西门子燃气发生器合成油泵修复与应用技术

2020-07-08沈登海

燃气轮机技术 2020年2期

沈登海

(中国石油西部管道公司，乌鲁木齐 830011)

RB211-24G燃气发生器在天然气管道运输、发电企业应用普遍，其合成油供油泵采用西门子委托加拿大凯斯肯公司生产的专利油泵，主要为燃气发生器前、中、后轴承提供润滑和可变入口导向叶片(VIGV)的执行器提供高压油。由于燃气发生器转速与轴承供油压力、流量息息相关，以及VIGV工作在高流速、重负荷条件下，因此燃气发生器对其要求苛刻，其在调节燃气发生器工作状态、拓宽工作范围等方面效果显著[1-3]。泵的采购、维护检修长期依赖凯斯肯公司，并对我国技术封锁，特别是中美贸易问题以来，状况更加严峻。为了提升合成油泵的自主检修、运维能力，有必要研究此泵的原理、结构与功能，将其实现国产化，打破国外的技术垄断。西门子燃气发生器合成油泵为六齿轮共轴摆线泵，分为低压泵、高压泵，前、中、后轴承回油泵。由于原L2(前轴承回油)、L3(中轴承回油)、L4(后轴承回油)碎屑泵的中轴承座与后轴承座的间隙过小，夏季高温天气，每天定时湿润化运行5 min或正常运行时，泵体热膨胀量大于中后轴承座间隙，导致后轴承、后回油泵齿轮两侧粘连抱死。西门子曾报道由于后轴承内部传动键剪切，后轴承腔无法回油，造成润滑油在燃气发生器内溢流着火。

目前，西门子燃气发生器六齿轮共轴摆线泵的损坏形式主要为机械密封泄漏、过渡轴断裂、摆线齿轮组粘连等。

1 机械密封国产化替代技术

合成油泵机械密封由弹簧、橡胶传动件、动静环、动静环座、O形圈等组成，有4个静密封点，1个动密封点。

合成油泵上部的机械密封基本处在混合润滑与边界润滑[2]范畴，由于补偿环转动，且在弹簧的作用下，与非补偿环有接触，机械接触承担高比例载荷，会导致高摩擦或高磨损，通常需要确定弹簧的刚度或压缩量，保证机械密封运行在混合润滑的理想状态。由于摩擦生热和磨损过高，大部分材料无法长期在运行条件下工作，导致密封泄漏，主要表现形式有动静环端面磨损或偏磨，见图1中的①，传动橡胶破裂，唇形密封损坏等现象，见图1中的③。

图1 轴端机械密封安装示意图

针对机械密封从原厂采购周期长、费用高等问题，联系国内两个厂家测绘加工，费用降低至十二分之一，且供货周期在一个月以内，完全满足零库存的要求，在连木沁、烟墩、玉门、红柳进行了测试，运行满足要求。但其中一家机械密封传动橡胶有过早破裂的倾向，其改进型号提高了质量。国产化测绘加工替代机械密封，必须确定密封端面材料、平衡比、端面宽度、相对轴向刚度、传热环境、力变形锥度、热变形锥度[4]，可以重新选用新型材料、设计密封的结构，保证此密封的长周期运行。

2 过渡轴国产化测绘加工

由于西门子燃气发生器合成油泵中的后轴承腔碎屑回油泵故障，发生多起着火事件。西门子重新设计了联轴器过渡轴，见图2，安装在所有西门子合成油泵上。当合成油泵扭矩增加到一定数值，在齿轮传动键被剪切前，首先将过渡轴扭断，见图3，使运行泵的供油泵和回油泵同时停止，正常切换到备用泵运行，或正常停机，防止后部轴承部位合成油泄漏进热通道，引起火灾事故。

图2 合成油泵过渡轴

图3 过渡轴扭矩大断裂

近几年，我公司的西门子合成油泵由于过渡轴扭矩大，已损坏了5个过渡轴或联轴器传动销，见图4。采购备件费用高、周期长的问题依然存在，为了使机组快速恢复正常，采取测绘、高精度加工、热处理工艺等措施实现过渡轴本地化加工，以及传动销使用工程塑料加工替换。试验加工过渡轴在规定的扭矩值257.59～284.71 N·m范围内能够扭断，满足燃气发生器后部轴承防止着火的要求。上述国产加工的扭矩轴在西气东输玉门站、了墩站的西门子燃气发生器上成功应用。

图4 合成油泵半联轴器轮毂的结构

3 合成油泵部件国产化测绘加工

凯斯肯公司受西门子的委托，成功完成32 MW级航改型燃气发生器合成油系统的设计：1. 将大的箱体外合成油撬移到箱体内小撬;2. 箱体内合成油撬是标准电机驱动，满足新的国际设计协议，增加整体可靠性，并减少组件的数量，明显降低原产品的费用。在咨询对比各油泵制造厂商的实际使用产品后，最终选择向凯斯肯定制油泵。

3.1 合成油泵的结构

燃气发生器合成油系统采用两套集成多回路常压油泵，满足空间和费用降低的要求，在系统可靠性方面得到明显改进，由水平安装变为垂直方式，双联设计电机驱动油泵确保可靠性，一台运行，一台备用，但维检修空间狭小。

