重慶江口水電站3號機(jī)組軸承甩油問題分析及解決措施

歐適， 馮繼威

（1.國家電投集團(tuán) 重慶江口水電有限責(zé)任公司，重慶408506；2.重慶文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶402160）

0 引 言

水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)軸承的油密封對機(jī)組運(yùn)行至關(guān)重要，一旦軸承油密封不嚴(yán)，將會造成很大的損失，不僅會損耗潤滑油，嚴(yán)重的甚至?xí)廴纠@組，損壞絕緣，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。通過對機(jī)組軸承密封現(xiàn)狀的研究，解決傳統(tǒng)密封的缺陷，對保證機(jī)組的安全運(yùn)行有著重要的意義。

通常軸承的油槽是用油槽蓋板蓋住，固定的油槽蓋板與轉(zhuǎn)動部件（軸）之間存有一定的間隙，為了防止油槽內(nèi)的油霧逸出，在油槽蓋板與軸之間要進(jìn)行密封[1]。傳統(tǒng)密封主要有迷宮式密封、氣封式密封、梳齒式密封等形式，這些方式的密封要求油槽蓋板與轉(zhuǎn)動軸之間必須留有一定的間隙，這樣就無法保證軸承的油密封性能，造成軸承漏油或油霧泄漏。通過使用接觸式密封技術(shù)，有效解決了機(jī)組的漏油問題。

1 工程概況

重慶江口水電站位于重慶市武隆區(qū)江口鎮(zhèn)烏江支流芙蓉江河口以上約2 km 處，是以發(fā)電為主的綜合利用工程，距離重慶市區(qū)約140 km，距離武隆城區(qū)約20 km，是芙蓉江干流梯級開發(fā)的最末一級。電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高140 m。江口水庫總庫容5.05 億m3，正常蓄水位300 m，正常蓄水位時庫容4.53 億m3，死水位為260 m，調(diào)節(jié)庫容3.02 億m3，為季調(diào)節(jié)水庫。電站總裝機(jī)4×100 MW，左岸地下廠房安裝3 臺水輪發(fā)電機(jī)組，于2003 年建成投產(chǎn)；右岸廠房安裝1 臺水輪發(fā)電機(jī)組，2017年建成投產(chǎn)。

重慶江口水電站水輪發(fā)電機(jī)組為懸式機(jī)組，型號為HLS186-LJ-347.7，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為3.4771 m，額定水頭106 m，額定出力101.83 MW，額定流量103.32 m3/s，額定轉(zhuǎn)速214.3 r/min，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮曧槙r針。設(shè)有推力軸承、上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承。2003 年3 月機(jī)組投運(yùn)后，各軸承油槽密封蓋密封效果不佳，產(chǎn)生滲油、甩油、油霧等現(xiàn)象，對機(jī)組的安全運(yùn)行造成隱患。解決軸承漏油問題刻不容緩。

2 重慶江口水電站3號水輪發(fā)電機(jī)組軸承密封現(xiàn)狀

1）迷宮式密封結(jié)構(gòu)密封。3 號機(jī)組上導(dǎo)軸承油槽蓋板、下導(dǎo)軸承油槽蓋板、水導(dǎo)軸承油槽蓋板和推力軸承油槽蓋板均為迷宮式密封，如圖1 所示。隨著機(jī)組運(yùn)行，導(dǎo)軸承漏油、滲油嚴(yán)重，上、下機(jī)架、水車室的地面及相關(guān)設(shè)備上沾滿油污和積油。2）上導(dǎo)軸承擋油管。3 號機(jī)組上導(dǎo)軸承采用單層擋油管結(jié)構(gòu)，擋油管為Q235 鋼板卷成的單層圓筒焊接而成，如圖2 所示。擋油管下方漏油較多，下機(jī)架、定子線棒、風(fēng)洞內(nèi)墻壁及設(shè)備上都有油污污染。

