主油泵齿式联轴器故障分析
摘要:针对多起汽轮机主油泵齿式联轴器频繁磨损，导致频繁检修甚至事故停机的问题，根据国内机组出现的类似现象，对该类型联轴器频繁损坏进行了分析研究。本文从联轴器的运动规律着手，分析了汽轮机组对主油泵联轴器性能的要求；根据齿式联轴器常见故障的现象，找到了联轴器频繁损坏的原因；本文提出了齿式联轴器损坏的解决方案和安全运行的预防措施，为其它机组同类型联轴器的改进积累了经验，同时对使用该类型联轴器的机组的检修维护提出了建议。
关词键：主油泵；齿式联轴器；主油泵推力瓦，磨损；卡涩
Research of Main Oil Pump’s Tooth-coupling Damage
Abstract: we researched many high-frequency maintenance and accident trips which were conduced by the abrasion of the main oil pump, and referenced the similar damages of other steam turbines, and studied the cause of the damage. This paper commenced on the movement of the coupling, and analyzed how the main oil pump coupling can fit the steam turbines. According to the damage of the coupling, we found the cause. This paper shows some experience to the similar coupling damage, and gives some suggestion to the maintenance of the similar steam turbine unit and to solve the problem.
Keywords: Main oil pump, tooth coupling, thrust-support bearing of Main oil pump, abrasion, block.
1 引言
对于汽轮机转子与主油泵转子之间采用联轴器传动的汽轮发电机组，全国各地多次发生过因联轴器故障引起的主油泵推力瓦烧毁、机组调速系统负荷摆动甚至事故停机的案例。对于使用齿式联轴器与主油泵连接的汽轮机，联轴器的运行工况与机组的安全性和经济性有直接联系，特别是消除联轴器运行时出现的卡涩现象更是成为检修维护工作中的重中之重。
2 汽轮机转子与主油泵转子的位置关系
对主油泵联轴器来说，如图 1所示，汽轮机转子（主动轴）与主油泵转子（从动轴）的相对位置可分为4种。图A是理想状态，即两个被连接轴的中心线重合（x=0），事实上这种联接是理想的，实际中很少出现；图B是两个被连接轴中心线平行但不重合，即所谓的有圆周偏差y（晃动），而无端面偏差（瓢偏）；图C为两个被连接轴轴端的中心点
相重合，但两个轴的轴线有一定的夹角a，从而使端面产上了“张口值”x（瓢偏）；实际上，往往被连接的两个轴的位置状态如图D所示，即两个被联接轴的中心线不平行（有端面偏差），其端面的中心点也不重合（有圆周偏差）。
图 1 主动轴与从动轴的相对位置关系
3 汽轮机转子及主油泵转子的运动分析
