核电盘车装置相位齿轮损坏原因分析及改进

段增辉

摘 要：详细介绍了东方百万等级核电汽轮机盘车装置的结构和控制原理，分析了电厂调试过程中出现的相位齿轮损坏原因，并提出了相关的改进措施。

关键词：核电汽轮机；盘车装置；相位齿轮；转动惯量

中图分类号：TK268 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.057

盘车装置是汽轮机发电机组的必要设备，机组启动前和停机过程中都需要对轴系进行盘车。机组启动前，盘车能盘直转子、检查动静碰磨。投轴封前和汽轮机停机时，必须及时投盘车，以免转子产生热弯曲。

半转速核电汽轮机体积庞大，转子转动惯量大，同时，核电站可靠性要求高，调试期间试验项目多，所以，对盘车装置的机械性能、操控性能提出了更高的要求。引进型百万等级核电汽轮机采用SSS离合器盘车装置，该装置轴向啮合、冲击力小，能有效保护汽轮机转子。但是，在某核电厂汽轮机调试期间，出现了盘车相位齿轮损坏的情况。本文主要分析了出现这一问题的原因，并提出了相关的改进措施。

1 相位齿轮损坏情况

在某核电厂汽轮机调试的过程中，作主辅电切换试验。在试验前，机组正常盘车，当主电切断后，润滑油泵、顶轴油泵和盘车电机停运。25 s后投辅电，盘车重新启动，但是，盘车在规定时间内因未能接收到正确的啮合信号而跳闸。

随后检查发现，盘车相位齿轮啮合端齿形发生扭曲变形，如图1所示。但是，装在大轴上的大齿轮完好无损，其他齿轮也无损伤。

2 盘车装置介绍

2.1 盘车装置工作原理

该盘车装置为电液操控，轴向啮合式盘车装置的结构如图2所示。

电机通过蜗杆蜗轮机构带动盘车轴转动，在盘车轴的外圆和小齿轮内圆之间有螺旋滑道。小齿轮的啮合端装有一个特制齿轮——相位齿轮，用于与大齿轮预啮合。相位齿齿形比小齿轮的齿形略细，更易于啮合。其材质选用软钢，这样即使与大齿轮强烈碰撞，也能利用相位齿轮自身材料损坏来保护大齿轮。盘车动力油是由三通电磁阀控制的，当电磁阀打开时，动力油推动小齿轮向大齿轮靠近；当相位齿轮齿与大齿轮齿隙对上时，在动力油的作用下，小齿轮轴向移动，实现与大齿轮的啮合。

当机组转速上升时，大齿轮会给小齿轮一个反力矩，小齿轮便会沿着螺旋滑道向脱开大齿轮的方向移动直至脱开。在盘车过程中电机停运，小齿轮失去动力，也会受到大齿轮施加的反力矩翻转而脱开。

该盘车置还配备了控制器和监测设备。转速探测器P1、P2测量大轴转速，P3测小齿轮转速，位置探测器S2、S3分别测量盘车是否啮合和退出。同时，由控制器判断监测信号，以控制盘车装置的运行。

2.2 盘车装置运行控制

选择启动盘车后，盘车装置如图3所示运行。

由图3可知，可以在以下情况下投盘车。

2.2.1 停机状态投盘车

控制器用转子转速探测器P1、P2判断机组转速是否大于盘车转速。如果不是，再确认转速是否为零，如果转速为零，则为停机状态。如果电磁阀带电，则小齿轮被推至与大齿轮接触。然后盘车电机启动，小齿轮旋转至相位齿轮与大齿轮轮齿无干涉时，轴向移动与大齿轮啮合。当完全啮合后（S2触发）电磁阀关闭，转子开始盘车。

2.2.2 降速过程投盘车

在降速过程中，控制器利用转速探测器P1、P2、P3判断出汽轮机转速大于盘车转速。这时，先启动盘车电机，当机组转速降至盘车转速时，电磁阀带电，将小齿轮推向大齿轮啮合。啮合后关闭电磁阀，转子开始盘车。

3 原因分析

从控制过程中可以看出，为了减小大小齿轮的冲击，该盘车装置要求相对静态啮合，即当啮合时，大、小齿轮的线速度相等，要么全部静止，要么两者都在盘车转速。

如果齿形扭曲变形，则为相位齿轮和大齿轮的强烈冲击所致。有此冲击，投入时，两者之间肯定存在较大的转速差。当出现这种转速差时，小齿轮和大齿轮接触瞬间会有2种极端的情况出现：①转子转速高，小齿轮静止或者转速很低；②转子静止或者转速很低，小齿轮转速高。

