汽轮机盘车用自动离合器的工作原理及运行

王涛　卢平

摘  要：文章介绍了一种汽轮机盘车装置中采用的自动盘车离合器的结构、工作原理及其运行过程。自动离合器没有棘轮、棘齿结构，与汽轮机转子不同轴，结构紧凑，传递载荷大，能够自动啮合、纯机械自动脱开，安全可靠，具有广泛的借鉴参考意义。

关键词：汽轮机;盘车;自动啮合;自动脱开;离合器

中图分类号：TM311 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）34-0050-02

Abstract： This paper introduces the structure， working principle and operation process of an automatic turning clutch used in a steam turbine turning device. Automatic clutch has no ratchet or ratchet structure， is different from steam turbine rotor shaft， has a compact structure， large transfer load， automatic meshing， pure mechanical automatic detachment， safe and reliable， thereby has a wide range of reference significance.

Keywords： steam turbine; turning; automatic meshing; automatic release; clutch

引言

盘车装置是保证汽轮机发电机组安全的重要设备，在启动预热阶段和停机后，汽缸内上、下部蒸汽存在温度或局部温度不均，为使汽轮机转子受热均匀，防止汽轮机转子因温差发生弯曲事故，需要配置盘车装置驱动转子持续转动。因汽轮机转子价值很高，发生弯曲事故损失很大，因而盘车装置的安全、稳定、可靠就非常重要。

从实际的工程经验来看，盘车装置最容易出现的故障就是盘车装置的啮合和脱开的过程。能实现盘车装置的自动啮合和自动安全脱开的自动离合器是非常必要的。

本文介绍一种在多个百万千万级汽轮发电机组中使用的，能够实现盘车装置稳定可靠地自动啮合和脱开的全自动低速重载离合器。

1 盘车装置简介

盘车装置布置于汽轮发电机组机头侧的前轴承箱内，主要由盘车电机、离合器，盘车大齿轮等部件组成。盘车大齿轮套装在汽轮机高压转子的前端与转子组成一体随转子转动;离合器的主轴与转子平行布置，离合器上的盘车小齿轮可相对离合器主轴轴向运动，实现盘车的啮合和脱开;盘车采用电机驱动，盘车电机卧式布置于箱体外侧，并与离合器的主轴垂直布置，结构紧凑，如图1所示。

2 离合器的结构

离合器主要由主轴（带螺旋花键槽）、小齿轮、定相齿轮、蜗轮蜗杆、轴承、电磁阀、位置传感器等零部件组成。与盘车电机相连的蜗轮将电机动力通过蜗杆传递至主轴，主轴通过小齿轮传递至盘车大齿轮，驱动汽轮发电机组转子转动。离合器同时具有减速的作用，通过蜗轮、蜗杆和小齿轮、大齿轮的齿数比设置，将盘车电机转速750RPM减至盘车转速8RPM。离合器结构如图2所示。

小齿轮外径齿与盘车大齿轮外径齿配合，定相齿轮紧固在小齿轮与盘车大齿轮初始啮合的区域，三者均为直齿。初始啮合区域在离合器啮合时需要承受冲击载荷，定相齿轮使用较软材质，可保护盘车大齿轮，定相齿轮的存在同时也可以保护小齿轮。定相齿轮尺寸较小，且更换易操作，更换成本也相对更换盘车大齿轮和小齿轮低。

小齿轮内径与主轴外径为螺旋花键配合结构。当小齿轮外侧与盘车大齿轮少量或全部啮合时，如果存在转速差，小齿轮将相对主轴旋转，旋转的同时小齿轮将沿主轴轴线方向运动。

主轴靠近蜗轮侧设有啮合用供油口，电磁阀通电后供油进入小齿轮左端部与主轴凸出结构组成的腔室A，用于推动小齿轮轴向运动。

主轴中心孔能够持续供油。供油至主轴与小齿轮之间的腔室B能够润滑螺旋花键，推动小齿轮轴向运动，脱开时使小齿轮保持在脱开位置。供油至腔室C能够吸收完全啮合时的冲击。啮合用供油和中心孔能持续供油为同一油源，具有相同的油压。

在啮合和脱开的位置均设有位置传感器，可远程监测离合器“啮合”或“脱开”的状态，结合盘车装置的控制系统，可实现盘车的自动化控制。

3 离合器的工作原理

根据离合器工作的受力情况，可将其分为4个过程。

3.1 脱开至初始啮合

电磁阀通电使腔室A进油，因腔室A面积大于腔室B，腔室A对小齿轮向右（图2中所示的右侧，下文左、右均按相同参照）的轴向力大于腔室B对小齿轮向左的轴向力，在二力差值的作用下小齿轮向右运动。小齿轮右移离开腔室A之前，小齿轮上的定相齿轮已经与盘车大齿轮实现初始啮合。

