淺談水輪發電機推力軸承油霧密封結構設計

栗冬

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150000）

電能是人們日常生活中需要使用的基本能源之一，為了保證電能供應充足，各個發電廠都在積極研究科學開展發電工作的方法。從實際工作情況來看，目前應用效果較好的就是水力發電工作。而這就帶動了水輪發電機生產制造行業的穩步發展，而如何提高水輪發電機的設計質量，就成為了各個主機制造企業的基本工作任務之一。

1 推力軸承的基本原理及油霧產生原因

想要科學開展推力軸承油霧密封結構的設計工作，就首先要了解推力軸承的基本運行原理以及油霧逸出現象產生的原因。

1.1 推力軸承的基本原理

水輪發電機推力軸承是承擔水輪發電機轉動部分重量及水推力的重要機構，推力頭及鏡板與發電機轉軸連接，并隨水輪機轉軸及轉輪在水力作用下轉動。鏡板壓在巴氏合金軸承瓦或彈性金屬塑料瓦上，中間由透平油在機組轉動時形成油膜以保證推力軸承的潤滑，實現機組轉動部件與機架的連接。

現階段，開展水力發電設計工作時，水輪發電機實際可以應用的推力軸承支撐型式多樣，具體需要根據發電機的型式、單機容量及發電機轉速等情況綜合考慮進行合理的選擇剛性支撐或彈性支撐。在生產制造工作中，不同種類的推力軸承，實際的運行原理有一定差異。通常工作人員還需要重點關注軸承的潤滑效果，避免受到的阻力增大而影響實際的發電效果。

1.2 油霧逸出現象產生原因

機組運行時，產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滑油溫度升高，潤滑油則會隨溫度變化體積有一定膨脹，導致推力油槽內液面升高。潤滑油在推力頭及鏡板旋轉產生的粘滯作用下，液面波動可在油槽內可形成拋物線，反復對油槽壁等固定部件進行沖擊，產生油液飛濺，易造成油霧逸出。也有部分機組由于結構原因，推力油槽空間較小或機組轉速較高，攪拌損耗較大，均是產生油霧逸出問題的原因。

軸承油霧產生后，會造成發電機定轉子絕緣破壞、影響發電機散熱、加速設備老化、造成經濟成本損失等一系列的不良影響，嚴重威脅機組運行安全。因此，在開展水輪發電機的設計工作過程中，通過合理優化設計油霧密封結構，解決推力軸承油霧逸出問題，提高產品穩定性，對于電機制造企業來說就會顯得尤為重要。

2 水輪發電機推力軸承油霧密封結構設計方案

從目前水輪發電機生產制造領域經驗來看，除合理選擇推力軸承各參數外，通常情況下，也可通過一些合理的結構設計來改善或解決機組油霧逸出問題。這些設計主要包括優化油擋結構、優化吸油霧系統、多層油擋設置、優化油槽內部布置等方面。

2.1 優化油擋結構

以往國內外水輪發電機組的推力軸承油擋多靠自潤滑絕緣密封材料的隨動密封齒進行油霧密封。經過一段時間的運行，密封齒由于磨損或密封齒接縫間混入雜質，致使密封效果減弱，造成油霧逸出。現可通過幾種方式對油擋結構進行優化，如增加密封齒層數設置多道密封齒，還可在油擋上方設置毛刷結構。毛刷成本極低，可定期檢查更換，且硬度較低，不易使轉軸與其接觸部位產生劃痕而影響機組外觀。在油擋下方，還可以選擇根據推力頭形狀設置擋油環。設計時擋油環與推力頭留有一定間隙，可在一定程度上減弱潤滑油液飛濺直接從密封齒處逸出的情況。