在试验过程中，汽轮机组一直没有升速，此次投盘车为图3所示的停机状态投盘车。当相位齿轮能与大齿轮接触时，就说明电磁阀已经带电。根据停机状态投盘车逻辑的要求，电磁阀带电需满足已确认“汽轮机转子转速为零”。因此，可以基本排除第一种极端的情况。

要想找到出现这种情况的根本原因，就需要知道主电断电25 s后投辅电后，汽轮机转子与小齿轮接触时各自的转速状态。当汽轮机和小齿轮脱开后，都会有一段惰走时间，所以，必须经过相关计算或测量。

3.1 汽轮机转子惰走时间计算

试验结果表明，断电后，汽轮机转子惰走时间很短，在25 s后投盘车时，转子转速已为零。因此，可以完全排除第一种大齿轮与小齿轮的接触情况——转子转速高，小齿轮静止或者转速很低。

3.2 小齿轮惰走时间测量

断电后，在盘车电机和小齿轮惰走期间，所受阻力为电机轴承摩擦力、离合器轴承摩擦力和蜗轮蜗杆间的摩擦力。

经现场测量，小齿轮惰走时间为78 s。

由上述计算和测量结果可知，大齿轮与小齿轮的实际接触情况为第二种，即转子静止，小齿轮以比较高的转速惰走。

在试验过程中，主电切断后，盘车电机、顶轴油泵停运。汽机转子在无顶轴油的情况下受到了很大的摩擦力，在不到1 s的时间内很快完成惰走。在OFF命令发出25 s后，DCS对盘车装置发出ON 指令。此时，汽轮机转速已为零，控制器根据转子转速探测器P1、P2的监测数据，按照停机状态投盘车。将逻辑电磁阀打开，推动带相位齿轮的小齿轮与大齿轮啮合，此时，小齿轮还在高速旋转。相位齿轮与大齿轮接触后会产生强烈的碰撞，导致相位齿轮被损坏。

4 改进措施

从以上分析中可以发现，盘车在机组停机状态下启动的过程中，控制逻辑中只有汽轮机转速为零的确认，但是，并没有小齿轮转速确认。如果小齿轮与此次试验的情况一样还在惰走，那么，就不能保证小齿轮与大齿轮静态啮合。

针对以上结论，对该盘车装置进行了改进。

4.1 增加小齿轮转速为零的确认

原控制逻辑停机状态投盘车流程中，在确认了汽轮机转子转速为零后，增加“小齿轮转速为零”的确认，以保证盘车装置真正的静态啮合，如图4所示。

4.2 延长盘车再启动的时间间隔

增加了小齿轮转速确认后，从逻辑上可以保证盘车装置不被误投入。为了保险起见，又增加了盘车再启动时间间隔的设定，规定停盘车与盘车再启动之间的最小时间间隔为120 s。该间隔远大于电机和小齿轮的惰走时间，也能排除测量误差引起的误操作。

采取了改进措施后，该盘车装置再也没有出现误投入的情况。后续台份采用了相同的改进方式，也没出现过类似的故障。这证明以上改进是行之有效的。

5 结束语

在主辅电切换试验中，汽轮机转子快速完成惰走，小齿轮惰走时间很长。当盘车快速再投入后，大小齿轮在有大转速差的情况下发生了激烈的碰撞，这是造成相位齿轮损坏的根本原因。在此需要注意的是，在盘车状态下进行该试验，大轴会在无顶轴的状态下惰走。这样做不符合汽轮机运行说明书的要求，容易造成转子损伤，建议此类试验不要在盘车状态下操作。

增加小齿轮零转速确认和盘车再投入延时，能够有效防止小齿轮在惰走状态投入，进而保护盘车装置不受损伤。

相位齿轮扭曲变形，而大齿轮没有损伤。这说明，相位齿轮采用软钢材质能达到以牺牲相位齿轮来保护大齿轮的目的。

参考文献

[1]卢霞.汽轮机盘车装置的设计[J].东方汽轮机，2006（2）：37-47.

[2]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册[M].第二卷：汽轮机.北京：机械工业出版社，1982.

〔编辑：白洁〕

Abstract： This paper introduces in detail the structure and control principle of Oriental 1 000 MW class nuclear power steam turbine jigger device， analyzes the power plant commissioning process in phase gear damage causes， and put forward the relevant improvement measures.

Key words： nuclear steam turbine； winch； phase gear； inertia