燃气轮机滑油泵耐久性试验台研制及应用

2022-09-28贾新旺吴一鸣唐祖定

燃气轮机技术 2022年3期

贾新旺，吴一鸣，唐祖定，季杰

(中国船舶集团有限公司第七○三研究所无锡分部，江苏无锡 214151)

滑油泵是燃气轮机润滑油系统的关键零部件，主要用于轴承和传动齿轮部分润滑油的输送和回收，其质量好坏直接关系到燃气轮机运行安全[1-2]。某型燃气轮机滑油泵为五联变位齿轮滑油泵，具有流量大、可靠性高、结构紧凑等优点[3]，由压气机转子通过下部传动箱间接驱动。来自滑油箱的低压油经滑油泵供油泵增压后转化为高压油供给至各转子轴承腔，再由滑油泵的4个回油子泵从各处腔室将滑油抽回至滑油箱，形成油路循环。由滑油泵基本工作原理可知，当驱动转速一定时，滑油泵做功能力理论上也应该固定[4]，但实际运行可能会受温度、滑油泵内部结构制造等因素影响[1]。因此研究其耐久性运行能力，尤其是流量衰减性能对燃气轮机运行安全、使用寿命至关重要。

目前燃气轮机滑油泵多是作为附属系统随燃气轮机整机一起进行耐久性考核，该方式有两个弊端：一是使用燃气轮机作为动力源，试验成本太高；二是受它在燃气轮机上的安装方式、功能作用，以及空间限制影响，不能直接测量各子泵的实际流量，因而不能对各子泵的工作能力进行研究分析。也有少数科研机构对滑油泵进行了单部件性能试验，但该方式存在一些问题：一是需要手动控制，操作复杂；二是滑油泵的每个子泵流量只能逐一测试，无法同时进行测试。

因此，须要研制一套能模拟燃气轮机耐久性试验运行的滑油泵试验台，且该试验台要保证滑油泵安装方式、被驱动方式基本与它在燃气轮机整机上状态一致，同时还能获取运行时的转速、流量、压力等参数，最终通过对各参数分析研究，判断滑油泵耐久性是否满足研制要求。

1 试验台系统设计

1.1 总体设计方案

燃气轮机滑油泵结构如图1所示，由供油泵A泵和四个回油子泵(B泵、Г泵、Д泵、Б泵)组成。滑油泵直接安装在下部传动箱一侧，两者传动轴是通过花键配合，即由下部传动箱的输出轴通过花键配合直接驱动滑油泵齿轮旋转。

图1 滑油泵结构示意图

为了模拟滑油泵装配在燃气轮机整机上运行时状态，总体设计方案采用了相同的安装方式，即滑油泵水平式安装于安装座上；采取相似的驱动方式，即使用变频电机替代原下部传动箱；变频电机和安装座之间通过梅花联轴器联接。主设备布置见图2。

1—底架；2—变频电机；3—联轴器；4—安装座；5—滑油泵。图2 主设备布置示意图

总体设计方案基本原理如下:控制系统根据耐久性图谱考核要求，控制变频电机到达相应的转速，进而通过联轴器驱动滑油泵运行；润滑系统为滑油泵正常运行及润滑提供必要的滑油；测控系统对相关执行机构进行控制，并对各参数进行采集、监测、显示、记录；电气系统为各试验设备提供电气保障。

1.2 机械结构

滑油泵试验台的机械结构包括底架、联轴器及安装座。底架通过地脚螺栓与场地导轨进行固定，其上布置有变频电机和安装座，如图2所示。因底架和联轴器相对简单，本文重点介绍安装座的结构设计。由图1可知滑油泵的B泵是直接从下部传动箱抽吸滑油，然后经回油泵总出口至滑油箱。因此在对滑油泵进行单部件试验时，为保证工作状态与它在燃气轮机整机上状态基本一致，需要将安装座设计成可模拟下部传动箱腔室的结构件，如图3所示。

