接觸式密封在大功率半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用探討

尤佰朋

摘要：電機(jī)大流量稀油潤(rùn)滑軸承室密封結(jié)構(gòu)，包括軸承室、軸承、外軸承蓋、內(nèi)封環(huán)、內(nèi)軸承蓋、擋油環(huán)，內(nèi)軸承蓋和內(nèi)封環(huán)之間設(shè)有迷宮密封結(jié)構(gòu);所述的迷宮密封結(jié)構(gòu)為階梯式迷宮密封結(jié)構(gòu)，即內(nèi)封環(huán)的外柱面和內(nèi)軸承蓋的內(nèi)柱面從外向內(nèi)方向呈階梯上升且相互咬合，以此延長(zhǎng)密封回路，更充分地使?jié)櫥捅凰θ朊詫m密封槽內(nèi)。

關(guān)鍵詞：接觸式密封環(huán);1：1模擬試驗(yàn);油膜;摩擦;流場(chǎng)

引言

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的逐步提高，風(fēng)力發(fā)電會(huì)越來越高效，越來越經(jīng)濟(jì)，隨著國(guó)家政策的調(diào)整，風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)成本和運(yùn)行費(fèi)用正在逐步降低，在風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計(jì)和緊湊型結(jié)構(gòu)是未來大型風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的完善和成熟，其在風(fēng)電領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用，具有巨大的市場(chǎng)需求。

半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸承與齒輪箱采用同一套稀油潤(rùn)滑系統(tǒng)，因此軸承室的密封結(jié)構(gòu)成為電機(jī)重要結(jié)構(gòu)之一。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸承室密封結(jié)構(gòu)包括與電機(jī)端蓋固定的軸承室，軸承室內(nèi)套固定有位于轉(zhuǎn)軸軸端的軸承，軸承室外端面固定有外軸承蓋，軸承內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)軸上套固有內(nèi)封環(huán)，內(nèi)封環(huán)上套有與軸承室內(nèi)端面固定的內(nèi)軸承蓋，內(nèi)軸承蓋與軸承之間設(shè)有套于內(nèi)封環(huán)上且固定于內(nèi)軸承蓋上的擋油環(huán)，內(nèi)軸承蓋的與內(nèi)封環(huán)接觸的內(nèi)圓柱面上開有多個(gè)軸向排列的迷宮密封槽，從而在內(nèi)軸承蓋和內(nèi)封環(huán)之間形成迷宮密封結(jié)構(gòu)。目前只依靠迷宮密封的方式，容易造成潤(rùn)滑油的滲漏，潤(rùn)滑油進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，最終會(huì)影響電機(jī)的絕緣性能，降低電機(jī)的使用壽命。

1 半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸系密封系統(tǒng)方案

本文章著重分析我公司為3MW半直驅(qū)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的一種軸承密封結(jié)構(gòu)。該軸承室密封結(jié)構(gòu)包括軸承室、軸承、外軸承蓋、內(nèi)封環(huán)、內(nèi)軸承蓋、擋油環(huán)，內(nèi)軸承蓋和內(nèi)封環(huán)之間設(shè)有階梯式迷宮密封結(jié)構(gòu)，即內(nèi)封環(huán)的外柱面和內(nèi)軸承蓋的內(nèi)柱面從外向內(nèi)方向呈階梯上升且相互咬合;內(nèi)軸承蓋上開有與任一迷宮密封槽相通的泄壓孔，泄壓孔上連接有泄壓管;在內(nèi)封環(huán)與內(nèi)軸承蓋接觸面靠外端增加接觸式密封環(huán);外軸承蓋與軸承之間、擋油環(huán)與軸承之間、內(nèi)軸承蓋與軸承室之間裝有O型密封圈。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 模型建立

