9E燃机辅助齿轮箱故障分析与日常维护

吴建林

（浙江浙能镇海发电有限责任公司，浙江宁波 315208）

0 引言

燃气轮机是不能自行启动的热能动力装置。对于9E型燃气轮机，机组为了实现从启动、点火直至到达额定转速的全过程，机组配置了包括启动电机、液力变扭器、3S离合器、辅助齿轮箱及辅助联轴节等设备在内的启动系统设施。机组启动时，由启动电机通过液力变扭器输出扭矩，经过3S离合器带动辅助齿轮箱、辅助联轴节及机组主轴转动。机组正常运行时，在3S离合器的作用下，启动电机、液力变扭器与辅助齿轮箱之间的连接已被脱开，机组主轴通过辅助联轴节带动辅助齿轮箱转动，再由辅助齿轮箱变速后带动主润滑油、主液压油泵等辅机工作。故而辅助齿轮箱是燃机机组一个重要的辅助设备，如果它发生故障，机组将无法启动和正常运行。

1 辅助齿轮箱结构

镇海9E燃机发电机组采用的是美国GE公司生产的PG9171E型燃气轮机，机组配置了美国费城齿轮公司生产的FRAME 9型辅助齿轮箱，齿轮箱为箱体结构，由底座及上盖组成（图1）。齿轮箱中共有4根轴系，分别编号为1#轴、2#轴、3#A轴、3#B轴与4#轴。1#轴带动2#轴，再由2#轴带动3#A轴、3#B轴与4#轴。若燃机是燃油机组，则3#A轴带动主燃油泵运转、3#B轴带动主雾化空气泵运转，若燃机是燃气机组，则3#A轴、3#B轴无动力输出，为空转状态。4#轴一端带动主液压油泵运转，另一端带动主润滑油泵运转。1#轴一端通过辅助联轴节与机组压气机转子相连接，1#轴另一端通过3S离合器与液力变扭器相连接。机组正常运行时，各轴系正常转速为：1#轴3000 r/min，2#轴3424 r/min，3A#轴 1550 r/min，3#B 轴 6600 r/min，4#轴 1422 r/min。

在机组正常启动时，启动马达的动力通过液力变扭器及3S离合器带动1#轴及机组转子缓慢升速，直至机组升速至60%TNH（turbine non_drive HP shaft speed，燃机转速），即1800 r/min时脱扣，即此后启动系统设备与辅助齿轮箱已脱开，无功率传输。在机组60%TNH直至额定运行的3000 r/min为止，机组的动力通过辅助联轴节传至1#轴，并驱动辅助齿轮箱带动辅助设备的正常工作。

2 辅助齿轮箱故障情况

对于辅助齿轮箱，一般均跟随机组计划检修安排相应的检查，对轴瓦等部件进行定期检测与更换。机组投产以来已运行10多年，该设备运行基本正常。

2.1 辅助齿轮箱故障现象

某日，燃机负荷为105 MW正常运行时，突发“1#轴承振动大”报警信号。人员检查时发现辅助齿轮箱安装平台振动明显，且齿轮箱运行声音异常，当即申请紧急停机。在此过程中机组由于1#轴承振动值再次急剧上升并超过1英寸/s，机组保护动作跳机，跳机后机组惰走时间与投入盘车情况正常，各轴承瓦温度正常。

图1 辅助齿轮箱结构（去除1#轴）

2.2 辅助齿轮箱解体情况

解体辅助齿轮箱，发现1#轴压气机侧的轴瓦、油挡和轴颈磨损严重（图2），离合器侧的轴瓦和油挡也有磨损，1#轴上的传动齿轮的齿有部分损坏（图3），同时辅助齿轮箱壳体上的轴瓦底座有裂纹、破碎现象，导致齿轮箱壳体无法继续使用。其余的轴、齿轮和轴瓦初步检查未发现明显损坏现象。由于该齿轮箱部件损坏较为严重，决定更换一台新齿轮箱进行安装，并在安装时重新按标准对轴系中心进行检测与调整。

