嚙合、純機械自動脫開，安全可靠，具有廣泛的借鑒參考意義。

關鍵詞：汽輪機;盤車;自動嚙合;自動脫開;離合器

中圖分類號：TM311 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）34-0050-02

Abstract： This paper introduces the structure， working principle and operation process of an automatic turning clutch used in a steam turbine turning device. Automatic clutch has no ratchet or ratchet structure， is different from steam turbine rotor shaft， has a compact structure， large transfer load， automatic meshing， pure mechanical automatic detachment， safe and reliable， thereby has a wide range of reference significance.

Keywords： steam turbine; turning; automatic meshing; automatic release; clutch

引言

盤車裝置是保證汽輪機發電機組安全的重要設備，在啟動預熱階段和停機后，汽缸內上、下部蒸汽存在溫度或局部溫度不均，為使汽輪機轉子受熱均勻，防止汽輪機轉子因溫差發生彎曲事故，需要配置盤車裝置驅動轉子持續轉動。因汽輪機轉子價值很高，發生彎曲事故損失很大，因而盤車裝置的安全、穩定、可靠就非常重要。

從實際的工程經驗來看，盤車裝置最容易出現的故障就是盤車裝置的嚙合和脫開的過程。能實現盤車裝置的自動嚙合和自動安全脫開的自動離合器是非常必要的。

本文介紹一種在多個百萬千萬級汽輪發電機組中使用的，能夠實現盤車裝置穩定可靠地自動嚙合和脫開的全自動低速重載離合器。

1 盤車裝置簡介

盤車裝置布置于汽輪發電機組機頭側的前軸承箱內，主要由盤車電機、離合器，盤車大齒輪等部件組成。盤車大齒輪套裝在汽輪機高壓轉子的前端與轉子組成一體隨轉子轉動;離合器的主軸與轉子平行布置，離合器上的盤車小齒輪可相對離合器主軸軸向運動，實現盤車的嚙合和脫開;盤車采用電機驅動，盤車電機臥式布置于箱體外側，并與離合器的主軸垂直布置，結構緊湊，如圖1所示。

2 離合器的結構

離合器主要由主軸（帶螺旋花鍵槽）、小齒輪、定相齒輪、蝸輪蝸桿、軸承、電磁閥、位置傳感器等零部件組成。與盤車電機相連的蝸輪將電機動力通過蝸桿傳遞至主軸，主軸通過小齒輪傳遞至盤車大齒輪，驅動汽輪發電機組轉子轉動。離合器同時具有減速的作用，通過蝸輪、蝸桿和小齒輪、大齒輪的齒數比設置，將盤車電機轉速750RPM減至盤車轉速8RPM。離合器結構如圖2所示。

小齒輪外徑齒與盤車大齒輪外徑齒配合，定相齒輪緊固在小齒輪與盤車大齒輪初始嚙合的區域，三者均為直齒。初始嚙合區域在離合器嚙合時需要承受沖擊載荷，定相齒輪使用較軟材質，可保護盤車大齒輪，定相齒輪的存在同時也可以保護小齒輪。定相齒輪尺寸較小，且更換易操作，更換成本也相對更換盤車大齒輪和小齒輪低。

小齒輪內徑與主軸外徑為螺旋花鍵配合結構。當小齒輪外側與盤車大齒輪少量或全部嚙合時，如果存在轉速差，小齒輪將相對主軸旋轉，旋轉的同時小齒輪將沿主軸軸線方向運動。

主軸靠近蝸輪側設有嚙合用供油口，電磁閥通電后供油進入小齒輪左端部與主軸凸出結構組成的腔室A，用于推動小齒輪軸向運動。

主軸中心孔能夠持續供油。供油至主軸與小齒輪之間的腔室B能夠潤滑螺旋花鍵，推動小齒輪軸向運動，脫開時使小齒輪保持在脫開位置。供油至腔室C能夠吸收完全嚙合時的沖擊。嚙合用供油和中心孔能持續供油為同一油源，具有相同的油壓。

在嚙合和脫開的位置均設有位置傳感器，可遠程監測離合器“嚙合”或“脫開”的狀態，結合盤車裝置的控制系統，可實現盤車的自動化控制。

3 離合器的工作原理

根據離合器工作的受力情況，可將其分為4個過程。

3.1 脫開至初始嚙合

電磁閥通電使腔室A進油，因腔室A面積大于腔室B，腔室A對小齒輪向右（圖2中所示的右側，下文左、右均按相同參照）的軸向力大于腔室B對小齒輪向左的軸向力，在二力差值的作用下小齒輪向右運動。小齒輪右移離開腔室A之前，小齒輪上的定相齒輪已經與盤車大齒輪實現初始嚙合。

3.2 初始嚙合至完全嚙合

初始嚙合后，小齒輪與盤車大齒輪具有相同的等效轉速（零或者小于等效盤車轉速），盤車主軸轉速等于等效盤車轉速，即主軸的轉速大于小齒輪轉速，且小齒輪與大齒輪為直齒，可軸向運動，此時主軸和小齒輪螺旋花鍵配合處，主軸對小齒輪的使小齒輪向右運動的力矩T1大于小齒輪對主軸的力矩T2，小齒輪向右運動，直至T1=T2，達到盤車轉速。

