某型汽轮机超速脱扣试验浅析

曾建华，赵悦涵，蔡佐君，刘克成

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

汽轮机是高速旋转设备，当机组转速一旦超过允许的转速范围，就会造成设备的严重事故。为了防止机组超速产生的严重后果，汽轮机须设计超速保护装置来保护机组的安全。汽轮机的超速保护装置具有多种不同的结构型式，本文讨论的某型汽轮机的超速保护装置采用超速脱扣的结构，该型汽轮机在连续的超速脱扣试验中经常出现试验不成功、超速保护失败等现象。通过分析其结构，找到试验失败的原因，并提出优化改进建议，以提高其可靠性。

1 超速脱扣装置结构及工作原理

图1给出了该型超速脱扣装置的连杆结构，图2给出了危急遮断器的结构。此种超速脱扣装置由危急遮断器及超速脱扣连杆组成，其中连杆机构与机组速关阀的阀杆联锁，危急遮断器则安装在转子轴上的垂直孔中。

图1 超速脱扣连杆简图

图2 危急遮断器简图

速关阀全开后，可被脱扣连杆的结构作用锁住（即挂钩），从而保证速关阀的可靠打开；当机组一旦发生超速情况时，危急遮断器中的飞锤在离心力作用下迅速飞出，击打在脱扣连杆的外侧悬臂杆，使图中连杆顺时针转动，使连杆结构的挂钩状态瞬间松脱，速关阀即在速关弹簧的作用下瞬间关闭，达到超速保护的功能和目的。

2 超速脱扣试验不成功的原因

根据相关图纸，超速脱扣连杆的挂钩重叠度约为 2 mm，悬臂连杆与转子轴外圆面的初始间隙为0.8 mm～1.0 mm。危急遮断器飞锤的最大飞出位移为 2 mm，实际飞锤飞出撞击的距离只有1 mm，和2 mm的挂钩重叠度相差1 mm。理论上，超速脱扣装置不一定能实现有效脱扣，特别是当机组转速无限缓慢增加时，客观上极大削弱了危急遮断器飞锤的飞出冲击作用。

该汽轮机在进行超速脱扣试验时，操作人员有意控制了机组转速的升速率，转速上升非常缓慢，当转速超出机组的超速范围时，仍未能实现连杆脱扣，即超速保护功能异常。但细究其因，这个现象与上述原因相对，反映了此种超速脱扣装置的潜在缺陷，进行超速试验的方法必须有所改进。

另外，连杆装置挂钩处的毛刺，稍微增大了挂钩脱扣所需的冲击力，非主要原因和必然原因。当然，毛刺情况也不符合零件的加工要求。

3 危急遮断器飞锤冲击力估算

对该型汽轮机的超速脱扣装置，根据图纸要求，其超速脱扣的转速范围为 10 648 r/min～10 658.648 r/min，本文选取n＝10 548 r/min作为估算的基准转速。

当危急遮断器的飞锤离心力与弹簧预紧力相平衡时，可将此时的机组转速称为“飞锤起动转速”；当转速超出飞锤起动转速时，飞锤即加速飞出。机组实际的飞锤起动转速可在超速脱扣试验中进行调整，以符合机组超速范围的要求。根据该型汽轮机零部件的结构数据计算[1]，假设飞锤起动转速为n＝10 548 r/min，当n以30 r/s～40 r/s的升速率上升并超过10 548 r/min时，飞锤受到的径向力瞬间即可达到并超过1.5 N，待飞锤飞出1 mm时，其线速度可达约8 m/s，对超速连杆的瞬间冲击造成的冲击力应不小于4 N，对该汽轮机的超速脱扣装置来说，足以完成连杆的脱扣动作，确保实现超速保护功能[2]。

4 改进建议

鉴于该型汽轮机超速脱扣装置的结构特点、动作原理及存在的缺陷，超速脱扣装置装配和试验应进行下述改进[3]。

1）危急遮断器的飞锤击出距离被限制为2 mm，可能不满足装配质量较差时的冲击力需求，应适当增加。

2）超速连杆在制造和装配时，应特别注意位置精度，确保挂钩的作用方向通过连杆的转轴中心，不可误差过大。

3）超速脱扣试验为人工模拟机组的飞车过程，从而精细整定机组的超速脱扣转速。试验时应小心谨慎，但也应保证机组转速在超速范围时的升速率不低于30 r/s～40 r/s，以回避此型装置的原理缺陷。

5 处理及试验验证

该型汽轮机按上述建议进行了现场处理，对脱扣装置的挂钩处进行细微修配及去毛刺，然后进行不少于 9次的超速脱扣试验，并注意保持10 648 r/min附近的转速升速率为30 r/s～40 r/s，试验均获得了成功。

6 结论

本文对某型汽轮机的超速脱扣装置的结构特点及工作原理进行介绍，分析了超速脱扣装置试验失败的可能原因，计算了危急遮断器飞锤的冲击力。鉴于该型汽轮机超速脱扣装置的结构特点、动作原理及存在的缺陷，提出了相应的改进措施：

1）适当增加危急遮断器的飞锤的击出距离，满足装配质量较差时的冲击力要求。

2）提高超速连杆的位置精度，确保挂钩的作用方向通过连杆的转轴中心。

3）超速脱扣的试验过程中，应保证机组的升速率不低于30 r/s～40 r/s。