2.1 原理分析

電機(jī)大流量稀油潤(rùn)滑軸承室密封結(jié)構(gòu)，包括軸承室、軸承、外軸承蓋、內(nèi)封環(huán)、內(nèi)軸承蓋、擋油環(huán)，內(nèi)軸承蓋和內(nèi)封環(huán)之間設(shè)有迷宮密封結(jié)構(gòu);所述的迷宮密封結(jié)構(gòu)為階梯式迷宮密封結(jié)構(gòu)，即內(nèi)封環(huán)的外柱面和內(nèi)軸承蓋的內(nèi)柱面從外向內(nèi)方向呈階梯上升且相互咬合，以此延長(zhǎng)密封回路，更充分地使?jié)櫥捅凰θ朊詫m密封槽內(nèi)。進(jìn)一步地，內(nèi)軸承蓋上開有與任一迷宮密封槽相通的泄壓孔，泄壓孔上連接有泄壓管，泄壓管引至電機(jī)外側(cè)，以此可使軸承室內(nèi)的壓力保持與外界平衡，有力阻止?jié)櫥偷臐B漏。再進(jìn)一步，在內(nèi)封環(huán)與內(nèi)軸承蓋接觸面靠外端增加接觸式密封環(huán)，有效地阻擋大部分潤(rùn)滑油進(jìn)入內(nèi)軸承蓋的迷宮密封槽內(nèi)，降低了內(nèi)軸承蓋回油孔回油的壓力;外軸承蓋與軸承之間、擋油環(huán)與軸承之間、內(nèi)軸承蓋與軸承室之間裝有O型密封圈，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行防滲漏密封。更進(jìn)一步，內(nèi)軸承蓋的外側(cè)端面下部且位于軸承與內(nèi)軸承蓋之間的位置開有分別與各迷宮密封槽相通的泄油孔（各泄油孔環(huán)圓周分布）;軸承室的內(nèi)圈下部靠?jī)?nèi)側(cè)一邊開有一個(gè)弧形回油槽，軸承室的外側(cè)端面開有與弧形回油槽相通的排油孔。內(nèi)軸承蓋迷宮密封槽內(nèi)的潤(rùn)滑油經(jīng)泄油孔回流至軸承腔（即內(nèi)軸承蓋與軸承之間的空間），再經(jīng)回油槽、排油孔回流進(jìn)電機(jī)外的齒輪箱，從而形成回油的通路，保證內(nèi)軸承蓋內(nèi)不積潤(rùn)滑油。

2.2 有限元分析

運(yùn)用流體分析軟件FLUEN對(duì)此軸系密封環(huán)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析，計(jì)算電機(jī)軸承密封環(huán)內(nèi)的壓力衰減情況，對(duì)流場(chǎng)影響較小的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)考慮到接觸式密封在運(yùn)行一段時(shí)間后，其和內(nèi)軸承蓋間肯定會(huì)形成間隙，結(jié)合軸承計(jì)算結(jié)果中的工作游隙值，我們?cè)谀Ｐ椭薪佑|式密封點(diǎn)間隙設(shè)置為0.3mm，建立有限元模型，如圖2所示。設(shè)置進(jìn)風(fēng)口流速為20m/s，流體為空氣，從進(jìn)風(fēng)口給密封環(huán)強(qiáng)迫通風(fēng)，從出風(fēng)口出風(fēng)。

從圖2可以看出，電機(jī)軸承密封環(huán)內(nèi)的壓力逐漸衰減，進(jìn)風(fēng)口后的前5個(gè)密封環(huán)壓力以5%的幅度均勻遞減，每遇上一次形狀急劇變化，壓力衰減幅度加大。

2.3 ?？ㄔ囼?yàn)

我們同時(shí)對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了1：1模擬試驗(yàn)，?？ㄞD(zhuǎn)速 550r/min，試驗(yàn)時(shí)間40min，進(jìn)油量為10L/min，通過密封環(huán)處溫度的記錄值可以看出，在150min后，軸承密封接觸點(diǎn)的溫度趨于穩(wěn)定且呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，如下圖3：

以上為密封接觸點(diǎn)的時(shí)間溫度曲線圖，在150min后，溫度值有下降的趨勢(shì)，在模卡拆解后，我們測(cè)量了密封環(huán)外徑尺寸，為Φ386.74～Φ386.87，原尺寸為Φ387±0.1，軸承內(nèi)蓋摩擦位置處的尺寸為Φ387（0，+0.14），經(jīng)過模卡長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，密封環(huán)與軸承內(nèi)蓋接觸摩擦處的位置形成了一個(gè)小間隙，此間隙是靠配件加工的尺寸無法保證的間隙，在?？ㄟ\(yùn)行過程中，潤(rùn)滑油通過此間隙，便形成了一個(gè)油膜，起到阻擋潤(rùn)滑油的目的。與流場(chǎng)仿真分析結(jié)果一致。

3 結(jié)果與討論

（1）平面接觸式密封適用于長(zhǎng)期浸泡在潤(rùn)滑油及高工作壓力的工況下，將接觸式密封由面接觸改為線接觸，同時(shí)降低其過盈量，可快速磨合出理想的密封間隙;

（2）通過?？ú鸾夂蟪叽鐪y(cè)量可以得出，最終的密封間隙為0.3mm，此時(shí)既能保證系統(tǒng)有效密封，同時(shí)也能保證系統(tǒng)的應(yīng)力較小，此時(shí)采用接觸式密封，可以實(shí)現(xiàn)利用加工的手段無法實(shí)現(xiàn)的密封間隙。

（3）模卡在運(yùn)行的初始階段，接觸式密封處因摩擦導(dǎo)致溫度急劇上升，在密封環(huán)材料選擇時(shí)要考慮摩擦產(chǎn)生的熱量堆積現(xiàn)象對(duì)密封的影響。此處我們選擇的是具有使用壽命長(zhǎng)、摩擦阻力小、耐溫高的聚四氟乙烯組合密封圈。

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