解決機(jī)力塔減速箱傳動軸密封泄漏方法探討

北京京豐燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司 楊環(huán)宇

某公司燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的配置型式為1臺燃機(jī)＋l臺汽機(jī)＋l臺發(fā)電機(jī)+l臺余熱鍋爐。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系設(shè)備由日本三菱重工制造，型號為1×1M701F，從發(fā)電機(jī)側(cè)看機(jī)組順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)型式為單軸、重型（工業(yè)型），型號是日本三菱公司M701F3型，額定功率270300kW，額定功率下排氣流量2409.lt/h，排氣溫度587℃，排氣壓力3.30kPa。燃?xì)廨啓C(jī)采用具有可調(diào)入口導(dǎo)葉（IGV）的17級高效軸流壓氣機(jī)。燃燒室由環(huán)繞機(jī)軸布置的20個(gè)燃燒小室組成，每個(gè)小室有9個(gè)燃?xì)鈬娮?。在?、＃9燃燒室安裝有點(diǎn)火裝置，#18、＃19燃燒室安裝有火焰探測器。燃?xì)廨啓C(jī)透平部分由4級反動式葉片組成。

蒸汽輪機(jī)型號為TC2F-35.4inch，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速3000r/min。汽輪機(jī)額定出力138480kW，額定進(jìn)汽參數(shù)：高壓10.28MPa（絕壓）/538℃、中壓3.42MPa（絕壓）/566℃、低壓0.44lMPa（絕壓）/249.7℃，排汽壓力4.93kPa（絕壓）。該汽輪機(jī)為雙缸、單軸、雙排汽凝結(jié)、再熱式機(jī)組，高中壓合缸，高中壓汽輪機(jī)為沖動式，低壓汽輪機(jī)為反動雙流式。高壓和中壓分別為8級葉片，低壓為6×2級葉片。汽輪機(jī)配備一個(gè)高壓蒸汽截止閥、一個(gè)高壓蒸汽調(diào)節(jié)閥、一個(gè)中壓蒸汽截止閥、一個(gè)中壓蒸汽調(diào)節(jié)閥、一個(gè)低壓蒸汽截止閥、一個(gè)低壓蒸汽調(diào)節(jié)閥，其中除中壓蒸汽截止閥和低壓蒸汽截止閥為二位控制外，其余的主蒸汽汽門都可以不間斷控制。

余熱鍋爐為臥式布置、自然循環(huán)形式、三壓再熱無補(bǔ)燃、室外布置（爐頂采用封閉形式）型式，型號為DG287/10.67/38.2/3.73/48.2/0.49-M102，由東方日立鍋爐有限公司制造。發(fā)電機(jī)由日本三菱電機(jī)公司制造，型號MB-H，額定容量482MVA，說明資料規(guī)定額定電壓20kV，功率因數(shù)0.85，額定轉(zhuǎn)數(shù)3000r/min，額定頻率50Hz，采用的是全氫冷冷卻方式。

1 問題現(xiàn)狀

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的循環(huán)水機(jī)力塔系統(tǒng)由HSRL400型號的機(jī)力塔風(fēng)機(jī)單元組成，每個(gè)機(jī)力塔風(fēng)機(jī)單元由風(fēng)機(jī)葉片、減速箱、電動機(jī)組成。在電動機(jī)的帶動下，通過傳動軸帶動齒輪減速箱內(nèi)的齒輪傳動通過輸出軸帶動葉片旋轉(zhuǎn)，為冷卻塔提供適宜風(fēng)量和風(fēng)壓，從而保證循環(huán)水的溫度，能在冷卻塔的潮濕且溫度偏高的環(huán)境中長時(shí)間正常運(yùn)行。

