國(guó)產(chǎn)首臺(tái)165 MW機(jī)組自動(dòng)同步離合器的研制與應(yīng)用

張立建，沈國(guó)平，羅 萌

(1.上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，上海 200240； 2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海200240；3.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所，哈爾濱 150078)

自動(dòng)同步(Synchro-Self-Shifting，SSS)離合器，是一種通過齒輪元件傳遞功率的全自動(dòng)型單向超越離合器。它能夠根據(jù)輸入、輸出端轉(zhuǎn)速的高低自動(dòng)進(jìn)行切換：當(dāng)輸入端相對(duì)輸出端升速時(shí)，離合器自動(dòng)嚙合；當(dāng)輸入端相對(duì)輸出端降速時(shí)，離合器自動(dòng)脫開[1]。

20世紀(jì)60年代，英國(guó)發(fā)明了小功率SSS離合器并將其應(yīng)用在聯(lián)合動(dòng)力的軍艦上，成功地解決了軍艦巡航和加速推進(jìn)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性問題。之后，小功率SSS離合器被廣泛推廣應(yīng)用在軍艦上。20世紀(jì)90年代，歐洲將大功率SSS離合器引入到單軸配置的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，成功地解決了機(jī)組的啟動(dòng)速度不匹配的問題。隨后，大功率SSS離合器在全球燃?xì)廨啓C(jī)電廠中得以廣泛應(yīng)用。

2004年，上海汽輪機(jī)廠(上汽廠)引進(jìn)了西門子公司的單軸、F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，該機(jī)組配備了一套SSS離合器。這也是國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)大功率SSS離合器。離合器的引入顯著提升了該單軸機(jī)組的靈活性，機(jī)組二班制調(diào)峰運(yùn)行性能優(yōu)異。陳倪等[2]詳細(xì)論述了單軸機(jī)組中HE型機(jī)組特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。從2010年開始，國(guó)內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)逐漸從單純的調(diào)峰發(fā)電向熱電聯(lián)產(chǎn)方向轉(zhuǎn)變，原有的單軸調(diào)峰機(jī)組逐漸失去市場(chǎng)。2013年，上汽廠技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了全新的高排抽汽技術(shù)方案，論證了單軸機(jī)組采用高排抽汽供熱的可行性、高效性和可靠性[3]，并將該方案首次應(yīng)用在單軸配置的粵電黃埔項(xiàng)目上。該單軸新型供熱方案既提升了機(jī)組的供熱效率，又節(jié)約了電廠的土建投資，深受用戶喜愛。該方案的成功實(shí)施重塑了聯(lián)合循環(huán)單軸機(jī)組在國(guó)內(nèi)的生命力，因而離合器的需求量增加，國(guó)產(chǎn)化的需求變得十分迫切。

然而，SSS離合器的設(shè)計(jì)和制造難度較大，英國(guó)SSS Gears公司在全球范圍內(nèi)處于絕對(duì)的壟斷地位。2013年底，上海電氣與中國(guó)船舶集團(tuán)第703研究所合作研制電站用大功率離合器，2014年150 MW凝抽背機(jī)組用離合器樣機(jī)得以成功試制。2015年至2018年期間，依托“上海市青年科技啟明星項(xiàng)目”，上汽廠開展了單軸機(jī)組用自動(dòng)同步離合器的產(chǎn)品級(jí)研制[4]。本文將詳細(xì)介紹國(guó)內(nèi)首臺(tái)投入商業(yè)運(yùn)行的165 MW機(jī)組離合器的研制過程及應(yīng)用情況，旨在說明我國(guó)已經(jīng)具備了電站用大功率SSS離合器的自主研制能力。

1 離合器的技術(shù)要求

1.1 帶離合器的單軸機(jī)組布置

帶離合器的單軸機(jī)組軸系的連接順序一般為透平轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、中間軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)軸、小中間軸、SSS離合器、高壓轉(zhuǎn)子、中低壓轉(zhuǎn)子。機(jī)組布置示意圖如圖1所示。離合器的輸入端與高壓轉(zhuǎn)子連接，輸出端與小中間軸連接。機(jī)組軸系設(shè)置兩個(gè)死點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)分別設(shè)置一推力軸承。由離合器來(lái)補(bǔ)償來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)端和汽輪機(jī)端的軸系熱脹值。特別注意的是，當(dāng)機(jī)組帶負(fù)荷，轉(zhuǎn)子處于熱膨脹過程中，推力軸承需要承受來(lái)自于離合器齒間產(chǎn)生的軸向摩擦力。推力軸承選型時(shí)需要充分考慮該因素。

圖1 帶離合器的單軸F級(jí)機(jī)組布置圖

1.2 離合器的功能需求

離合器在功能上有如下需求：

1)棘爪處于激活狀態(tài)時(shí)，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速有超過燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的趨勢(shì)時(shí)，離合器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)嚙合；

2)當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速有低于燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的趨勢(shì)時(shí)，離合器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)脫開；