合成油泵提供六个独立的泵回路，由燃气发生器提供润滑的低压泵，可变入口导向叶片VIGV执行器的高压泵，前后轴承碎屑回油泵组成，主要为轴承润滑供应一定流量的油压，如果机械没有受到过量振动或出现润滑问题[5]，燃气发生器轴承可以再次使用，否则将需要更换。高、低压泵分别设计安全阀，并且在顶部设计压力检验口，每一个泵回路在泵体进出口处以直螺纹加O形圈与管线连接，泵体与泵盖以螺栓连接，结构见图5，参数见表1。

图5 合成油泵的内部结构

表1 合成油泵设计参数

内容参数流体介质合成酯化基础油润滑油回路差压124.90 L/min1 654.8 kPa前轴承碎屑回油差压18.92 L/min137.9 kPa中轴承碎屑回油差压83.27 L/min137.9 kPa后轴承碎屑回油差压83.27 L/min137.9 kPa可变入口导向叶片(VIGV)回路差压34.06 L/min3 447.5 kPa环境温度范围-45 ℉～250 ℉操作速度3 600 r/min 最大润滑油泵安全阀2.38 MPa 破裂VIGV安全阀6.8 MPa 破裂

3.2 合成油泵的工作原理

合成油泵包括内外两部分元件，属于内啮合齿轮泵，其齿形曲线采用摆线，也称摆线泵，由一对偏心啮合内外转子组成，见图6。内外齿旋转在不同且固定的中心，外转子齿数较内转子的齿数多一个齿。内外齿旋转，能形成几个独立的封闭空间[6]。随着内外转子的啮合旋转，各封闭空间的容积将周期性发生变化。内转子的一个齿每转过一周时，完成一个工作循环，进行一次吸、排油过程，吸、排油口接近泵体，且相互密封独立。具有多个齿的内转子，每转过一周将出现多个吸、排油循环，便起到连续输油的作用。

图6 内外啮合齿轮结构

3.3 合成油泵故障

合成油泵通常出现振动大和上部齿轮粘连咬合两种故障，前者对泵的运行影响不大，后者需要更换内部齿轮。

3.3.1 合成油泵振动大的处理方法

哈密站由于油泵振动大，导致泵出口管线振动大，检查泵发现联轴器安装异常。

清洁合成油泵法兰面，确保无碎屑，见图7，测量并记录泵法兰面与下半联轴器顶部的距离A，距离在91.90～95.96 mm范围之内，然后安装尼龙传动销。

图7 测量泵靠背轮的尺寸

测量并记录，泵法兰面与垫片适配器顶部的距离B，电机安装法兰面与上半联轴器的距离C，见图8。计算间隙值B-(A+C)的数据，防止中间尼龙销受到轴向压力或热膨胀力，确保间隙在1.5～6.5 mm的范围内。启机测试泵，运转正常，泵的振动值在规定范围内。

图8 计算联轴器的间隙

3.3.2 合成油齿轮粘连咬合

由于共轴油泵的前、中、后碎屑回油泵的中轴承座与后轴承座的间隙过小，特别是西气东输管道沿线的新疆戈壁沙漠区域，夏季高温天气，合成油泵运行，泵体热膨胀量大于中后轴承座间隙，导致后轴承两侧粘连抱死，继而损坏过渡轴，合成油泵解体见图9。

图9 合成油泵解体检查

解体合成油泵，发现上部齿轮及泵的上部腔体磨损，表面有金属高点，对泵体磨损部位进行表面研磨处理，保证表面光滑平整。

通过研究，按照摆线齿轮的结构、齿数、材质、齿形曲线、偏心距，国内加工齿轮组，将中后轴承座间隙尺寸由0.05 mm提高到0.10 mm，其间隙值大于热膨胀量，加工件与原件对比见图10。

图10 合成油泵加工齿轮与损坏齿轮对比

更换新的国内加工的齿轮，组装合成油泵，将其安装至三线连木沁3#燃气发生器1#合成油泵位置，测量原泵的轴向、径向位移量，为0.84 mm、0.03 mm，修复泵的轴向位移量较原泵小0.54 mm，径向位移量为0.03 mm，工厂测量转子的跳动量为0.07 mm,如图11。

安装测试，低压泵、高压泵压力，中轴承供回油压差，前、中、后回油温度，供油流量均在正常范围内，满足机组启停、正常运行的要求，并在连木沁站测试运行成功。

图11 检查合成油泵径向跳动值

燃气发生器液压马达启动、点火测试时，记录合成油系统63QG、63QGCS、63QGJCV，26QGA、26QGB，26QGBCSA、26QGBCSB，26QGBFSA、26QGBFSB，26QGBRSA、26QGBRSB等数值，见表2，与历史数据或其它运行机组进行对比，完全正常。若不正常，说明合成油泵工作不正常，需要停机。现场测试轴承供回油压差及流量与转速的关系完全满足启停、怠速、正常运行要求。

正常运行，记录上述参数，并与正在运行的机组进行对比，启机测试，转速4 300 r/min时，合成油出口温度63 ℃，油箱温度72 ℃，前、中、后回油温度分别为80 ℃、119 ℃、113 ℃，低压泵出口压力1 555.2 kPa，高压泵出口压力4 901.9 kPa，中轴承回油压差232.6 kPa，满足机组运行要求。对比三台机组的正常运行时合成油泵低压泵出口压力的数据，发现3#机组1#合成油泵较另两台泵低43～85 kPa，但与3#机2#油泵相当，可能与附属管路的差异有关，不影响合成油泵各泵的工作压力及运行工况。