魏昌淼，彭 涛，方一格

(1.中国船舶集团公司第七〇三研究所无锡分部，无锡 214151；2. 中国船舶集团公司第七〇三研究所，哈尔滨 150036)

燃气轮机作为一种高速旋转的动力装置，工作时伴有高频率的变工况，转子高速旋转，转子转速变化时会在轴瓦间产生大量的热量。同时燃气轮机运行时，如果转子转动时润滑效果不好，会造成轴瓦及转子接触面烧损，严重损害燃气轮机寿命。为了带走轴承腔内各接合面之间形成的硬夹杂物，并带走由于摩擦所产生的热量和高温区域传给滑油的热量，燃气轮机需要配备优良的滑油系统，其一般为循环式。

近年来，多位学者对燃气轮机滑油系统设计及故障诊断方面进行了相关的研究[1]，何彬等[2]按高可靠性、结构紧凑、大流量、轻量化的要求，设计了一个由4个回油泵和1个供油泵组成的齿轮滑油系统泵，满足了某型燃气轮机各部位润滑冷却的要求，并进行了滑油泵试验件的相关生产和试验。衣爽[3]选择自组织特征映射神经网络作为滑油系统故障预测方法，将故障数据作为故障预测网络训练样本，结果表明无导师的自组织特征映射网络模型可直观地反映滑油系统的健康状态。梁茂宗等[4]对 D-S 证据理论公式进行了改进，通过10组滑油系统真实故障案例，验证了D-S 证据理论能够较好地解决燃气轮机滑油系统故障。某工业型燃气轮机在实际运行过程中，出现了滑油异常消耗问题，本文从燃气轮机滑油系统结构、工作原理出发，列出了可能导致滑油消耗量大问题的因素，最终判断滑油异常消耗是由于燃气轮机内部漏油造成的，通过分解检查及分析，发现问题由石墨密封环磨损导致。本次故障的解决过程对后续机组应对类似问题具有重要指导意义。本文同时提出开展优化石墨密封环工作，对提高滑油系统可靠性具有重要意义。

1 滑油系统工作原理

为了保证某工业型燃气轮机在所有工作状态下轴承部件、齿轮啮合和其他摩擦零件的润滑和冷却，滑油系统采用强制抽油的压力循环模式。滑油供油量与燃气轮机的转速成正相关关系，压气机通过传动机构带动滑油组件，滑油组件从滑油循环油箱抽油，随后将足量的滑油供给燃气轮机各支撑点轴承来保证旋转部件的冷却与润滑。在各轴承点润滑后具有一定压力的滑油，经过滑油冷却器冷却后被送回滑油循环箱。燃气轮机滑油系统工作原理如图1所示。为保证滑油供油品质，在滑油供油总口及总回油口设有滑油滤器，同时在燃气轮机各供油支管中装设有滤器，用于保护发动机免受可能出现的意外污染。在各回油支管路上设有磁性屑末检测信号器，用以分别监测燃气轮机各轴承腔室内部的磨损情况[5]。

图1 燃气轮机滑油系统工作原理图

2 滑油异常消耗故障及检查

某台燃气轮机运行8 500 h左右时，运行人员例行巡检发现滑油油箱液位与之前相比有明显跌落，滑油循环油箱液位出现偏低现象，滑油消耗量出现异常增大现象。

针对机组突然出现的滑油异常消耗问题，本文从燃气轮机滑油系统结构、工作原理出发，进行各方面详细梳理，列出了可能导致滑油消耗量大问题的因素，故障树如图2所示。

图2 滑油异常消耗故障树

故障发生后,运行人员对燃气轮机外围系统和箱装体内燃气轮机本体滑油系统的滑油泄漏情况进行了详细检查。外围滑油系统各部件及管路正常，滑油循环油箱、滑油冷却器、回油滤器及供回油管路状态良好，未发现异常；箱装体内滑油系统部件正常，电动滑油供回油泵、双联滤器、静态油气分离器、油气分离箱、下传动箱和滑油系统供回油管路状态良好，未发现异常。

随后，对滑油循环油箱磁性液位计和滑油冷却器进行了检查，用油标尺直接测量并记录滑油箱液位。为检查滑油冷却器是否有内部泄漏，更换了新的滑油冷却器进行试验验证,运行2 h后，情况如下：