3)離合器在嚙合狀態(tài)下，能夠安全可靠地傳遞汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的扭矩，并能夠承受發(fā)電機(jī)機(jī)組發(fā)生兩相短路時(shí)的短路力矩；

4)離合器的輸入端轉(zhuǎn)速低于500 r/min時(shí)，離合器棘爪不被激活，輸入端轉(zhuǎn)速高于800 r/min時(shí)，離合器棘爪處于激活狀態(tài)；

5)離合器在嚙合和脫開過程中，應(yīng)采用防沖擊式設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)硬沖擊，確保離合器動(dòng)作時(shí)不至于使軸系振動(dòng)超過跳機(jī)值；

6)離合器具有補(bǔ)償兩端轉(zhuǎn)子軸向熱脹位移和離心力產(chǎn)生的軸向收縮位移的功能；

7)大功率離合器采用中繼式設(shè)計(jì)。

1.3 離合器的技術(shù)指標(biāo)

自動(dòng)同步離合器的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)如表1所示。

表1 單軸用離合器的技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)

2 離合器的設(shè)計(jì)

2.1 離合器的總體設(shè)計(jì)

離合器由輸入組件、主滑移件、輸出組件、中繼離合器、棘輪棘爪組件構(gòu)成。裝配關(guān)系如圖2所示。輸入組件上設(shè)有支撐環(huán)，用以支撐主滑移件。主滑移件上設(shè)有大小2個(gè)外螺旋齒，分別與中繼離合器上的內(nèi)螺旋齒和輸入組件的內(nèi)螺旋齒配合。螺旋齒可以在組件產(chǎn)生周向速差時(shí)向滑移件提供軸向力。采用中繼式結(jié)構(gòu)可以確保離合器在嚙合脫開時(shí)對(duì)軸系的擾動(dòng)相對(duì)較小。采用雙向阻尼區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)防硬沖擊設(shè)計(jì)。圖2中的I區(qū)和II區(qū)為阻尼油腔，其間設(shè)置阻尼孔節(jié)流，無(wú)論離合器在嚙合還是脫開狀態(tài)下，主滑移件在移動(dòng)時(shí)都會(huì)將潤(rùn)滑油擠壓流向另一區(qū)域，從而產(chǎn)生阻尼效果，降低主滑移件的軸向滑移速度，有效減小了對(duì)輸入組件的沖擊。離合器采用一套棘輪棘爪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步，并采用合適的驅(qū)動(dòng)齒寬度來(lái)滿足轉(zhuǎn)子軸向熱位移要求。離合器的供油來(lái)自于兩端軸承潤(rùn)滑油泄油，潤(rùn)滑油在離心力作用下，通過輸入端和輸出端的進(jìn)油孔進(jìn)入離合器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑或阻尼功能。合理的潤(rùn)滑油油路設(shè)計(jì)是離合器安全可靠運(yùn)行的重要保障。

圖2 離合器示意圖

2.2 離合器的工作原理

SSS離合器的工作原理是當(dāng)輸入組件轉(zhuǎn)速有超過輸出組件轉(zhuǎn)速趨勢(shì)，且棘輪棘爪處于激活狀態(tài)時(shí)，棘爪會(huì)張開，與棘輪嚙合，中繼離合器在小螺旋齒的驅(qū)動(dòng)下軸向移動(dòng)，使中繼齒嚙合(直齒插入)，然后主滑移組件在主螺旋齒的驅(qū)動(dòng)下軸向移動(dòng)，使主驅(qū)動(dòng)齒嚙合(直齒插入)。離合器嚙合過程如圖3所示。脫開過程與嚙合過程相反。

(a) 脫開狀態(tài) (b) 中繼滑移件動(dòng)作

(c) 主滑移件動(dòng)作 (d) 嚙合狀態(tài)

圖3 離合器嚙合過程狀態(tài)圖

聯(lián)合循環(huán)單軸機(jī)組一般要求離合器具有低速保護(hù)功能，其最初目的是當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于靜止檢修狀態(tài)下，汽輪機(jī)可以方便投入自動(dòng)盤車。但出于機(jī)組安全考慮，一般不推薦采用此功能。在進(jìn)口離合器機(jī)組盤車過程中發(fā)生過棘爪未被激活而嚙合的案例。

棘輪棘爪組件低速保護(hù)功能設(shè)計(jì)原理是通過設(shè)計(jì)限速飛起機(jī)構(gòu)的彈簧力與棘爪的離心力之差，來(lái)控制棘爪是否被激活。在0～500 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間要求棘爪不被激活，在轉(zhuǎn)速800 r/min以上要求棘爪被激活，在500～800 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間，棘爪處于臨界狀態(tài)。棘輪棘爪工作原理如圖4所示。當(dāng)棘爪與棘輪嚙合后，中繼齒的直齒相位正好對(duì)齊，確保直齒能夠順利插入，這是離合器能夠成功嚙合的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