其中，減速箱型號為HSRL400，其聯(lián)軸器采用薄壁鋼管及兩個(gè)半聯(lián)軸器與橡膠柱銷或膜片組成。齒輪箱由兩級齒輪組成減速傳動形式，使用的螺旋傘型齒輪副和斜齒輪副相結(jié)合的傳動結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)比較緊湊，傳動功率較大，運(yùn)轉(zhuǎn)安全穩(wěn)定可靠，低噪音等特性。齒輪材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，使齒輪具有較好的機(jī)械性能，從而保證了較高的抗磨性和抗沖擊能力。高速軸進(jìn)口處動密封，采用骨架密封方式。

在機(jī)組運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)，減速箱傳動軸下部經(jīng)常有積油，經(jīng)過進(jìn)一步檢查確認(rèn)為，減速箱傳動軸骨架油封處密封不嚴(yán)造成。分析是由于傳動軸的轉(zhuǎn)速比較高，在較強(qiáng)的離心力的作用下，齒輪減速箱內(nèi)的潤滑油沿傳動軸從骨架油封處漏流，且滲漏的現(xiàn)象普遍。由此造成的減速箱、傳動軸及周圍水泥基礎(chǔ)沾滿油污，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來較大風(fēng)險(xiǎn)隱患，而且造成潤滑油的浪費(fèi)，潤滑油嚴(yán)重污染了周圍的生產(chǎn)環(huán)境。如果操作人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，還可能因缺油造成設(shè)備損壞，為此必須解決機(jī)力塔減速箱傳動軸密封泄漏，消除潛在的設(shè)備隱患。

圖1 減速箱泄漏位置圖

齒輪減速箱傳動軸處的密封形式，通常采用自潤滑性能較好的填料進(jìn)行自密封，即利用較軟材質(zhì)的填料產(chǎn)生的徑向過盈并抱緊轉(zhuǎn)動軸，阻塞轉(zhuǎn)動軸與腔體之間的徑向間隙，防止?jié)櫥托孤?/p>

由于傳動軸與密封填料的做相對運(yùn)動，這樣造成密封填料的磨損較快，因此通過不停地加載以確保密封不會發(fā)生泄漏。更為糟糕的情況是當(dāng)傳動軸表面因不間斷的磨損而使表面粗糙后，需要提供更大的徑向抱緊力進(jìn)行密封，填料的磨損較之前會更快，如此往復(fù)的惡性循環(huán)嚴(yán)重影響了減速箱的密封，密封效果越來越差，時(shí)間變短，傳動軸的轉(zhuǎn)矩更大以及損耗功率不停上升。當(dāng)所處的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)一步惡化時(shí)，環(huán)境中的污染物也會浸入，造成填料與傳動軸之間出現(xiàn)較大的顆粒磨損的情況，更加嚴(yán)重破壞了減速箱密封效果。

由于這種較老的密封技術(shù)的固有形式和存在的明顯缺陷，轉(zhuǎn)動設(shè)備回轉(zhuǎn)泄漏一直是比較難解決。隨著現(xiàn)在安全生產(chǎn)要求日趨嚴(yán)格，對密封要求的越來越高，這種傳統(tǒng)密封形式難以滿足現(xiàn)有的苛刻條件的要求。設(shè)備泄漏不僅影響設(shè)備安全穩(wěn)定使用，降低了設(shè)備的使用壽命周期，而且也對周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。因此，通過不斷探索，發(fā)展新的密封形式找出解決密封泄漏方法已刻不容緩。

2 制定對策及處理

2.1 調(diào)查分析

針對HSRL400型減速箱傳動軸密封泄漏的位置，對減速箱進(jìn)行了解體檢修，對泄漏位置部件進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)傳動軸密封的骨架油封內(nèi)唇有磨損痕跡，相應(yīng)的傳動軸部位同樣存在輕微磨損痕跡，因此確定傳動軸密封泄漏的原因就是，傳動軸及其骨架油封都存在磨損造成軸向密封不嚴(yán)，進(jìn)而導(dǎo)致傳動軸處密封泄漏。