3 漏油原因分析

3.1 油槽密封蓋板的漏油原因

圖1 迷宮式密封示意圖

圖2 單層擋油管示意圖

機(jī)組原密封蓋板為迷宮式結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時就與轉(zhuǎn)動部件之間留有0.3～0.5 mm 的間隙，機(jī)組經(jīng)過長期運(yùn)行，由于啟停機(jī)過程中轉(zhuǎn)動部件的擺動，造成密封部件磨損較大，形成的間隙越來越大；同時沒有考慮機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際工況，蓋板上沒有設(shè)計油霧呼吸器，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時，在離心力作用下油向外涌高、飛濺，同時產(chǎn)生大量的油氣混合物，并不斷聚集在油槽上部。當(dāng)油霧壓力大于大氣壓時，油霧便從油槽蓋板縫隙處溢出。隨著軸承的溫度升高，油槽內(nèi)的油和空氣體積逐漸膨脹，內(nèi)壓增大，油霧加速從蓋板縫隙處溢出，形成甩油現(xiàn)象。當(dāng)蓋板的密封齒磨損較大和軸系擺度較大時，密封齒與轉(zhuǎn)軸的間隙較大且無法補(bǔ)償，從而不能形成穩(wěn)定的油膜密封，油液外甩和油霧溢出現(xiàn)象加劇。

3.2 上導(dǎo)擋油管的漏油原因

目前3 號機(jī)上導(dǎo)擋油管甩油比較嚴(yán)重，上導(dǎo)軸承下部為單層擋油管密封，當(dāng)軸承在低速運(yùn)行時，擋油管與轉(zhuǎn)軸之間的油流處于層流狀態(tài)，當(dāng)在一定間隙、溫度和達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，擋油管管區(qū)內(nèi)的油流將處于紊流狀態(tài)，同時軸承油位過高，與擋油管上端距離過小，油槽內(nèi)油流波動時，潤滑油就會從擋油筒與軸的間隙漏出，造成下機(jī)架、定子線圈污染。

4 機(jī)組軸承密封的改造

公司利用機(jī)組A 修機(jī)會，對3 號機(jī)組漏油問題進(jìn)行徹底改造。

4.1 油槽密封蓋板的處理

針對原密封蓋板與轉(zhuǎn)動部件留有間隙的缺陷，采用接觸式密封結(jié)構(gòu)的蓋板，來解決間隙問題，同時在蓋板上加裝油霧呼吸器來平衡油槽內(nèi)外的壓力差，防止油霧外逸。3 號機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、推力油槽蓋板均改為接觸式密封蓋。接觸式密封蓋由座圈、接觸式密封齒、固定密封環(huán)、油霧呼吸器等構(gòu)成，如圖3所示。

4.1.1 油槽密封蓋座圈

1）油槽蓋座圈為鑄造鋁合金材質(zhì)，強(qiáng)度較高、質(zhì)量輕便和不易變形。2）密封蓋座圈分4 瓣，便于檢修時的拆裝，無需起重設(shè)施即可搬運(yùn)拆裝；座圈每瓣之間采用鉸制孔螺栓定位連接；3）密封齒下部加工有回油孔，可將2 道齒之間存油回流到油槽。

4.1.2 密封環(huán)

1）上導(dǎo)和下導(dǎo)密封蓋座圈設(shè)置2 道接觸式密封環(huán)，推力和水導(dǎo)設(shè)置3 道接觸式密封環(huán)。接觸式密封環(huán)每道由多塊密封齒構(gòu)成，采用非金屬高分子復(fù)合材料制成，與轉(zhuǎn)軸直接接觸，具有耐磨、絕緣、自潤滑特性，不會磨軸，不會產(chǎn)生軸溫升高，不會污染潤滑油，是零間隙密封。2）接觸式密封環(huán)每條密封齒背部裝有2 個不銹鋼材質(zhì)彈簧片，可隨軸做徑向浮動，靈敏度高，其單邊浮動量為前進(jìn)量單邊1 mm，后退量單邊2.5 mm?？筛S軸的擺動，始終與軸保持同心運(yùn)行，保持零間隙狀態(tài)。3）密封齒與密封齒之間采用搭接工藝連接，如圖4、圖5 所示。座圈合縫處密封齒連接如圖4 所示，其搭接量為1.5 mm，這樣設(shè)計是為了防止座圈安裝時因密封齒伸出太長而碰壞，同時又能形成迷宮狀不至于漏油。座圈內(nèi)密封齒連接如圖5 所示，其搭接量為7 mm。4）與轉(zhuǎn)軸接觸密封齒，采用非金屬多元復(fù)合材料，此種材料具有耐磨、耐油、耐高溫、耐老化、耐化學(xué)腐蝕、絕緣等特性，并且具有自潤滑功能，性能如表1所示。

圖3 接觸式密封蓋示意圖

圖4 密封齒搭接工藝示意圖1

圖5 密封齒搭接工藝示意圖2

表1 密封齒材料性能

4.1.3 定位密封環(huán)

