栗冬
(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱150000)
電能是人們?nèi)粘I钪行枰褂玫幕灸茉粗唬瑸榱吮WC電能供應(yīng)充足,各個(gè)發(fā)電廠都在積極研究科學(xué)開展發(fā)電工作的方法。從實(shí)際工作情況來(lái)看,目前應(yīng)用效果較好的就是水力發(fā)電工作。而這就帶動(dòng)了水輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展,而如何提高水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量,就成為了各個(gè)主機(jī)制造企業(yè)的基本工作任務(wù)之一。
想要科學(xué)開展推力軸承油霧密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作,就首先要了解推力軸承的基本運(yùn)行原理以及油霧逸出現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。
水輪發(fā)電機(jī)推力軸承是承擔(dān)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量及水推力的重要機(jī)構(gòu),推力頭及鏡板與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接,并隨水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)輪在水力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。鏡板壓在巴氏合金軸承瓦或彈性金屬塑料瓦上,中間由透平油在機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成油膜以保證推力軸承的潤(rùn)滑,實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與機(jī)架的連接。
現(xiàn)階段,開展水力發(fā)電設(shè)計(jì)工作時(shí),水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際可以應(yīng)用的推力軸承支撐型式多樣,具體需要根據(jù)發(fā)電機(jī)的型式、單機(jī)容量及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等情況綜合考慮進(jìn)行合理的選擇剛性支撐或彈性支撐。在生產(chǎn)制造工作中,不同種類的推力軸承,實(shí)際的運(yùn)行原理有一定差異。通常工作人員還需要重點(diǎn)關(guān)注軸承的潤(rùn)滑效果,避免受到的阻力增大而影響實(shí)際的發(fā)電效果。
機(jī)組運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生油霧的原因是多種多樣的,通常由于鏡板與推力軸承瓦及油膜的摩擦造成潤(rùn)滑油溫度升高,潤(rùn)滑油則會(huì)隨溫度變化體積有一定膨脹,導(dǎo)致推力油槽內(nèi)液面升高。潤(rùn)滑油在推力頭及鏡板旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的粘滯作用下,液面波動(dòng)可在油槽內(nèi)可形成拋物線,反復(fù)對(duì)油槽壁等固定部件進(jìn)行沖擊,產(chǎn)生油液飛濺,易造成油霧逸出。也有部分機(jī)組由于結(jié)構(gòu)原因,推力油槽空間較小或機(jī)組轉(zhuǎn)速較高,攪拌損耗較大,均是產(chǎn)生油霧逸出問題的原因。
軸承油霧產(chǎn)生后,會(huì)造成發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子絕緣破壞、影響發(fā)電機(jī)散熱、加速設(shè)備老化、造成經(jīng)濟(jì)成本損失等一系列的不良影響,嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行安全。因此,在開展水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作過程中,通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)油霧密封結(jié)構(gòu),解決推力軸承油霧逸出問題,提高產(chǎn)品穩(wěn)定性,對(duì)于電機(jī)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)就會(huì)顯得尤為重要。
從目前水輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)制造領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,除合理選擇推力軸承各參數(shù)外,通常情況下,也可通過一些合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改善或解決機(jī)組油霧逸出問題。這些設(shè)計(jì)主要包括優(yōu)化油擋結(jié)構(gòu)、優(yōu)化吸油霧系統(tǒng)、多層油擋設(shè)置、優(yōu)化油槽內(nèi)部布置等方面。
以往國(guó)內(nèi)外水輪發(fā)電機(jī)組的推力軸承油擋多靠自潤(rùn)滑絕緣密封材料的隨動(dòng)密封齒進(jìn)行油霧密封。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行,密封齒由于磨損或密封齒接縫間混入雜質(zhì),致使密封效果減弱,造成油霧逸出?,F(xiàn)可通過幾種方式對(duì)油擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,如增加密封齒層數(shù)設(shè)置多道密封齒,還可在油擋上方設(shè)置毛刷結(jié)構(gòu)。毛刷成本極低,可定期檢查更換,且硬度較低,不易使轉(zhuǎn)軸與其接觸部位產(chǎn)生劃痕而影響機(jī)組外觀。在油擋下方,還可以選擇根據(jù)推力頭形狀設(shè)置擋油環(huán)。設(shè)計(jì)時(shí)擋油環(huán)與推力頭留有一定間隙,可在一定程度上減弱潤(rùn)滑油液飛濺直接從密封齒處逸出的情況。