3 辅助齿轮箱故障原因分析

（1）该辅助齿轮箱的齿轮经过十多年的运行，齿轮齿面发生磨损，齿间配合间隙变大，齿轮磨损引起轴系存在质量不平衡现象，当齿轮箱运行时轴系振动变大。压气机转子通过辅助联轴节与辅助齿轮箱连接，当辅助齿轮箱振动加剧时使得最近的机组1#轴承的振动值也同步变大，在经过长期运行后，齿轮箱轴系部件发生损坏是引起机组1#轴承振动大跳机的根本原因。

图2 1#轴轴颈磨损

图3 1#轴传动齿轮损坏

该辅助齿轮箱1#轴的轴瓦为薄胎瓦（钨金厚度仅1 mm）设计，机组运行时在齿轮箱持续振动的情况下，该轴瓦的钨金非常容易碎裂脱落。轴瓦的钨金一旦脱落，将使轴瓦的润滑油膜被破坏，导致轴瓦润滑不佳，轴颈与轴瓦磨擦加剧并发热，这样又再次使齿轮箱1#轴系的振动现象加剧，如此恶性循环，最后辅助齿轮箱的1#轴的轴瓦钨金全部脱落，轴瓦间隙变大失控，同时轴瓦的金属胎与1#轴轴颈直接接触与摩擦碰撞，最终导致轴瓦的金属胎失去固定而发生跑外圈现象，此时1#轴已失去轴瓦的润滑与固定支撑作用，在高速运转下，轴系跳动，使燃机机组轴系振动情况加速恶化，最终导致机组1#轴承振动值达跳机值而跳机。而辅助齿轮箱1#轴在失去轴瓦支撑后，轴系在高速运转情况下发生跳动，使得1#轴齿轮部分齿被打坏、轴颈与油档严重磨损，并使安装轴瓦的轴瓦座损坏。

（2）镇海9E燃机的基本运行方式为满足电网调峰需求而实行日开夜停的方式，至故障发生时，机组已启停将近2000次。由于机组启停频繁，加剧恶化了辅助齿轮箱的运行工况，这也是辅助齿轮箱发生零部件损坏事件的一个重要原因。

（3）由于设备制造厂商对该辅助齿轮箱未提供详细的检查与检修工艺文件，对辅助齿轮箱进行检修时其质量标准是参考国内通用齿轮箱的检修工艺质量文件而制定的，因此实际的检修与工艺质量要求有可能达不到制造厂商的技术规范。同时在现有的检修装备条件下，在齿轮箱检修装复后没有有效的测试方法进行轴系高速动平衡测试工作。这也是辅助齿轮箱因振动大而发生零部件损坏事件的原因之一。

4 检修和日常维护

（1）加强运行数据检测工作。机组运行时，应每周检测齿轮箱的振动情况，对相关数据进行跟踪分析。有条件时，在辅助齿轮箱上安装在线测振设备，并将信号接入机组振动监测画面，以实现在线监测。

（2）缩短辅助齿轮箱的维护周期。应每季打开箱顶检查盖板对齿轮箱内部运行情况进行检查，且每年安排一次揭盖检查工作，重点检查齿轮啮合情况及润滑情况。

（3）在机组中修或大修时，辅助齿轮箱（包括壳体与各转动部件）解体大修及轴系动平衡测试项目需列为标准检修项目执行，并对解体的齿轮箱部件安排无损检测，并将轴系部件送专业厂家进行动平衡测试。同时严格执行制造厂商的工艺规范文件，做好轴瓦间隙与齿侧间隙的测量与复核工作，确保检修质量。通过定期检修与测试辅助齿轮箱的方式来保证齿轮箱设备安全可靠的运行。

（4）根据设备振动监测情况，定期评估设备运行情况，同时加强备品采购与储备工作。对国内缺乏修复能力的重要零部件（如轴瓦）可送生产厂家修复，以保证检修质量，提高设备可靠性。

（5）机组安排计划检修时，对辅助齿轮箱1#轴两端与其连接的设备中心进行复测与调整，确保各传动设备之间对中准确。

5 结语

燃气轮机辅助齿轮箱是机组一个关键的辅助设备，它在机组启动阶段及正常运行时都有着重要的作用。对于长期运行的燃机机组，应定期开展对辅助齿轮箱的监测、维护与检修工作，加强备件的储备，严把检修工艺质量，防止故障发生，确保辅助齿轮箱长期可靠稳定运行。