理论情况下，主油泵及汽轮机各瓦的回转中心线完全重合，主油泵转子是在汽轮机转子的带动下，在瓦内仅有旋转运动，无径向位移及轴向窜动。但是，受到热膨胀、振动、润滑等外部因素的干扰，二者除了旋转运动，还伴随有轴向运动和径向运动。
3.1 轴向运动
汽轮机转子的轴向运动主要由转子的热膨胀引起，当汽轮机工况改变时，由于转子温度的改变使转子长度发生变化，该变化反映在主油泵联轴器处即表现为汽轮机转子端（即主动轴）发生轴向位移。
主油泵多数采用双侧进油，该类型泵从结构上已平衡了一部分轴向力，剩余的轴向力由主油泵上的推力瓦来平衡，在运行时主油泵转子的推力盘紧贴主油泵推力瓦运行，所以可以认为主油泵转子在正常运行时是没有轴向位移的。
3.2 径向运动
径向运动的主要原因是因为旋转体的旋转中心与其固定装置（如轴瓦）的回转中心线不重合，如图 1中的B、D所示。主油泵转子中心线与汽轮机转子中心线不重合有以下几种原因。
1、安装误差超标。主油泵在找中心时即有误差，这是最常见的原因；
2、主油泵中心安装时预留高度不对。主油泵在找中心时汽轮机组往往处于冷态，汽轮机转子处于相对较低位置，运行时汽轮机转子及轴承座受热膨胀，其中心线将抬升，而主
油泵转子受温度影响不大，故其中心高度基本不变。所以主油泵在找中心时应预留一定的高度，该高度应能满足机组运行时主油泵中心与汽轮机转子中心高度相同。若预留高度不能满足机组正常运行时主油泵中心与汽轮机转子中心高度的一致性，必然出现图 1中B、D所示的情况。
3、机组长时间运动使紧固件（如螺栓）松动，使主油泵中心缓慢变化；
4、前箱变形或是由于前箱下部滑销系统卡涩，汽缸膨胀时推动前箱使前箱标高和横向位置发生改变，从而引起主油泵中心的变化。
4 联轴器的运动分析
根据齿式联轴器的结构特点可以知道，该类形联轴器在静止时，可以沿轴向有一个自由移动量H（H=h1+h2，图 2），在径向的移动量则为外齿圈与内齿圈的径向间隙。
图 2 联轴器结构图
1，2，3—螺母，垫圈，螺栓；4 —密封环；5 —钢丝；6 —挡圈；7 —挡环； 8 —涨圈； 9
—外齿套； 10 —主动轴；11，12—内齿圈； 13—从动轴；14—外齿套
注：联轴器的形式可能会因机组的不同而在结构上略有不同。
当联轴器工作时，主动轴与从动轴在联轴器内的滑动距离将在0～H之间变化（轴向运动）；由于从动轴与主动轴轴线有一定夹角，即主动轴与从动轴之间有端面偏差时，联轴器的外齿圈相对内齿的轴向位移则等于其端面偏差A（瓢偏值）。其数值大小为A=D*sin(a)
式中
A——端面偏差（瓢偏值） D——联轴器直径
a——主动轴与从动轴的轴线夹角
在存在上述安装偏差的情况下，联轴器每旋转一周，联轴器的内齿圈相对于轴端外齿在轴向从0～A之间变化两次。
由于存在圆周偏差（图 1B），联轴器每旋转一周，两个被联接轴端面则在径向上从0～y相对移动两次。
5 对汽轮机组主油泵转子联轴器的性能要求
实际情况下，受到安装工艺的限制，主油泵在找中心时不可能将误差控制到零（图 1中A图所示的状态），而且机组在运行时转子的轴向热膨胀也是不可避免的，这就意味着主油泵转子的联轴器应能容纳一部分轴向位移，而且当汽轮机转子发生轴向位移时，不至于将该位移传递到主油泵转子上。同时，由于3.2中第2条所述的原因，该联轴器也应该能容纳一部分径向偏差。
纵上所述，采用汽轮机转子驱动的主油泵多数采用了齿式联轴器。
6 齿式联轴器的结构
由图 2可看出，此类联轴器分为左右两部分，主动轴与从动轴通过“主动轴—外齿套—内齿圈—联接螺栓—内齿圈—从动轴”的方式传递扭距，由于两轴无直接接触，是通过外齿套与内齿圈来传递力矩，所以它允许相联的两轴间有一定的偏斜和轴向位移。最大允