吸油霧系統(tǒng)在油霧收集時(shí)可起到至關(guān)重要的作用。目前階段可考慮對(duì)吸油霧系統(tǒng)配置方案進(jìn)行一定優(yōu)化,以增強(qiáng)油霧處理吸收能力。而吸油霧系統(tǒng)的優(yōu)化包括在吸油霧管路前端增加油霧分離器(如桐柏抽水蓄能電站、烏弄龍水電站、溧陽(yáng)抽水蓄能電站),分離出油霧后進(jìn)行液化并設(shè)置回油管,使吸出的油霧回到推力油槽中。對(duì)應(yīng)補(bǔ)氣裝置可以設(shè)置為強(qiáng)迫補(bǔ)氣,增加可調(diào)風(fēng)量的風(fēng)機(jī),根據(jù)油霧吸出量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量來(lái)平衡吸油霧裝置工作或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓。另外,吸油霧裝置可以從油擋或者油槽蓋板處設(shè)置多點(diǎn)吸油霧,提升油霧吸收處理能力,減少發(fā)電機(jī)推力軸承油霧的逸出。
多層接觸式油擋的設(shè)計(jì)也可對(duì)油霧密封效果產(chǎn)生一定影響。設(shè)計(jì)時(shí),可以考慮在液面穩(wěn)油板處增加接觸式油擋結(jié)構(gòu),密封齒分別與推力頭和鏡板接觸,起到穩(wěn)油和密封的效果,減小油面的波動(dòng)。還可以考慮從徑向機(jī)械密封和端面密封組合結(jié)構(gòu)或使用氣密封方向進(jìn)行研究。
推力油槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在解決推力軸承油霧逸出問題上也至關(guān)重要。推力油槽內(nèi)部可優(yōu)化部分主要包括增大推力油槽空間、在合適位置合理設(shè)置穩(wěn)油板、在推力油槽內(nèi)設(shè)置回油管路、優(yōu)化推力油槽內(nèi)部零件形狀以降低油流阻力產(chǎn)生沖擊等幾個(gè)方面著手綜合考慮。還可以通過模擬計(jì)算推力頭上均壓孔的空載壓頭后根據(jù)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況,對(duì)均壓孔進(jìn)行一定程度的封堵。
大型水輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行與推力軸承的設(shè)計(jì)方案是否合理有著密切的聯(lián)系,從具體設(shè)計(jì)過程來(lái)看,目前還有一些難題需要解決,具體包括以下幾個(gè)方面。
在科技信息技術(shù)高發(fā)展進(jìn)步的背景下,對(duì)于發(fā)電機(jī)空間及成本的限制逐步增加,更需考慮在保證機(jī)組性能的前提下壓縮發(fā)電機(jī)體積以控制土建開發(fā)及生產(chǎn)制造成本。這就造成推力油槽空間較小,難以設(shè)置復(fù)雜功能的油霧密封結(jié)構(gòu),特別是近年來(lái)大量開發(fā)的抽水蓄能電站多為傘式結(jié)構(gòu),通常結(jié)構(gòu)緊湊致使推力油槽空間緊張。這就需要設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用信息技術(shù)手段先構(gòu)建整體的發(fā)電機(jī)立體模型,繪制發(fā)電機(jī)的圖紙,明確各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)??梢酝ㄟ^虛擬技術(shù)模擬推力軸承的運(yùn)行狀態(tài),關(guān)注發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)瓦溫情況,以及推力軸承運(yùn)行各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)等方面。最終全面保障推力軸承的使用價(jià)值能夠得到充分的發(fā)揮。
一般情況下,推力軸承設(shè)計(jì)工作初期,可以通過哈電集團(tuán)3000t 推力軸承試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬運(yùn)行,觀察油霧逸出情況后進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行修正。但是,水輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜,較難以針對(duì)性進(jìn)行準(zhǔn)確模擬,無(wú)法準(zhǔn)確掌握投產(chǎn)運(yùn)行后實(shí)際的油霧逸出情況。這就涉及到對(duì)信息技術(shù)的合理開發(fā)和應(yīng)用環(huán)節(jié),還需要加大資金投入引進(jìn)設(shè)備,提高模擬仿真能力。
由于發(fā)電工作通常需要不間斷的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),長(zhǎng)期運(yùn)行后,油膜粘度下降,油膜變薄,推力瓦瓦溫升高,軸承的承載負(fù)荷能力下降,這些問題都是水輪發(fā)電機(jī)推力軸承在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的基本問題。這些都可能導(dǎo)致機(jī)組油霧密封性能發(fā)生改變,如果不能得到合理的監(jiān)測(cè)和控制,則容易導(dǎo)致油霧逸出,引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下,就需要重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)方法,同時(shí),結(jié)合實(shí)際發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)展開分析,及時(shí)掌握發(fā)電機(jī)的運(yùn)行故障問題,并分析引發(fā)故障的根本原因,優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。
文中提到的幾種油霧密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案或幾種方案的組合均可在一定程度上有效抑制油霧的逸出。通常情況下,在進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承設(shè)計(jì)工作時(shí),需要先對(duì)軸承的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),重點(diǎn)關(guān)注油霧密封結(jié)構(gòu),可以應(yīng)用信息技術(shù)手段構(gòu)建推力軸承模型,科學(xué)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)。此外,未來(lái)還可以從新型工業(yè)消泡劑、新型復(fù)合材料、氣密封、靜電吸油霧等方向進(jìn)行一定的拓展研究,這樣才能真正提高主機(jī)設(shè)備制造廠在水電市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新2020年24期