3.3 完全嚙合至脫開

完全嚙合至脫開的過程與初始嚙合至完全嚙合過程相反。當汽輪機沖轉，汽輪機轉子轉速（即盤車大齒輪轉速）超過盤車轉速，主軸和小齒輪螺旋花鍵配合處，小齒輪對主軸的使小齒輪向左運動的力矩T2大于主軸對小齒輪的力矩T1，小齒輪沿軸向向左運動直至脫開。

3.4 脫開后

小齒輪完全脫開后，在腔室B油壓力的作用下繼續向左運動，腔室B的油壓同時能使小齒輪保持在脫開位置，防止小齒輪與高速旋轉的盤車大齒輪碰擦發生損壞事故。

4 盤車裝置運行簡述

選擇啟動盤車后，控制系統判斷汽輪機轉速是否大于盤車轉速8RPM，汽輪機轉速小于盤車轉速且為零，電磁閥通電使盤車嚙合然后啟動盤車電機，持續盤車。汽輪機轉速大于盤車轉速則先啟動電機，等到汽輪機轉速降到盤車轉速后電磁閥通電使盤車嚙合。持續盤車后，汽輪機準備好在加速超過盤車轉速后脫離。若不再盤車，離合器脫開后，切斷盤車電機，盤車處于備用狀態;若還需盤車，則選擇啟動盤車，將判定小齒輪是否脫離嚙合，如已經脫離嚙合，則等到汽輪機轉速降到盤車轉速后電磁閥通電使盤車重新嚙合，如未脫離嚙合，則繼續盤車，直至汽輪機加速脫開（圖3）。

5 離合器的嚙合過程

5.1 啟動前的嚙合過程

汽輪機發電機組啟動前，汽輪機轉子的轉速為零。

5.1.1 當盤車系統收到啟動盤車的指令后，判定轉速為零后，電磁閥通電，使供油進入腔室A，使小齒輪朝與盤車大齒輪嚙合的方向作運動。

5.1.2 當小齒輪軸向運動至即將離開腔室A時，小齒輪上的定相齒輪與盤車大齒輪已嚙合。

5.1.3 盤車電動機啟動。

5.1.4 離合器部分嚙合后，位置傳感器反饋信息，控制系統切斷電磁閥，腔室A油壓消失。

5.1.5 主軸旋轉，使小齒輪繼續軸向運動直至完全嚙合。小齒輪和主軸相對靜止，帶動汽輪機轉子轉動，保持盤車狀態。

5.2 停機后的嚙合過程

停機后，汽輪機轉子的轉速持續降低，當達到設定的盤車轉速時，盤車裝置離合器能夠自動嚙合。

5.2.1 在汽輪機轉速高于盤車轉速時，選擇啟動盤車指令。轉速監測系統監測汽輪機轉子的轉速，啟動盤車電機。

5.2.2 轉子轉速降至設定的盤車轉速后，電磁閥接通，內部油壓使小齒輪朝與盤車大齒輪嚙合的方向軸向運動。

5.2.3 離合器部分嚙合后，位置傳感器反饋信息。

5.2.4 主軸旋轉，且轉速大于轉子轉速，控制系統切斷電磁閥，內部油壓消失。小齒輪繼續軸向運動直至完全嚙合。小齒輪和主軸相對靜止，帶動汽輪機轉子轉動，保持盤車狀態。

6 離合器的脫開過程

離合器的脫開是全自動的機械動作，不需要控制系統操作。

（1）汽輪啟動后，在蒸汽作用下，盤車大齒輪的轉速大于盤車輸入轉速，因螺旋花鍵結構，盤車大齒輪對小齒輪有反向力，使小齒輪向脫開方向軸向運動。（2）主軸中心孔向腔室B的供油使小齒輪運動至完全脫離位置，供油同時能避免小齒輪軸向運動至與盤車大齒輪接觸，保證盤車裝置的安全。（3）位置傳感器顯示完全脫開，汽輪機可以加速沖轉。（4）主控室下達取消盤車指令，盤車電機停止。

7 結束語

盤車裝置的自動離合器已在多個百萬千瓦級汽輪機發電機組中實際應用，效果良好。自動離合器結構緊湊，傳遞載荷大，能夠自動嚙合、純機械自動脫開，易損件更換成本低，結構合理，安全可靠，工作原理先進，在相關工程領域具有廣泛的借鑒參考意義。

參考文獻：

[1]唐禮，劉緒芳.SSS離合器設計特點及在發電設備中的應用[J].東方汽輪機，2015（1）：20-23.

[2]中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊：第二卷：汽輪機[M].北京：機械工業出版社，1998.

[3]東方汽輪機有限公司.主盤車運行維護手冊[Z].2012-11.