［］
许倾斜1°30′4；轴向位移视结构条件、功率大小而定，对齿式联轴器来说，可为2mm～6mm。正是这种结构，使被联接的两轴端面中心可以有一定的偏差，同时也能够较大幅度地容纳来自主动轴和主动轴之间的轴向位移。
7 齿式联轴器在汽轮机组中的应用
主油泵齿式联轴器是汽轮机油系统的重要部套，它一端与汽轮机主轴相联，另一端与主油泵轴相联。液压调节系统还要通过主油泵驱动弹性调速器（亦有用旋转阻尼或径向钻孔泵的）为调节系统提供一次油压。该类型联轴器应用示意图见图 3。
1—调速器 2—主油泵 3—联轴器 4—汽轮机转子
注：部件1因机组的不同而有不同，采用电液调节的机组没有此部件
图 3 主油泵齿式联轴器布置图
在机组动、停过程中，汽轮机转子将发生轴向窜动和位置的变化，汽轮机推力轴承的推力间隙为0.45mm左右，在启停机时转子的胀差将达数毫米，而主油泵推力盘与推力瓦块的间隙只有0.12～0.17mm；如果该轴向窜动不被联轴器吸收，则汽轮机转子的轴向推力
将直接作用在主油泵推力瓦上，导致推力瓦烧毁及其它事故。由于主油泵轴与主轴间用齿式联轴器联接，它除了传递旋转力矩还必须能够在主轴窜动时通过齿面的相对滑移，消除主轴窜动对泵轴的影响；对于使用高速弹性调速器的调节系统来说，还起到有效防止弹性调速器轴向位置发生变化引起机组负荷摆动的作用。
8 齿式联轴器故障的表现及原因
8.1 磨损
磨损是联轴器常见的缺陷，在第4部分已论述，运行时被联接轴相对联轴器有相对滑动，这是磨损的一个前提条件。导致联轴器磨损的其他原因较多，主要原因可以分为4种。
8.1.1 制造工艺
加工工艺好的联轴器的内外齿的各齿之间齿形误差小，联轴器上传递的旋转力矩能平均分配在每一个齿上；而加工工艺差的联轴器的齿则会受力不均，导致个别齿受力过大，从而引起磨损，严重时将发生掉齿。
8.1.2 材质应用不当或表面热处理工艺差
如果联轴器的内外齿的材料硬度低，内外齿接触面间抗耐磨性差，也必将引起联轴器［］
的磨损1。齿式联轴器的齿面一般采用淬火或氮化处理以提高其表面硬度，增加其耐磨性；但由于热处理工艺不当，会导致齿面硬度不足。
8.1.3 润滑效果差
由于齿式联轴器所联接的两个转动部件在转动时有轴向移动，所以必须证联轴器有良好的润滑。润滑效果差或失去润滑，必将增大联轴器与被联接轴之间的磨擦，长时间运行导致联轴器的磨损。
8.1.4 安装偏差
机组在安装时主动轴和从动轴的端面中心会出现偏差（见3.2部分分析），当该偏差（图 1，y值及a角中任何一项）超过齿式联轴器所允许的范围时，主油泵将随汽轮机转子
［］
做圆锥摆运动，造成主油泵轴瓦、推力瓦磨损甚至液压调节系统的负荷摆动2。
8.2 卡涩
当联轴器润滑效果差或失去润滑（8.1.3）时，联轴器与被联接轴将出现卡涩。同样，若安装偏差过大（8.1.4），也会导致此种现象。特别注意，主油泵所在的前箱离汽轮机的前汽封非常近，当运行调整不当时即会有蒸汽进入前箱内，带水的透平油的润滑效果大打折扣，还加快了铁质部件的锈蚀过程。水份长期残留在联轴器内，将加快联轴器的卡涩。
8.3 抱死
当卡涩现象及锈蚀严重到一定程度，主油泵转子、汽轮机转子及联轴器将咬合在一起，此时联轴器已经报废。
8.4 掉齿
导致掉齿的原因较多，多是由于联轴器的齿受力不均所致，如加工时齿形的偏差，或运行时局部齿内进入硬物，导致个别齿受力；安装时的偏差也会使局部齿受力。掉齿的另外一个原因是联轴器加工时的热处理工艺不当，个别齿内有残余应力甚至裂纹等，都会造成此种现象。