1)滑油消耗约12 L，折合平均滑油消耗量约6.0 L/h(燃气轮机生产厂家要求不超过1.5 L/h)；

2)检查滑油冷却水系统水池，水面干净无油污；

3)检查外围系统和箱装体内滑油系统的泄漏情况，未发现异常。

通过上述排查，运行人员排除燃气轮机外部漏油情况的可能性。随后运行人员对运行参数进行了梳理分析，并对滑油回油滤进行拆检检查。

将滑油系统参数与之前运行数据进行对比，如滑油供油压力、滑油供油温度、油气分离箱压力、滑油回油温度、接触式密封压降等，发现各参数均无明显变化，机组其他试验数据，如各转子转速和振动等参数均正常。拆检滑油回油滤，发现回油滤滤芯有较多的不规则黑色石墨条状物及颗粒存在。

经上述排查及分析，认为滑油异常消耗是由于燃气轮机内部漏油造成的，可能是石墨密封环异常磨损导致接触式密封失效，进而导致滑油从石墨密封环处泄漏进入燃气轮机通流。若燃气轮机继续运行，则存在石墨密封环加速磨损的风险，给运行带来隐患，因此决定对燃气轮机进行分解检查。

3 滑油异常消耗的分解检查及分析

3.1 分解检查

该型燃气轮机由燃气发生器及动力涡轮组成，对燃气发生器各轴承腔室部位进行检查，未发现异常，各轴承腔密封石墨环均正常。

对动力涡轮分解检查，滑油密封空气系统管路、密封空气通道及密封空气腔室未发现异常，检查发现滚珠轴承侧石墨密封环异常磨损，滚柱轴承壳体合围区域大面积滑油烧蚀、结焦、积碳，滚柱轴承侧滑油密封失效，由此可判断滑油的异常消耗是由于动力涡轮轴承腔室密封失效，出现故障导致的。

3.2 动力涡轮滑油密封空气系统分析

动力涡轮滑油密封空气系统图如图3所示，首先从压气机引入压缩空气进入动力涡轮空气进气管。滚珠轴承侧密封腔室如图4所示，密封空气通过通道E到达滚珠轴承侧密封腔室。

图3 动力涡轮滑油密封空气系统图

图4 滚珠轴承侧密封腔室

滚珠轴承侧密封腔室将气路分为3路，一路通过后密封盖蜂窝密封与蓖齿的间隙L排出，一路通过间隙M实现滑油密封，一路通过动力涡轮轴上的F、G通道进入动力涡轮轴内腔。

滚柱轴承侧密封腔室如图5所示。进入动力涡轮轴的密封空气通过J、K通道进入滚柱轴承侧密封腔室。滚柱轴承侧密封腔室将气路分为2路，一路通过前密封盖蜂窝密封和蓖齿的间隙N排出，一路实现滑油密封。

图5 滚柱轴承侧密封腔室

在压缩空气的作用下，轴承侧密封腔室与滑油腔保持一定的压差，使石墨密封环的前端面与轴承腔端面紧密贴合，具有良好的随动适应性，从而达到了滑油腔的滑油密封的效果。

动力涡轮滚珠轴承侧石墨密封环的异常磨损，会使滑油腔密封用压缩空气流量分配与设计状态偏离。如图4所示，动力涡轮滚珠轴承侧腔室中石墨环与密封盖的配合间隙M为压缩空气主要排放通道，由于机组运行期间空气压力大于滑油腔压力，故仍能保证滚珠轴承侧的滑油密封。分配至涡轮轴内腔的压缩空气流量和压力不足导致滚柱轴承侧滑油密封失效，如图5所示，大量滑油从N处泄漏至滚柱轴承壳体合围区域，滑油泄漏路径温度较高，滑油出现大面积碳化，结焦在部件表面。

为保证后续机组的运行，动力涡轮分解后更换了新的石墨密封环，同时开展了新型石墨环的研制，旨在提高石墨环的耐磨性。在后续机组的运行过程中，应加强滑油消耗记录及检查，保证机组运行安全。

4 结 论

从燃气轮机的滑油系统原理出发，建立故障树对燃气轮机运行过程中出现的滑油异常消耗故障进行分析，通过检查，排除了燃气轮机外围滑油系统故障。通过燃气轮机分解检查及滑油密封空气系统分析，得出本次机组滑油消耗量异常增大为动力涡轮石墨密封环未达到使用寿命前异常磨损，导致接触密封失效所致，动力涡轮滚珠轴承侧石墨环磨损后，分配至滚柱轴承侧的压缩空气流量和压力不足，导致滚柱轴承侧滑油密封失效，滑油主要从动力涡轮滚珠轴承石墨环处泄漏。同时，在机外滑油回油滤器中发现的大量石墨应为动涡石墨环掉块、脱落所致。为了避免石墨密封环再次磨损，出现滑油异常损耗情况，建议加快石墨环材料的研究工作，提升其寿命，并优化石墨环工作环境。