魏昌淼，彭 濤，方一格

(1.中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，無錫 214151；2. 中國船舶集團公司第七〇三研究所，哈爾濱 150036)

燃氣輪機作為一種高速旋轉(zhuǎn)的動力裝置，工作時伴有高頻率的變工況，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時會在軸瓦間產(chǎn)生大量的熱量。同時燃氣輪機運行時，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時潤滑效果不好，會造成軸瓦及轉(zhuǎn)子接觸面燒損，嚴重損害燃氣輪機壽命。為了帶走軸承腔內(nèi)各接合面之間形成的硬夾雜物，并帶走由于摩擦所產(chǎn)生的熱量和高溫區(qū)域傳給滑油的熱量，燃氣輪機需要配備優(yōu)良的滑油系統(tǒng)，其一般為循環(huán)式。

近年來，多位學(xué)者對燃氣輪機滑油系統(tǒng)設(shè)計及故障診斷方面進行了相關(guān)的研究[1]，何彬等[2]按高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊、大流量、輕量化的要求，設(shè)計了一個由4個回油泵和1個供油泵組成的齒輪滑油系統(tǒng)泵，滿足了某型燃氣輪機各部位潤滑冷卻的要求，并進行了滑油泵試驗件的相關(guān)生產(chǎn)和試驗。衣爽[3]選擇自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為滑油系統(tǒng)故障預(yù)測方法，將故障數(shù)據(jù)作為故障預(yù)測網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，結(jié)果表明無導(dǎo)師的自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)模型可直觀地反映滑油系統(tǒng)的健康狀態(tài)。梁茂宗等[4]對 D-S 證據(jù)理論公式進行了改進，通過10組滑油系統(tǒng)真實故障案例，驗證了D-S 證據(jù)理論能夠較好地解決燃氣輪機滑油系統(tǒng)故障。某工業(yè)型燃氣輪機在實際運行過程中，出現(xiàn)了滑油異常消耗問題，本文從燃氣輪機滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理出發(fā)，列出了可能導(dǎo)致滑油消耗量大問題的因素，最終判斷滑油異常消耗是由于燃氣輪機內(nèi)部漏油造成的，通過分解檢查及分析，發(fā)現(xiàn)問題由石墨密封環(huán)磨損導(dǎo)致。本次故障的解決過程對后續(xù)機組應(yīng)對類似問題具有重要指導(dǎo)意義。本文同時提出開展優(yōu)化石墨密封環(huán)工作，對提高滑油系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 滑油系統(tǒng)工作原理

為了保證某工業(yè)型燃氣輪機在所有工作狀態(tài)下軸承部件、齒輪嚙合和其他摩擦零件的潤滑和冷卻，滑油系統(tǒng)采用強制抽油的壓力循環(huán)模式。滑油供油量與燃氣輪機的轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系，壓氣機通過傳動機構(gòu)帶動滑油組件，滑油組件從滑油循環(huán)油箱抽油，隨后將足量的滑油供給燃氣輪機各支撐點軸承來保證旋轉(zhuǎn)部件的冷卻與潤滑。在各軸承點潤滑后具有一定壓力的滑油，經(jīng)過滑油冷卻器冷卻后被送回滑油循環(huán)箱。燃氣輪機滑油系統(tǒng)工作原理如圖1所示。為保證滑油供油品質(zhì)，在滑油供油總口及總回油口設(shè)有滑油濾器，同時在燃氣輪機各供油支管中裝設(shè)有濾器，用于保護發(fā)動機免受可能出現(xiàn)的意外污染。在各回油支管路上設(shè)有磁性屑末檢測信號器，用以分別監(jiān)測燃氣輪機各軸承腔室內(nèi)部的磨損情況[5]。