9 结论
根据上述分析，在检修检修时要加强主油泵联轴器的检查，特别是发现主油泵推力瓦异常磨损时更要引起重视。在发现联轴器表面磨损时应及时更换联轴器并查找原因，以免运行时发生卡涩引起不安全事件。
保证齿式联轴器安全运行应做好以下措施： 9.1 提高安装精度
由3.2部分论述可以得出如下结论。
提高安装精度可以减少主油泵中心线相对于汽轮机转子中心线的圆周偏差（晃动）及端面偏差（瓢偏），从而减小因几何位置的改变使齿式联轴器出现卡涩或磨擦的可能。对于两轴的径向允许偏差，在没有端面偏差的情况下，可以>1mm。但是联轴器的输出转矩将随着角a和径向偏差b的增大而降低。在a=1°30′和额定转速的情况下，其输出转矩
［］
仅为额定转矩的15%左右4。所以应尽量提高联轴器的安装对中精度。
主油泵中心线与汽轮机轴线夹角在实际检修中不易测量，往往改用测量其端面偏差来代替，通常主油泵找中心时，端面偏差应≤0.03mm，圆周偏差应≤0.03mm（高低数值要考虑预留高差），此时联轴器的输出功率基本不受影响。
在冷态时找中心主油泵中心要高于汽轮机中心线0.20～0.25mm。也可以按照l=△t1*r*λ+h*λ*△t2来确定。
式中
l——主油泵中心应高于汽轮机中心的高度mm； △t1——汽轮机转子冷态与热态时的温度差℃； r——汽轮机＃1瓦轴颈处半径mm； λ——金属热膨胀系数mm/(mm·℃)；
h——汽轮机前箱至＃1瓦洼窝处高度mm；
△t2——汽轮机前箱＃1瓦处冷态与热态时的温度差℃。 9.2 改善联轴器的润滑条件
由8.1.3部分可知，良好的润滑对于联轴器的安全运行至关重要。汽轮机主油泵多用透平油来润滑。据安装经验，多数联轴器润滑油取自润滑油管。检修中发现，由于该油管较细，油管路在检修拆装时往往要对该油管进行折弯，折弯部位对润滑油有一定的节流；还有油管对焊时有焊熘存在，此时若管道内积有杂物，则有断油的危险，现场检修中有多台次发现联轴器因此而润滑失效；特别是对于液压调节的系统，前箱油管路较多，该油管更容易折弯，检修时要务必注意。必要时可以增大该油管主管段的管径，减小管路中的节流
［］［］
损失1；也可以提高该油的压力，如从主油泵出口接压力油经节流后引至联轴器2。
9.3 消除滑销系统卡涩
3.2中第4部分说明，滑销系统的卡涩是引起主油泵标高及横向位置变化的一个重要原因。而实际检修中，由于前箱部位连接管路较多，特别是纵销位于前箱下部需要吊起前箱才能处理，而该部位出现缺陷时不易觉察，所以检修时往往会忽视前箱滑销系统的检修。而事实上，保证机组的良好膨胀也是维持机组安全经济运行的一个必要措施，2004年某公
［］
司＃5机组就出现过因前箱抬机引起主油泵标高变化使负荷摆动的现象2。所以检修时一定要注意滑销系统的检查。
为消除滑销系统的卡涩，可以提高滑销表面的光洁度，改用耐磨的材质，或涂上适当的润滑剂如石墨或二硫化钼等。同时，应注意前箱周围的清洁，避免异物进入滑销间隙内。
9.4 保证联轴器齿面硬度
齿式联轴器齿面硬度（外齿轴套/内齿圈）在淬火情况下应达到45～50HRC/40～45HRC，
［］
氮化时应>500HV，且层深不小于0.5mm4；值得注意的是部分联轴器出厂时就存在齿面硬度不足的情况，但这一点往往会被使用单位忽视。所以在发现联轴器齿面磨损时要检查其硬度是否符合要求，同时在更换新联轴器时也要对其进行硬度检查。
参考文献
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