某型汽輪機超速脫扣試驗淺析

曾建華，趙悅涵，蔡佐君，劉克成

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

汽輪機是高速旋轉設備，當機組轉速一旦超過允許的轉速范圍，就會造成設備的嚴重事故。為了防止機組超速產生的嚴重后果，汽輪機須設計超速保護裝置來保護機組的安全。汽輪機的超速保護裝置具有多種不同的結構型式，本文討論的某型汽輪機的超速保護裝置采用超速脫扣的結構，該型汽輪機在連續的超速脫扣試驗中經常出現試驗不成功、超速保護失敗等現象。通過分析其結構，找到試驗失敗的原因，并提出優化改進建議，以提高其可靠性。

1 超速脫扣裝置結構及工作原理

圖1給出了該型超速脫扣裝置的連桿結構，圖2給出了危急遮斷器的結構。此種超速脫扣裝置由危急遮斷器及超速脫扣連桿組成，其中連桿機構與機組速關閥的閥桿聯鎖，危急遮斷器則安裝在轉子軸上的垂直孔中。

圖1 超速脫扣連桿簡圖

圖2 危急遮斷器簡圖

速關閥全開后，可被脫扣連桿的結構作用鎖?。磼煦^），從而保證速關閥的可靠打開；當機組一旦發生超速情況時，危急遮斷器中的飛錘在離心力作用下迅速飛出，擊打在脫扣連桿的外側懸臂桿，使圖中連桿順時針轉動，使連桿結構的掛鉤狀態瞬間松脫，速關閥即在速關彈簧的作用下瞬間關閉，達到超速保護的功能和目的。

2 超速脫扣試驗不成功的原因

根據相關圖紙，超速脫扣連桿的掛鉤重疊度約為 2 mm，懸臂連桿與轉子軸外圓面的初始間隙為0.8 mm～1.0 mm。危急遮斷器飛錘的最大飛出位移為 2 mm，實際飛錘飛出撞擊的距離只有1 mm，和2 mm的掛鉤重疊度相差1 mm。理論上，超速脫扣裝置不一定能實現有效脫扣，特別是當機組轉速無限緩慢增加時，客觀上極大削弱了危急遮斷器飛錘的飛出沖擊作用。

該汽輪機在進行超速脫扣試驗時，操作人員有意控制了機組轉速的升速率，轉速上升非常緩慢，當轉速超出機組的超速范圍時，仍未能實現連桿脫扣，即超速保護功能異常。但細究其因，這個現象與上述原因相對，反映了此種超速脫扣裝置的潛在缺陷，進行超速試驗的方法必須有所改進。

另外，連桿裝置掛鉤處的毛刺，稍微增大了掛鉤脫扣所需的沖擊力，非主要原因和必然原因。當然，毛刺情況也不符合零件的加工要求。

3 危急遮斷器飛錘沖擊力估算

對該型汽輪機的超速脫扣裝置，根據圖紙要求，其超速脫扣的轉速范圍為 10 648 r/min～10 658.648 r/min，本文選取n＝10 548 r/min作為估算的基準轉速。

當危急遮斷器的飛錘離心力與彈簧預緊力相平衡時，可將此時的機組轉速稱為“飛錘起動轉速”；當轉速超出飛錘起動轉速時，飛錘即加速飛出。機組實際的飛錘起動轉速可在超速脫扣試驗中進行調整，以符合機組超速范圍的要求。根據該型汽輪機零部件的結構數據計算[1]，假設飛錘起動轉速為n＝10 548 r/min，當n以30 r/s～40 r/s的升速率上升并超過10 548 r/min時，飛錘受到的徑向力瞬間即可達到并超過1.5 N，待飛錘飛出1 mm時，其線速度可達約8 m/s，對超速連桿的瞬間沖擊造成的沖擊力應不小于4 N，對該汽輪機的超速脫扣裝置來說，足以完成連桿的脫扣動作，確保實現超速保護功能[2]。

4 改進建議

鑒于該型汽輪機超速脫扣裝置的結構特點、動作原理及存在的缺陷，超速脫扣裝置裝配和試驗應進行下述改進[3]。

1）危急遮斷器的飛錘擊出距離被限制為2 mm，可能不滿足裝配質量較差時的沖擊力需求，應適當增加。

2）超速連桿在制造和裝配時，應特別注意位置精度，確保掛鉤的作用方向通過連桿的轉軸中心，不可誤差過大。

3）超速脫扣試驗為人工模擬機組的飛車過程，從而精細整定機組的超速脫扣轉速。試驗時應小心謹慎，但也應保證機組轉速在超速范圍時的升速率不低于30 r/s～40 r/s，以回避此型裝置的原理缺陷。

5 處理及試驗驗證

該型汽輪機按上述建議進行了現場處理，對脫扣裝置的掛鉤處進行細微修配及去毛刺，然后進行不少于 9次的超速脫扣試驗，并注意保持10 648 r/min附近的轉速升速率為30 r/s～40 r/s，試驗均獲得了成功。

6 結論

本文對某型汽輪機的超速脫扣裝置的結構特點及工作原理進行介紹，分析了超速脫扣裝置試驗失敗的可能原因，計算了危急遮斷器飛錘的沖擊力。鑒于該型汽輪機超速脫扣裝置的結構特點、動作原理及存在的缺陷，提出了相應的改進措施：

1）適當增加危急遮斷器的飛錘的擊出距離，滿足裝配質量較差時的沖擊力要求。

2）提高超速連桿的位置精度，確保掛鉤的作用方向通過連桿的轉軸中心。

3）超速脫扣的試驗過程中，應保證機組的升速率不低于30 r/s～40 r/s。