淺談水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油霧密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

1 推力軸承的基本原理及油霧產(chǎn)生原因

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。

1.1 推力軸承的基本原理

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。

1.2 油霧逸出現(xiàn)象產(chǎn)生原因

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。

2 水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油霧密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

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。

2.1 優(yōu)化油擋結(jié)構(gòu)

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。

2.2 優(yōu)化吸油霧系統(tǒng)

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。

2.3 多層油擋設(shè)置

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。

2.4 優(yōu)化推力油槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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。

3 水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油霧密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)及難點(diǎn)

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。

3.1 推力油槽空間限制

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。

3.2 信息技術(shù)的應(yīng)用

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。

3.3 其他工作環(huán)節(jié)

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。