圖1 燃氣輪機滑油系統(tǒng)工作原理圖

2 滑油異常消耗故障及檢查

某臺燃氣輪機運行8 500 h左右時，運行人員例行巡檢發(fā)現(xiàn)滑油油箱液位與之前相比有明顯跌落，滑油循環(huán)油箱液位出現(xiàn)偏低現(xiàn)象，滑油消耗量出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象。

針對機組突然出現(xiàn)的滑油異常消耗問題，本文從燃氣輪機滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理出發(fā)，進行各方面詳細梳理，列出了可能導(dǎo)致滑油消耗量大問題的因素，故障樹如圖2所示。

圖2 滑油異常消耗故障樹

故障發(fā)生后,運行人員對燃氣輪機外圍系統(tǒng)和箱裝體內(nèi)燃氣輪機本體滑油系統(tǒng)的滑油泄漏情況進行了詳細檢查。外圍滑油系統(tǒng)各部件及管路正常，滑油循環(huán)油箱、滑油冷卻器、回油濾器及供回油管路狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)異常；箱裝體內(nèi)滑油系統(tǒng)部件正常，電動滑油供回油泵、雙聯(lián)濾器、靜態(tài)油氣分離器、油氣分離箱、下傳動箱和滑油系統(tǒng)供回油管路狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)異常。

隨后，對滑油循環(huán)油箱磁性液位計和滑油冷卻器進行了檢查，用油標尺直接測量并記錄滑油箱液位。為檢查滑油冷卻器是否有內(nèi)部泄漏，更換了新的滑油冷卻器進行試驗驗證,運行2 h后，情況如下：

1)滑油消耗約12 L，折合平均滑油消耗量約6.0 L/h(燃氣輪機生產(chǎn)廠家要求不超過1.5 L/h)；

2)檢查滑油冷卻水系統(tǒng)水池，水面干凈無油污；

3)檢查外圍系統(tǒng)和箱裝體內(nèi)滑油系統(tǒng)的泄漏情況，未發(fā)現(xiàn)異常。

通過上述排查，運行人員排除燃氣輪機外部漏油情況的可能性。隨后運行人員對運行參數(shù)進行了梳理分析，并對滑油回油濾進行拆檢檢查。

將滑油系統(tǒng)參數(shù)與之前運行數(shù)據(jù)進行對比，如滑油供油壓力、滑油供油溫度、油氣分離箱壓力、滑油回油溫度、接觸式密封壓降等，發(fā)現(xiàn)各參數(shù)均無明顯變化，機組其他試驗數(shù)據(jù)，如各轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和振動等參數(shù)均正常。拆檢滑油回油濾，發(fā)現(xiàn)回油濾濾芯有較多的不規(guī)則黑色石墨條狀物及顆粒存在。

經(jīng)上述排查及分析，認為滑油異常消耗是由于燃氣輪機內(nèi)部漏油造成的，可能是石墨密封環(huán)異常磨損導(dǎo)致接觸式密封失效，進而導(dǎo)致滑油從石墨密封環(huán)處泄漏進入燃氣輪機通流。若燃氣輪機繼續(xù)運行，則存在石墨密封環(huán)加速磨損的風(fēng)險，給運行帶來隱患，因此決定對燃氣輪機進行分解檢查。

3 滑油異常消耗的分解檢查及分析

3.1 分解檢查

該型燃氣輪機由燃氣發(fā)生器及動力渦輪組成，對燃氣發(fā)生器各軸承腔室部位進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，各軸承腔密封石墨環(huán)均正常。

對動力渦輪分解檢查，滑油密封空氣系統(tǒng)管路、密封空氣通道及密封空氣腔室未發(fā)現(xiàn)異常，檢查發(fā)現(xiàn)滾珠軸承側(cè)石墨密封環(huán)異常磨損，滾柱軸承殼體合圍區(qū)域大面積滑油燒蝕、結(jié)焦、積碳，滾柱軸承側(cè)滑油密封失效，由此可判斷滑油的異常消耗是由于動力渦輪軸承腔室密封失效，出現(xiàn)故障導(dǎo)致的。