2.2 優化吸油霧系統

吸油霧系統在油霧收集時可起到至關重要的作用。目前階段可考慮對吸油霧系統配置方案進行一定優化，以增強油霧處理吸收能力。而吸油霧系統的優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、溧陽抽水蓄能電站），分離出油霧后進行液化并設置回油管，使吸出的油霧回到推力油槽中。對應補氣裝置可以設置為強迫補氣，增加可調風量的風機，根據油霧吸出量實時調節風量來平衡吸油霧裝置工作或發電機轉子旋轉產生的負壓。另外，吸油霧裝置可以從油擋或者油槽蓋板處設置多點吸油霧，提升油霧吸收處理能力，減少發電機推力軸承油霧的逸出。

2.3 多層油擋設置

多層接觸式油擋的設計也可對油霧密封效果產生一定影響。設計時，可以考慮在液面穩油板處增加接觸式油擋結構，密封齒分別與推力頭和鏡板接觸，起到穩油和密封的效果，減小油面的波動。還可以考慮從徑向機械密封和端面密封組合結構或使用氣密封方向進行研究。

2.4 優化推力油槽內部結構

推力油槽內部結構的設計在解決推力軸承油霧逸出問題上也至關重要。推力油槽內部可優化部分主要包括增大推力油槽空間、在合適位置合理設置穩油板、在推力油槽內設置回油管路、優化推力油槽內部零件形狀以降低油流阻力產生沖擊等幾個方面著手綜合考慮。還可以通過模擬計算推力頭上均壓孔的空載壓頭后根據機組運行實際情況，對均壓孔進行一定程度的封堵。

3 水輪發電機推力軸承油霧密封結構設計環節的重點及難點

大型水輪發電機的穩定運行與推力軸承的設計方案是否合理有著密切的聯系，從具體設計過程來看，目前還有一些難題需要解決，具體包括以下幾個方面。

3.1 推力油槽空間限制

在科技信息技術高發展進步的背景下，對于發電機空間及成本的限制逐步增加，更需考慮在保證機組性能的前提下壓縮發電機體積以控制土建開發及生產制造成本。這就造成推力油槽空間較小，難以設置復雜功能的油霧密封結構，特別是近年來大量開發的抽水蓄能電站多為傘式結構，通常結構緊湊致使推力油槽空間緊張。這就需要設計時應用信息技術手段先構建整體的發電機立體模型，繪制發電機的圖紙，明確各個零部件的設計參數?？梢酝ㄟ^虛擬技術模擬推力軸承的運行狀態，關注發電機運行時瓦溫情況，以及推力軸承運行各項監測指標等方面。最終全面保障推力軸承的使用價值能夠得到充分的發揮。

3.2 信息技術的應用

一般情況下，推力軸承設計工作初期，可以通過哈電集團3000t 推力軸承試驗臺進行模擬運行，觀察油霧逸出情況后進行設計參數和工藝參數進行修正。但是，水輪發電機的實際運行工況復雜，較難以針對性進行準確模擬，無法準確掌握投產運行后實際的油霧逸出情況。這就涉及到對信息技術的合理開發和應用環節，還需要加大資金投入引進設備，提高模擬仿真能力。

3.3 其他工作環節

由于發電工作通常需要不間斷的連續運轉，長期運行后，油膜粘度下降，油膜變薄，推力瓦瓦溫升高，軸承的承載負荷能力下降，這些問題都是水輪發電機推力軸承在運行過程中容易出現的基本問題。這些都可能導致機組油霧密封性能發生改變，如果不能得到合理的監測和控制，則容易導致油霧逸出，引發安全風險。在這種情況下，就需要重點關注監測數據及監測方法，同時，結合實際發電機的運行狀態展開分析，及時掌握發電機的運行故障問題，并分析引發故障的根本原因，優化設計流程。

文中提到的幾種油霧密封結構設計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，在進行水輪發電機的推力軸承設計工作時，需要先對軸承的參數進行合理設計，重點關注油霧密封結構，可以應用信息技術手段構建推力軸承模型，科學調整設計參數及結構。此外，未來還可以從新型工業消泡劑、新型復合材料、氣密封、靜電吸油霧等方向進行一定的拓展研究，這樣才能真正提高主機設備制造廠在水電市場的競爭能力。