通過進(jìn)一步調(diào)查，發(fā)現(xiàn)即使更換了新的骨架油封后，減速箱再運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生漏油情況更加嚴(yán)重。由于減速箱在轉(zhuǎn)動過程中傳動軸的長時(shí)間連續(xù)高速轉(zhuǎn)動，容易使骨架油封發(fā)生磨損情況，再結(jié)合轉(zhuǎn)動軸本身已經(jīng)有磨損，兩者的配合情況愈加惡劣，因此泄漏情況越來越嚴(yán)重，維持不泄漏的事件越來越短。

2.2 制定對策

根據(jù)機(jī)力塔減速箱傳動軸密封泄漏的原因，決定找到更加適合減速箱工況的密封形式來替換現(xiàn)有的骨架油封，徹底解決傳動軸泄漏問題。為此，對常見的轉(zhuǎn)軸密封形式進(jìn)行對比和分析。

2.3 傳動軸密封形式選擇

傳統(tǒng)的毛氈密封。當(dāng)其傳動軸的轉(zhuǎn)速≥4～5m/s時(shí)，密封效果將不存在，因此此類密封只能用于低轉(zhuǎn)速設(shè)備上。當(dāng)漏流量大時(shí)，毛氈密封存在浸油飽和失效。由于唇口與轉(zhuǎn)動軸相接觸，長期運(yùn)行后會導(dǎo)致唇邊硬化，引起軸的磨損，最終導(dǎo)致密封失效，且不適用于高轉(zhuǎn)速的選裝設(shè)備密封。意見：不適用。

骨架油封用于轉(zhuǎn)軸密封的缺陷。骨架油封在安裝時(shí)，唇口過盈量不盡相同，若抱緊力過大，易發(fā)生干摩擦。減速箱運(yùn)行一段時(shí)間后，造成骨架油封唇口與傳動轉(zhuǎn)軸的間隙變大，造成潤滑油不斷沿軸向外甩出，即發(fā)生漏油。骨架油封存在的主要問題是：應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)軸密封時(shí)，其工作原理存在先天的設(shè)計(jì)缺陷，安裝后唇口過盈量不易控制，無論是過松或過緊都起不到密封的作用。意見：不適用。

迷宮密封。該形式較骨架油封形式更為先進(jìn)，密封結(jié)構(gòu)及設(shè)備線速度與介質(zhì)粘度的關(guān)系更為緊密，由于迷宮密封內(nèi)部存在間隙，沿軸向漏油情況仍然存在，不適用于垂直密封的工況條件，在停止轉(zhuǎn)動時(shí)存在泄漏現(xiàn)象，不適合于靜密封狀態(tài)。長期使用迷宮密封，潤滑油泄漏仍然較嚴(yán)重，對周邊環(huán)境污染影響較大。意見：不適用。

機(jī)械密封。是一種發(fā)展較為成熟、技術(shù)更為先進(jìn)的密封形式，廣泛適用于電力企業(yè)的泵與風(fēng)機(jī)制造，對于齒輪箱這種軸徑較大、安裝空間小，會使機(jī)械密封設(shè)計(jì)難度加大、加工費(fèi)用更高、安裝難度更大。機(jī)械密封的密封環(huán)分為動環(huán)和靜環(huán)，在現(xiàn)場使用中會經(jīng)常發(fā)生端面磨損不均勻情況，可能有的環(huán)靠內(nèi)徑處磨損較嚴(yán)重，可能有的環(huán)靠外徑處磨損較嚴(yán)重。這是因?yàn)樽饔迷诃h(huán)上的壓力不均勻，或溫度分布不均勻造成密封環(huán)變形所致。意見：不適用。

磁力機(jī)械油封。其工作原理類似于機(jī)械密封，靠動環(huán)圓周上磁鐵的磁力將動環(huán)與靜環(huán)貼緊，以確保密封的效果，有別于骨架油封直接轉(zhuǎn)軸進(jìn)行接觸密封，不會對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生任何磨損。由于磁鐵的體積較機(jī)械密封的彈簧小，整個(gè)磁力機(jī)械油封的體積較機(jī)械密封大為減小。設(shè)計(jì)改造安裝時(shí)，磁力機(jī)械油封軸承蓋結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的骨架密封軸承蓋一致，只需根據(jù)現(xiàn)場軸承蓋及傳動軸的尺寸設(shè)計(jì)合適的磁力機(jī)械油封尺寸即可。意見：適用。

