重慶江口水電站3號機組軸承甩油問題分析及解決措施

2020-11-26 03:46:38歐適馮繼威

機械工程師 2020年10期

歐適，馮繼威

（1.國家電投集團重慶江口水電有限責任公司，重慶408506；2.重慶文理學院土木工程學院，重慶402160）

0 引言

水輪發電機組導軸承的油密封對機組運行至關重要，一旦軸承油密封不嚴，將會造成很大的損失，不僅會損耗潤滑油，嚴重的甚至會污染繞組，損壞絕緣，影響機組的安全運行。通過對機組軸承密封現狀的研究，解決傳統密封的缺陷，對保證機組的安全運行有著重要的意義。

通常軸承的油槽是用油槽蓋板蓋住，固定的油槽蓋板與轉動部件（軸）之間存有一定的間隙，為了防止油槽內的油霧逸出，在油槽蓋板與軸之間要進行密封[1]。傳統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，有效解決了機組的漏油問題。

1 工程概況

重慶江口水電站位于重慶市武隆區江口鎮烏江支流芙蓉江河口以上約2 km 處，是以發電為主的綜合利用工程，距離重慶市區約140 km，距離武隆城區約20 km，是芙蓉江干流梯級開發的最末一級。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，調節庫容3.02 億m3，為季調節水庫。電站總裝機4×100 MW，左岸地下廠房安裝3 臺水輪發電機組，于2003 年建成投產；右岸廠房安裝1 臺水輪發電機組，2017年建成投產。

重慶江口水電站水輪發電機組為懸式機組，型號為HLS186-LJ-347.7，水輪機轉輪直徑為3.4771 m，額定水頭106 m，額定出力101.83 MW，額定流量103.32 m3/s，額定轉速214.3 r/min，旋轉方向為俯視順時針。設有推力軸承、上導軸承、下導軸承、水導軸承。2003 年3 月機組投運后，各軸承油槽密封蓋密封效果不佳，產生滲油、甩油、油霧等現象，對機組的安全運行造成隱患。解決軸承漏油問題刻不容緩。

2 重慶江口水電站3號水輪發電機組軸承密封現狀

1）迷宮式密封結構密封。3 號機組上導軸承油槽蓋板、下導軸承油槽蓋板、水導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。隨著機組運行，導軸承漏油、滲油嚴重，上、下機架、水車室的地面及相關設備上沾滿油污和積油。2）上導軸承擋油管。3 號機組上導軸承采用單層擋油管結構，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，下機架、定子線棒、風洞內墻壁及設備上都有油污污染。

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

機組原密封蓋板為迷宮式結構，在設計時就與轉動部件之間留有0.3～0.5 mm 的間隙，機組經過長期運行，由于啟停機過程中轉動部件的擺動，造成密封部件磨損較大，形成的間隙越來越大；同時沒有考慮機組運行的實際工況，蓋板上沒有設計油霧呼吸器，當機組運行時，在離心力作用下油向外涌高、飛濺，同時產生大量的油氣混合物，并不斷聚集在油槽上部。當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，油槽內的油和空氣體積逐漸膨脹，內壓增大，油霧加速從蓋板縫隙處溢出，形成甩油現象。當蓋板的密封齒磨損較大和軸系擺度較大時，密封齒與轉軸的間隙較大且無法補償，從而不能形成穩定的油膜密封，油液外甩和油霧溢出現象加劇。

3.2 上導擋油管的漏油原因

目前3 號機上導擋油管甩油比較嚴重，上導軸承下部為單層擋油管密封，當軸承在低速運行時，擋油管與轉軸之間的油流處于層流狀態，當在一定間隙、溫度和達到額定轉速時，擋油管管區內的油流將處于紊流狀態，同時軸承油位過高，與擋油管上端距離過小，油槽內油流波動時，潤滑油就會從擋油筒與軸的間隙漏出，造成下機架、定子線圈污染。

