大功率离合器在汽轮发电机的应用特性

苗国宽

（安阳钢铁集团公司动力厂，河南安阳 455004）

1 工艺简介

安阳钢铁集团3#高炉鼓风站于2013年3月投用，采用两炉两机模式，站内配置2台240 t/h高温高压全燃高炉煤气锅炉，1台60 MW汽轮发电机组，1台杭汽HNK63/90/120工业汽轮机驱动的陕鼓AV100-18鼓风机组，预留1台备用鼓风机组。为保证大高炉安全稳定顺行，并且最大发挥汽轮机效率，2015年对预留备用鼓风机组实施扩建，新建鼓风机组采用新工艺一机两拖机组，即一套汽轮机两端出轴通过离合器分别驱动高炉轴流压缩机和发电机，汽轮机分别通过离合器与轴流压缩机和发电机实现啮合和脱开功能，两者之间切换时，机组停到零转速，进行换挡离合器的啮合脱开工作（图1）。

图1 工艺配置简图

该机组于2017年元月21日72小时满负荷试运完成并投入运行。但投用后发现机组在并网、加减负荷时振动、推力瓦温波动较大，有时会造成运行参数超标停机，经分析认为大功率离合器的应用特性对发电机组的稳定运行起到了举足轻重的作用。

主要设备及技术参数:

工业汽轮机型号：杭汽HNKS63/90两端出轴多级冷凝式汽轮机，陕鼓轴流压缩机：AV100-18全静叶可调鼓风机组，南阳防爆发电机:QFW-50-2。机组的额定转速：3000 r/min,汽轮机进汽压力：8.83 MPa，进汽温度：535 ℃

2 机组离合器的技术参数与工作原理

2.1 离合器的主要主要设计条件和技术参数

(1)转速：3000 r/min，

(2)传递功率：50000 kW，

(3)额定扭矩:160000 Nm,

(4)风机静阻力矩：2719 Nm、发电机静阻力矩：600 Nm，

(5)汽轮机进汽端热胀量：18.0 mm ，汽轮机排汽端热胀量：7.0 mm，风机热胀量：0.5 mm，发电机热胀量：1.0 mm。

2.2 离合器的工作原理

离合器采用MAAG的ZEP11离合器，主要结构由驱动端的外齿圈、被驱动端的外齿圈、内齿滑动部件、支撑套筒、导向轴环等机械部件及换挡机构、液压系统和仪控系统（图2图3）。工作原理：离合器的齿设计有尖定心，其它部分与不可分离离合器一样，在啮合状态下表现为普通的齿式离合器，由内齿滑动部件的轴向位移实现啮合/脱开，脱开状态下滑动部件被移动在一端，并由支撑套筒来支撑，内齿滑动部件的轴向位移是通过换挡机构来实现，换挡机构采用伺服电机来实现。

图2 离合器机构简图

图3 离合器实物图

3 离合器在汽轮发电机中的应用分析

3.1 离合器在汽轮发电机轴系的工作状况分析

离合器在汽轮发电机轴系中的工作状况如图4所示，一旦汽轮发电机离合器啮合，汽轮机转子、离合器、发电机转子便组成新的轴系，在机组开停及负荷变化过程中，由于汽轮机转子四周被蒸汽包围，转子伸缩量对蒸汽量反应比较快，而汽缸比较厚重，随着蒸汽量改变汽缸伸缩量较慢，故而会造成后气缸胀差的改变，也就是转子相对汽缸的改变量。

但是由于汽轮机推力轴承、发电机推力轴承的存在，使后汽缸胀差的改变量必须依靠离合器内外齿之间的轴向移动来吸收，这样一来，离合器在传递扭矩的同时，还要承受因汽缸胀差的改变对离合器内外齿发生相对移动产生的轴向力，因此离合器工作时受力状况复杂，离合器内外齿会发生轴向和径向位移导致运行状态不稳定，而且整个汽轮发电机轴系工作状态不稳定，极易造成推力瓦温、轴振动的改变，如果短期大幅度增减负荷，甚至会引起轴瓦超温、振动超标等停机事故。

图4 汽轮发电机轴系

3.2 影响离合器在汽轮发电机轴系中动作精度的因素

（1）离合器齿面光洁度

离合器齿面越光洁，在增减负荷引起后气缸胀差改变时，内外齿之间发生位移时阻力越小，离合器的内外齿错动时越容易。

（2）离合器润滑油的清洁程度与供油量

润滑油越清洁供油量越多，离合器内外齿面润滑状况越好，离合器的内外齿错动时越容易。所以保证离合器供油的清洁十分重要。

（3）发电机负荷

发电机负荷越大，离合器传递扭矩越大，内外齿之间发生位移时阻力越大，离合器的内外齿错动时越困难。

3.3 离合器对汽轮发电机轴系的影响

（1）由于整个汽轮发电机在开停机、升降负荷过程中汽轮机转子、汽轮机外缸膨胀收缩的快慢速度不一致，导致后气缸胀差发生改变，而胀差改变的位移要依靠离合器内外齿的错动来吸收，而离合器内外齿间移动必然引起轴向力的改变，因此由于离合器及两端推力轴承的存在，在机组负荷改变时发生轴系振动、推力瓦温度改变是必然的。

（2）在开机过程中，进汽量较小，转子受热膨胀较快，汽缸膨胀较慢，因此会出现较大的汽轮机胀差，这个过程也是离合器内外齿错动较快的阶段。但此时汽轮机负荷低，离合器传递扭矩较小，内外齿移动阻力小，该阶段离合器内外齿移动顺畅，不会对整个轴系的振动及推力瓦温造成明显影响。（汽轮发电机升速及加减负荷表1—5阶段）

（3）在汽轮发电机并网后及快速升负荷过程中，汽轮机转子受热快速膨胀，引起后汽缸胀差快速增大，这时离合器由于承受较大扭矩造成内外齿移动阻力大，导致离合器轴向遭受较大挤压力，这时会引起发电机主推瓦温上升，也会引起机组轴系振动快速上升。同时由于内齿轮受挤压时会引起整个轴系发生轴向中心的改变，因此增加了轴系的不稳定性，更易造成振动超标。（汽轮发电机升速及加减负荷表5—10阶段）

（4）在汽轮发电机快速降负荷过程中，汽轮机转子收缩较快，引起后汽缸胀差快速减小，这时离合器由于承受较大扭矩造成内外齿移动阻力大，导致离合器轴向遭受较大拉应力，这时会引起发电机副推瓦温上升，也会引起机组轴系振动快速上升。但此时内齿轮受拉伸，不会对轴系中心造成较大影响，因此轴系振动没有快速加负荷影响大，不易造成振动超标。（汽轮发电机升速及加减负荷表10—12阶段）。汽轮发电机升速及加减负荷 (仅列出影响较大参数)见表1。

表1 汽轮发电机升速及加减负荷表

4 结语

大功率离合器虽然可以传递较大力矩，但如果应用于内外齿反复发生大量相对位移的场合中，其受力状况复杂且对整个轴系振动影响较大，在运行过程中要注意发电机主付推力瓦温、轴系振动的变化，不要快速加减负荷。同时要保持润滑油的清洁，并且定期对离合器齿面情况进行检查维护。