3.2 初始啮合至完全啮合

初始啮合后，小齿轮与盘车大齿轮具有相同的等效转速（零或者小于等效盘车转速），盘车主轴转速等于等效盘车转速，即主轴的转速大于小齿轮转速，且小齿轮与大齿轮为直齿，可轴向运动，此时主轴和小齿轮螺旋花键配合处，主轴对小齿轮的使小齿轮向右运动的力矩T1大于小齿轮对主轴的力矩T2，小齿轮向右运动，直至T1=T2，达到盘车转速。

3.3 完全嚙合至脱开

完全啮合至脱开的过程与初始啮合至完全啮合过程相反。当汽轮机冲转，汽轮机转子转速（即盘车大齿轮转速）超过盘车转速，主轴和小齿轮螺旋花键配合处，小齿轮对主轴的使小齿轮向左运动的力矩T2大于主轴对小齿轮的力矩T1，小齿轮沿轴向向左运动直至脱开。

3.4 脱开后

小齿轮完全脱开后，在腔室B油压力的作用下继续向左运动，腔室B的油压同时能使小齿轮保持在脱开位置，防止小齿轮与高速旋转的盘车大齿轮碰擦发生损坏事故。

4 盘车装置运行简述

选择启动盘车后，控制系统判断汽轮机转速是否大于盘车转速8RPM，汽轮机转速小于盘车转速且为零，电磁阀通电使盘车啮合然后启动盘车电机，持续盘车。汽轮机转速大于盘车转速则先启动电机，等到汽轮机转速降到盘车转速后电磁阀通电使盘车啮合。持续盘车后，汽轮机准备好在加速超过盘车转速后脱离。若不再盘车，离合器脱开后，切断盘车电机，盘车处于备用状态;若还需盘车，则选择启动盘车，将判定小齿轮是否脱离啮合，如已经脱离啮合，则等到汽轮机转速降到盘车转速后电磁阀通电使盘车重新啮合，如未脱离啮合，则继续盘车，直至汽轮机加速脱开（图3）。

5 离合器的啮合过程

5.1 启动前的啮合过程

汽轮机发电机组启动前，汽轮机转子的转速为零。

5.1.1 当盘车系统收到启动盘车的指令后，判定轉速为零后，电磁阀通电，使供油进入腔室A，使小齿轮朝与盘车大齿轮啮合的方向作运动。

5.1.2 当小齿轮轴向运动至即将离开腔室A时，小齿轮上的定相齿轮与盘车大齿轮已啮合。

5.1.3 盘车电动机启动。

5.1.4 离合器部分啮合后，位置传感器反馈信息，控制系统切断电磁阀，腔室A油压消失。

5.1.5 主轴旋转，使小齿轮继续轴向运动直至完全啮合。小齿轮和主轴相对静止，带动汽轮机转子转动，保持盘车状态。

5.2 停机后的啮合过程

停机后，汽轮机转子的转速持续降低，当达到设定的盘车转速时，盘车装置离合器能够自动啮合。

5.2.1 在汽轮机转速高于盘车转速时，选择启动盘车指令。转速监测系统监测汽轮机转子的转速，启动盘车电机。

5.2.2 转子转速降至设定的盘车转速后，电磁阀接通，内部油压使小齿轮朝与盘车大齿轮啮合的方向轴向运动。

5.2.3 离合器部分啮合后，位置传感器反馈信息。

5.2.4 主轴旋转，且转速大于转子转速，控制系统切断电磁阀，内部油压消失。小齿轮继续轴向运动直至完全啮合。小齿轮和主轴相对静止，带动汽轮机转子转动，保持盘车状态。

6 离合器的脱开过程

离合器的脱开是全自动的机械动作，不需要控制系统操作。

（1）汽轮启动后，在蒸汽作用下，盘车大齿轮的转速大于盘车输入转速，因螺旋花键结构，盘车大齿轮对小齿轮有反向力，使小齿轮向脱开方向轴向运动。（2）主轴中心孔向腔室B的供油使小齿轮运动至完全脱离位置，供油同时能避免小齿轮轴向运动至与盘车大齿轮接触，保证盘车装置的安全。（3）位置传感器显示完全脱开，汽轮机可以加速冲转。（4）主控室下达取消盘车指令，盘车电机停止。

7 结束语

盘车装置的自动离合器已在多个百万千瓦级汽轮机发电机组中实际应用，效果良好。自动离合器结构紧凑，传递载荷大，能够自动啮合、纯机械自动脱开，易损件更换成本低，结构合理，安全可靠，工作原理先进，在相关工程领域具有广泛的借鉴参考意义。

参考文献：

[1]唐礼，刘绪芳.SSS离合器设计特点及在发电设备中的应用[J].东方汽轮机，2015（1）：20-23.

[2]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册：第二卷：汽轮机[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]东方汽轮机有限公司.主盘车运行维护手册[Z].2012-11.