2.4 對策實(shí)施

確定了采用磁力油封這種新型密封原理，對現(xiàn)有傳動軸的密封端蓋進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造：結(jié)合原有機(jī)械密封的各部件材料特性，設(shè)計(jì)了新型磁力油封：由靜環(huán)和動環(huán)兩部分組成，使之能夠適應(yīng)工作環(huán)境的要求。靜環(huán)。采用遇熱更加穩(wěn)定且更耐磨的3Cr13不銹鋼材質(zhì)制作而成，O型圈固定于其腔內(nèi)，密封面光滑平整耐磨；動環(huán)。內(nèi)部裝有磁性元件，其密封面是由散熱好性與耐磨性優(yōu)異的含碳復(fù)合材料制作而成，采用浮動式設(shè)計(jì)?？砷L時(shí)間在靜環(huán)的吸引下保持貼合，為滿足與靜環(huán)一直吸合在一起，磁力油封的磁性元件采用永磁材料，使其在高溫度及高轉(zhuǎn)速的環(huán)境下不會消磁。為了滿足浮動式設(shè)計(jì)的較高要求，動環(huán)采用O型圈固定在傳動軸上，設(shè)計(jì)的新型磁力油封詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型磁力油封結(jié)構(gòu)圖

3 解決效果

改造實(shí)施后，減速箱油位加至正常工作油位，靜態(tài)下未發(fā)現(xiàn)滲漏，然后對機(jī)力塔風(fēng)機(jī)及減速箱進(jìn)行整體試轉(zhuǎn)并觀察減速箱外部油位計(jì)，試轉(zhuǎn)4h后發(fā)現(xiàn)減速箱外部油位計(jì)無下降，隨后停止機(jī)力塔風(fēng)機(jī)及減速箱的試轉(zhuǎn)，檢查磁力油封處無滲漏情況。安裝一段時(shí)間后進(jìn)行檢查，檢查減速箱磁力油封處未發(fā)現(xiàn)泄漏情況，解體檢查動環(huán)和靜環(huán)的密封面光滑無損傷，磁力油封的磁性元件磁性良好未發(fā)現(xiàn)磁力減小現(xiàn)象，減速箱工作情況良好，磁性油封改造成功，有效提高了設(shè)備的運(yùn)行安全穩(wěn)定性和可靠性。

磁力油封使用了一種先進(jìn)的密封結(jié)構(gòu)形式，該密封在設(shè)計(jì)理念上沿襲了機(jī)械密封的設(shè)計(jì)原理，在其基礎(chǔ)上簡化了部分結(jié)構(gòu)，使其功能更加完善。磁力油封的特點(diǎn)是更長的使用壽命，其使用時(shí)在密封端面間維持一個(gè)極薄的油膜，使端面不會發(fā)生干磨擦的情況，對于磨損與泄漏都能較好地兼顧。在正常情況下，磁力油封一直處于邊界潤滑狀態(tài)下工作，邊界潤滑具有較低的磨擦系數(shù)，相比較干摩擦，能夠較大的減少端面磨損，使其使用壽命更長，同時(shí)相比較于橡膠材質(zhì)的骨架油封，不易老化。

通過設(shè)計(jì)并安裝新型磁力油封，有效解決了減速箱傳動軸發(fā)生泄漏油，節(jié)省了因泄漏而造成的齒輪油采購費(fèi)用及日常維修費(fèi)用開支，同時(shí)避免了因漏油而引起的環(huán)境污染。通過這項(xiàng)改造的完成，積累轉(zhuǎn)動設(shè)備泄漏治理經(jīng)驗(yàn)，提高了設(shè)備管理水平，有力保證機(jī)組整體效率，為公司取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。而且，在同類型減速箱中有推廣價(jià)值，為減速箱滲漏提出了新的解決方法。