1—平键轴；2—轴承；3—轴承座；4—骨架密封圈；5—腔体；6—观察窗；7—预埋螺栓；8—弹性轴；9—进油口。图3 安装座结构组成

安装座结构组成及作用如下：平键轴由两个轴承定位支撑，通过联轴器与变频电机联接；弹性轴与滑油泵输入轴通过花键配合联接，且弹性轴被设计为中空结构，起到扭矩传递以及超扭故障时提前扭断从而保护滑油泵作用；轴承座内设有骨架密封圈，防止腔体内滑油进入轴承；观察窗可用于目视腔体内滑油状态；滑油从进油口进入腔体内供B泵抽吸；腔体与滑油泵通过预埋螺栓定位安装。

1.3 滑油系统

为了对滑油泵各子泵的流量能力进行耐久性考核，同时为其运行提供必要的润滑，设计了一套滑油系统，如图4所示。其基本工作过程如下：滑油泵运转前，由外置泵给滑油泵提供一定压力的润滑油；变频电机驱动滑油泵运转后，各子泵分别从滑油箱抽吸经Y型滤器过滤的滑油；经供油泵和回油泵增压后的滑油通过电动阀门、滤器、换热器回至滑油箱；电动调节阀门用于调节供/回油泵后滑油压力；供油泵出口设有一单向支路供运转时润滑滑油泵；整个试验期间外置泵持续工作，当供油泵后压力高于外置泵后压力时则由供油泵提供润滑，该设计可始终保持润滑滑油泵的压力不小于外置泵后压力，以满足滑油泵正常运行要求。

1—供油泵；2—回油泵；3—滑油箱；4—外置泵；5—Y型滤器；6—流量计；7—润滑滑油泵压力传感器；8—回油泵出口压力传感器； 9—回油泵出口温度传感器；10—回油泵后电动阀门；11—换热器；12—过滤器；13—供油泵出口温度传感器；14—供油泵出口压力传感器；15—供油泵后电动阀门。图4 滑油系统

1.4 测控系统

为满足滑油泵耐久性试验要求，设计了一套测控系统，主要具备以下功能：各模块间相互通讯，包括上位机、PLC程序；实时采集、显示和存储流量、转速、压力、温度等参数并提供查询与打印功能；根据试验要求自动加载控制变频电机、电动阀门开度。

PLC是以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，与常规继电器组成的控制系统相比，在系统中减少了大量中间继电器和时间继电器，使控制系统大大简化[5]。因其具有编程简单、抗干扰强、软硬件齐全、硬件接线少、通用性强等特点，广泛应用于各工业控制领域，包括燃气轮机试验[6-8]。LabVIEW是使用较为广泛的虚拟仪器，用于开发上位机程序，具有编程简单、直观、开发效率高等特点，已应用于燃气轮机多个方向试验测控领域[9-11]。因此，基于LabVIEW和PLC开发了本滑油泵试验台测控系统，其基本组成如图5所示，工作原理如下：上位机程序提供人机交互界面，与PLC、变频电机控制器协同作用实现试验台的自动控制；试验人员在上位机程序中选择试验内容后，程序将试验图谱的工况顺序转化为试验时序在PLC程序内执行；PLC实时采集传感器信号并传输至上位机进行显示；当进行变工况时，PLC将加载参数变化指令发送给变频电机控制器和供/回油泵后的电动调节阀门，实现转速、供/回油泵后滑油压力控制。

图5 测控系统软件组成

2 验证及应用

为了验证研制的试验台能否满足滑油泵耐久性试验考核，进行了试验运行。经试验表明各项数据均满足试验要求，单个图谱运转周期内各参数变化如图6所示。其中变工况过程中供/回油泵出口压力突变是因为设计的控制逻辑为：在工况运行时间结束后，电动阀门位置全开；当转速到达下一工况后，调节电动阀门位置，使得出口压力满足试验要求。