4 機組軸承密封的改造

公司利用機組A 修機會，對3 號機組漏油問題進行徹底改造。

4.1 油槽密封蓋板的處理

針對原密封蓋板與轉動部件留有間隙的缺陷，采用接觸式密封結構的蓋板，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外的壓力差，防止油霧外逸。3 號機組上導、下導、水導、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、油霧呼吸器等構成，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，強度較高、質量輕便和不易變形。2）密封蓋座圈分4 瓣，便于檢修時的拆裝，無需起重設施即可搬運拆裝；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

1）上導和下導密封蓋座圈設置2 道接觸式密封環，推力和水導設置3 道接觸式密封環。接觸式密封環每道由多塊密封齒構成，采用非金屬高分子復合材料制成，與轉軸直接接觸，具有耐磨、絕緣、自潤滑特性，不會磨軸，不會產生軸溫升高，不會污染潤滑油，是零間隙密封。2）接觸式密封環每條密封齒背部裝有2 個不銹鋼材質彈簧片，可隨軸做徑向浮動，靈敏度高，其單邊浮動量為前進量單邊1 mm，后退量單邊2.5 mm。可跟隨軸的擺動，始終與軸保持同心運行，保持零間隙狀態。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。座圈內密封齒連接如圖5 所示，其搭接量為7 mm。4）與轉軸接觸密封齒，采用非金屬多元復合材料，此種材料具有耐磨、耐油、耐高溫、耐老化、耐化學腐蝕、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

在接觸式密封齒下方還裝有一圈定位密封環，該密封環采用聚四氟板加工而成，其內徑與軸相同，在密封蓋板安裝時起到定位作用，確保密封蓋板與軸同心；同時能防止潤滑油對接觸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 個海綿濾網式油霧呼吸器，用來平衡油槽內外壓力，當油槽內部油霧經過呼吸器內折流板和濾網后，冷卻成油滴流回油槽，清潔空氣排出。油霧呼吸器結構如圖6所示。

圖6 油霧呼吸器示意圖

機組運行時，潤滑油隨著轉軸的轉動會產生油溫升高和油霧，油霧呼吸器會平衡油槽內外因油溫升高產生的壓差，同時油霧通過折流板和濾網時，會冷卻下來形成油滴，流回油槽，其余部分經過孔隙率25 ppi 海綿濾網的充分過濾，使清潔空氣排出。

4.2 對上導擋油管漏油的處理

由于上導擋油管內部沒有改造的空間，所以只能在其他相關部件上考慮解決辦法，通過現場分析，在上導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、放油組件等構成，如圖7 所示。安裝方法為先安裝上油盤和擋油管，保證其原有技術參數不變，然后安裝甩油環，最后安裝接油盆，同時調整相關間距，密封齒與甩油環間距為0.1～0.2 mm，甩油環與上油盤和接油盆的間距為10 mm。

收集裝置的主要結構為：1)甩油環。甩油環安裝在軸上，分2 瓣，與軸采用緊配合安裝，與軸一同旋轉，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。對機組原有上油盤進行重新設計更換，在保證原機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，將甩油環包在接油盆里面。收集從擋油管溢出被甩油環截留下來的潤滑油，并通過放油裝置定期回收。接油盆與甩油環采用梳齒式密封結構，能最大限度地防止油霧外泄。

圖7 上導擋油管漏油處理示意圖

5 應用運行情況

重慶江口水電站3 號水輪發電機組A 修于2019 年11 月26 日開工，2020 年1 月17 日試運行無異常后正式交付電網調度管理，在機組A 修期間，采用接觸式密封蓋及接油裝置對3 號機組各軸承進行了改造，從設備源頭消除油霧外溢現象。經過1.5 個月的實際運行，到2020 年2月底，未發現機組軸承油污及油霧飄散現象，檢查發現滑環、風洞、制動閘、定轉子線棒及磁軛等設備部件無油漬，長期困擾的問題得到了徹底處理，為安全、文明生產提供了保障。改造前后3 號機組水導軸承效果對比如圖8 所示。