在接觸式密封齒下方還裝有一圈定位密封環(huán)，該密封環(huán)采用聚四氟板加工而成，其內(nèi)徑與軸相同，在密封蓋板安裝時起到定位作用，確保密封蓋板與軸同心；同時能防止?jié)櫥蛯佑|式密封齒的直接沖擊，起到初步的密封作用。

4.1.4 油霧呼吸器

在每個密封蓋板上裝有4 個海綿濾網(wǎng)式油霧呼吸器，用來平衡油槽內(nèi)外壓力，當(dāng)油槽內(nèi)部油霧經(jīng)過呼吸器內(nèi)折流板和濾網(wǎng)后，冷卻成油滴流回油槽，清潔空氣排出。油霧呼吸器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 油霧呼吸器示意圖

機(jī)組運(yùn)行時，潤滑油隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生油溫升高和油霧，油霧呼吸器會平衡油槽內(nèi)外因油溫升高產(chǎn)生的壓差，同時油霧通過折流板和濾網(wǎng)時，會冷卻下來形成油滴，流回油槽，其余部分經(jīng)過孔隙率25 ppi 海綿濾網(wǎng)的充分過濾，使清潔空氣排出。

4.2 對上導(dǎo)擋油管漏油的處理

由于上導(dǎo)擋油管內(nèi)部沒有改造的空間，所以只能在其他相關(guān)部件上考慮解決辦法，通過現(xiàn)場分析，在上導(dǎo)擋油管下部安裝一個收集裝置，來收集通過擋油管漏出來的油和油霧。

收集裝置[2]由上油盤、連接板、接油盆、甩油環(huán)、放油組件等構(gòu)成，如圖7 所示。安裝方法為先安裝上油盤和擋油管，保證其原有技術(shù)參數(shù)不變，然后安裝甩油環(huán)，最后安裝接油盆，同時調(diào)整相關(guān)間距，密封齒與甩油環(huán)間距為0.1～0.2 mm，甩油環(huán)與上油盤和接油盆的間距為10 mm。

收集裝置的主要結(jié)構(gòu)為：1)甩油環(huán)。甩油環(huán)安裝在軸上，分2 瓣，與軸采用緊配合安裝，與軸一同旋轉(zhuǎn)，能將順軸流下來的油截流，甩到接油盆中不至于外泄。2）上油盤。對機(jī)組原有上油盤進(jìn)行重新設(shè)計更換，在保證原機(jī)架連接孔和擋油管連接孔不變的前提下，增加連接板，同時縮短合縫板的長度，為安裝甩油環(huán)留出空間。3）接油盆。接油盆為鋁合金材料制成，與上油盤上的連接板連接，將甩油環(huán)包在接油盆里面。收集從擋油管溢出被甩油環(huán)截留下來的潤滑油，并通過放油裝置定期回收。接油盆與甩油環(huán)采用梳齒式密封結(jié)構(gòu)，能最大限度地防止油霧外泄。

圖7 上導(dǎo)擋油管漏油處理示意圖

5 應(yīng)用運(yùn)行情況

重慶江口水電站3 號水輪發(fā)電機(jī)組A 修于2019 年11 月26 日開工，2020 年1 月17 日試運(yùn)行無異常后正式交付電網(wǎng)調(diào)度管理，在機(jī)組A 修期間，采用接觸式密封蓋及接油裝置對3 號機(jī)組各軸承進(jìn)行了改造，從設(shè)備源頭消除油霧外溢現(xiàn)象。經(jīng)過1.5 個月的實(shí)際運(yùn)行，到2020 年2月底，未發(fā)現(xiàn)機(jī)組軸承油污及油霧飄散現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)滑環(huán)、風(fēng)洞、制動閘、定轉(zhuǎn)子線棒及磁軛等設(shè)備部件無油漬，長期困擾的問題得到了徹底處理，為安全、文明生產(chǎn)提供了保障。改造前后3 號機(jī)組水導(dǎo)軸承效果對比如圖8 所示。

圖8 水導(dǎo)軸承改造前后效果對比圖

6 結(jié) 語

在很多水電站中都不同程度地存在水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生的油霧和甩油現(xiàn)象，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來了一定隱患，影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和安全生產(chǎn)，及時有效地進(jìn)行處理具有重要意義。重慶江口水電站3 號機(jī)組的應(yīng)用實(shí)踐證明，接觸式油槽密封可以有效防止油霧外溢及漏油、滲油現(xiàn)象，值得在1 號、2 號機(jī)組及類似水電站推廣應(yīng)用。