(a) 棘爪未激活

(b)棘爪被激活

圖4 棘輪棘爪工作原理

2.3 關(guān)鍵部件的強(qiáng)度與變形分析

對(duì)離合器主要傳遞扭矩的零部件輸入齒環(huán)、主滑移齒環(huán)以及輸出齒環(huán)進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。有限元計(jì)算的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖5和圖6所示。計(jì)算結(jié)果表明，離合器強(qiáng)度符合考核要求。大扭矩SSS離合器的尺寸較大(外徑達(dá)到1 m) ，線速度較高(可達(dá)到157 m/s)，各部件在離心力的作用下產(chǎn)生的變形對(duì)離合器滑移面的間隙、支撐面的間隙以及主螺旋滑移齒的間隙都會(huì)產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)當(dāng)給予充分考慮，以確保離合器能順暢地嚙合和脫開。

表2 關(guān)鍵部件有限元分析結(jié)果

(a) 輸出齒環(huán)

(b) 主滑移齒環(huán)

(c) 輸入齒環(huán)

(a) 輸出齒環(huán)

(b) 主滑移齒環(huán)

(c) 輸入齒環(huán)

2.4 出廠試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

離合器出廠前必須通過如下動(dòng)態(tài)試驗(yàn)：

1)離合器在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行嚙合及脫開試驗(yàn)。離合器的輸出端加速至3 000 r/min，然后輸入端加速到3 020～3 080 r/min，使得離合器嚙合；然后降低輸入端轉(zhuǎn)速至2 870～2 903 r/min，使離合器脫開。此過程重復(fù)不低于5次，記錄每次的軸振動(dòng)和座振情況。軸振動(dòng)位移不超過80 μm，或座振速度不超過3.8 mm/s即滿足驗(yàn)收要求。

2)離合器的超速測(cè)試。超速試驗(yàn)按照工作轉(zhuǎn)速的110%進(jìn)行，持續(xù)運(yùn)行2 min。軸振位移不超過100 μm，或座振速度不超過4.8 mm/s即滿足驗(yàn)收要求。

3)離合器超越試驗(yàn)(低速保護(hù)模塊功能測(cè)試)。離合器的輸入端靜止，輸出端升至3 000 r/min，然后輸入端升速至盤車轉(zhuǎn)速，輸出端降速到0 r/min。驗(yàn)收要求離合器在此過程中不能嚙合。

3 離合器的應(yīng)用

2019年11月30日，粵電黃埔電廠1號(hào)機(jī)組首次成功實(shí)現(xiàn)了3 000 r/min下汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的同步并網(wǎng)，國(guó)產(chǎn)離合器的自動(dòng)同步功能得以在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組上實(shí)現(xiàn)首次驗(yàn)證。國(guó)產(chǎn)離合器在機(jī)組軸承座中的安裝情況如圖7所示。調(diào)試期間離合器的嚙合和脫開都很順暢。離合器嚙合和脫開瞬間對(duì)軸系振動(dòng)擾動(dòng)適中(不超過254 μm)，嚙合成功后機(jī)組的振動(dòng)情況良好(不超過100 μm)。2020年1月5日該機(jī)組順利通過168 h商業(yè)試運(yùn)行。試運(yùn)行期間聯(lián)合循環(huán)機(jī)組滿發(fā)，功率達(dá)到了416 MW。機(jī)組試運(yùn)行期間的振動(dòng)情況良好，如圖8所示。SSS離合器兩端的瓦振不大于1.0 mm/s(保證值為3.8 mm/s)；兩端的軸振小于95 μm。這里需要特別指出的是，不能以重載軸承的軸振標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量SSS離合器附近

的輕載軸承(重載軸承的標(biāo)準(zhǔn)一般將軸振不大于76 μm設(shè)定為A區(qū)標(biāo)準(zhǔn))。文獻(xiàn)[5]明確指出“輕載軸承(如自動(dòng)同步離合器的穩(wěn)定軸承)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)通常在輕載軸承近處的軸頸上會(huì)測(cè)得更高的振動(dòng)位移峰-峰值。該處的振動(dòng)情況需要按以機(jī)組詳細(xì)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的其他準(zhǔn)則來(lái)評(píng)判” 。根據(jù)上汽廠帶離合器的機(jī)組群運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，輕載軸承附近的軸振一般在不超過125 μm時(shí)均能夠保證機(jī)組安全滿意的運(yùn)行。

圖7 國(guó)產(chǎn)離合器安裝在機(jī)組軸承座中

圖8 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組振動(dòng)情況畫面

4 結(jié) 論

本文介紹了國(guó)內(nèi)首臺(tái)165 MW機(jī)組自動(dòng)同步離合器的研制，重點(diǎn)介紹了單軸機(jī)組用SSS離合器的技術(shù)要求、設(shè)計(jì)方案、試驗(yàn)方法和出廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并介紹了其首臺(tái)套應(yīng)用情況。應(yīng)用結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)離合器各項(xiàng)指標(biāo)良好，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了同型號(hào)進(jìn)口品牌水平。該結(jié)果具有里程碑意義，標(biāo)志著我國(guó)攻克了電站用大功率SSS離合器自主研制的難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)電廠核心關(guān)鍵傳動(dòng)設(shè)備的“自主可控”，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘒?guó)產(chǎn)替代打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。