3.2 動力渦輪滑油密封空氣系統(tǒng)分析

動力渦輪滑油密封空氣系統(tǒng)圖如圖3所示，首先從壓氣機引入壓縮空氣進入動力渦輪空氣進氣管。滾珠軸承側(cè)密封腔室如圖4所示，密封空氣通過通道E到達滾珠軸承側(cè)密封腔室。

圖3 動力渦輪滑油密封空氣系統(tǒng)圖

圖4 滾珠軸承側(cè)密封腔室

滾珠軸承側(cè)密封腔室將氣路分為3路，一路通過后密封蓋蜂窩密封與蓖齒的間隙L排出，一路通過間隙M實現(xiàn)滑油密封，一路通過動力渦輪軸上的F、G通道進入動力渦輪軸內(nèi)腔。

滾柱軸承側(cè)密封腔室如圖5所示。進入動力渦輪軸的密封空氣通過J、K通道進入滾柱軸承側(cè)密封腔室。滾柱軸承側(cè)密封腔室將氣路分為2路，一路通過前密封蓋蜂窩密封和蓖齒的間隙N排出，一路實現(xiàn)滑油密封。

圖5 滾柱軸承側(cè)密封腔室

在壓縮空氣的作用下，軸承側(cè)密封腔室與滑油腔保持一定的壓差，使石墨密封環(huán)的前端面與軸承腔端面緊密貼合，具有良好的隨動適應(yīng)性，從而達到了滑油腔的滑油密封的效果。

動力渦輪滾珠軸承側(cè)石墨密封環(huán)的異常磨損，會使滑油腔密封用壓縮空氣流量分配與設(shè)計狀態(tài)偏離。如圖4所示，動力渦輪滾珠軸承側(cè)腔室中石墨環(huán)與密封蓋的配合間隙M為壓縮空氣主要排放通道，由于機組運行期間空氣壓力大于滑油腔壓力，故仍能保證滾珠軸承側(cè)的滑油密封。分配至渦輪軸內(nèi)腔的壓縮空氣流量和壓力不足導(dǎo)致滾柱軸承側(cè)滑油密封失效，如圖5所示，大量滑油從N處泄漏至滾柱軸承殼體合圍區(qū)域，滑油泄漏路徑溫度較高，滑油出現(xiàn)大面積碳化，結(jié)焦在部件表面。

為保證后續(xù)機組的運行，動力渦輪分解后更換了新的石墨密封環(huán)，同時開展了新型石墨環(huán)的研制，旨在提高石墨環(huán)的耐磨性。在后續(xù)機組的運行過程中，應(yīng)加強滑油消耗記錄及檢查，保證機組運行安全。

4 結(jié) 論

從燃氣輪機的滑油系統(tǒng)原理出發(fā)，建立故障樹對燃氣輪機運行過程中出現(xiàn)的滑油異常消耗故障進行分析，通過檢查，排除了燃氣輪機外圍滑油系統(tǒng)故障。通過燃氣輪機分解檢查及滑油密封空氣系統(tǒng)分析，得出本次機組滑油消耗量異常增大為動力渦輪石墨密封環(huán)未達到使用壽命前異常磨損，導(dǎo)致接觸密封失效所致，動力渦輪滾珠軸承側(cè)石墨環(huán)磨損后，分配至滾柱軸承側(cè)的壓縮空氣流量和壓力不足，導(dǎo)致滾柱軸承側(cè)滑油密封失效，滑油主要從動力渦輪滾珠軸承石墨環(huán)處泄漏。同時，在機外滑油回油濾器中發(fā)現(xiàn)的大量石墨應(yīng)為動渦石墨環(huán)掉塊、脫落所致。為了避免石墨密封環(huán)再次磨損，出現(xiàn)滑油異常損耗情況，建議加快石墨環(huán)材料的研究工作，提升其壽命，并優(yōu)化石墨環(huán)工作環(huán)境。