解決機力塔減速箱傳動軸密封泄漏方法探討

北京京豐燃氣發電有限責任公司 楊環宇

某公司燃氣蒸汽聯合循環機組的配置型式為1臺燃機＋l臺汽機＋l臺發電機+l臺余熱鍋爐。燃氣-蒸汽聯合循環機組軸系設備由日本三菱重工制造，型號為1×1M701F，從發電機側看機組順時針旋轉。燃氣輪機型式為單軸、重型（工業型），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。燃氣輪機采用具有可調入口導葉（IGV）的17級高效軸流壓氣機。燃燒室由環繞機軸布置的20個燃燒小室組成，每個小室有9個燃氣噴嘴。在＃8、＃9燃燒室安裝有點火裝置，#18、＃19燃燒室安裝有火焰探測器。燃氣輪機透平部分由4級反動式葉片組成。

蒸汽輪機型號為TC2F-35.4inch，機組額定轉速3000r/min。汽輪機額定出力138480kW，額定進汽參數：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）。該汽輪機為雙缸、單軸、雙排汽凝結、再熱式機組，高中壓合缸，高中壓汽輪機為沖動式，低壓汽輪機為反動雙流式。高壓和中壓分別為8級葉片，低壓為6×2級葉片。汽輪機配備一個高壓蒸汽截止閥、一個高壓蒸汽調節閥、一個中壓蒸汽截止閥、一個中壓蒸汽調節閥、一個低壓蒸汽截止閥、一個低壓蒸汽調節閥，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、自然循環形式、三壓再熱無補燃、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。發電機由日本三菱電機公司制造，型號MB-H，額定容量482MVA，說明資料規定額定電壓20kV，功率因數0.85，額定轉數3000r/min，額定頻率50Hz，采用的是全氫冷冷卻方式。

1 問題現狀

燃氣蒸汽聯合循環機組的循環水機力塔系統由HSRL400型號的機力塔風機單元組成，每個機力塔風機單元由風機葉片、減速箱、電動機組成。在電動機的帶動下，通過傳動軸帶動齒輪減速箱內的齒輪傳動通過輸出軸帶動葉片旋轉，為冷卻塔提供適宜風量和風壓，從而保證循環水的溫度，能在冷卻塔的潮濕且溫度偏高的環境中長時間正常運行。

其中，減速箱型號為HSRL400，其聯軸器采用薄壁鋼管及兩個半聯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合的傳動結構，具有結構比較緊湊，傳動功率較大，運轉安全穩定可靠，低噪音等特性。齒輪材料為優質合金鋼，經過適當的熱處理工藝，使齒輪具有較好的機械性能，從而保證了較高的抗磨性和抗沖擊能力。高速軸進口處動密封，采用骨架密封方式。

在機組運行期間發現，減速箱傳動軸下部經常有積油，經過進一步檢查確認為，減速箱傳動軸骨架油封處密封不嚴造成。分析是由于傳動軸的轉速比較高，在較強的離心力的作用下，齒輪減速箱內的潤滑油沿傳動軸從骨架油封處漏流，且滲漏的現象普遍。由此造成的減速箱、傳動軸及周圍水泥基礎沾滿油污，給機組安全運行帶來較大風險隱患，而且造成潤滑油的浪費，潤滑油嚴重污染了周圍的生產環境。如果操作人員不能及時發現，還可能因缺油造成設備損壞，為此必須解決機力塔減速箱傳動軸密封泄漏，消除潛在的設備隱患。

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行自密封，即利用較軟材質的填料產生的徑向過盈并抱緊轉動軸，阻塞轉動軸與腔體之間的徑向間隙，防止潤滑油泄漏。

由于傳動軸與密封填料的做相對運動，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生泄漏。更為糟糕的情況是當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行密封，填料的磨損較之前會更快，如此往復的惡性循環嚴重影響了減速箱的密封，密封效果越來越差，時間變短，傳動軸的轉矩更大以及損耗功率不停上升。當所處的生產環境進一步惡化時，環境中的污染物也會浸入，造成填料與傳動軸之間出現較大的顆粒磨損的情況，更加嚴重破壞了減速箱密封效果。

由于這種較老的密封技術的固有形式和存在的明顯缺陷，轉動設備回轉泄漏一直是比較難解決。隨著現在安全生產要求日趨嚴格，對密封要求的越來越高，這種傳統密封形式難以滿足現有的苛刻條件的要求。設備泄漏不僅影響設備安全穩定使用，降低了設備的使用壽命周期，而且也對周邊環境造成了嚴重影響。因此，通過不斷探索，發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，對減速箱進行了解體檢修，對泄漏位置部件進行仔細檢查，發現傳動軸密封的骨架油封內唇有磨損痕跡，相應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，進而導致傳動軸處密封泄漏。

通過進一步調查，發現即使更換了新的骨架油封后，減速箱再運行一段時間后發生漏油情況更加嚴重。由于減速箱在轉動過程中傳動軸的長時間連續高速轉動，容易使骨架油封發生磨損情況，再結合轉動軸本身已經有磨損，兩者的配合情況愈加惡劣，因此泄漏情況越來越嚴重，維持不泄漏的事件越來越短。

2.2 制定對策

根據機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有的骨架油封，徹底解決傳動軸泄漏問題。為此，對常見的轉軸密封形式進行對比和分析。

2.3 傳動軸密封形式選擇

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

骨架油封用于轉軸密封的缺陷。骨架油封在安裝時，唇口過盈量不盡相同，若抱緊力過大，易發生干摩擦。減速箱運行一段時間后，造成骨架油封唇口與傳動轉軸的間隙變大，造成潤滑油不斷沿軸向外甩出，即發生漏油。骨架油封存在的主要問題是：應用在旋轉軸密封時，其工作原理存在先天的設計缺陷，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，密封結構及設備線速度與介質粘度的關系更為緊密，由于迷宮密封內部存在間隙，沿軸向漏油情況仍然存在，不適用于垂直密封的工況條件，在停止轉動時存在泄漏現象，不適合于靜密封狀態。長期使用迷宮密封，潤滑油泄漏仍然較嚴重，對周邊環境污染影響較大。意見：不適用。

機械密封。是一種發展較為成熟、技術更為先進的密封形式，廣泛適用于電力企業的泵與風機制造，對于齒輪箱這種軸徑較大、安裝空間小，會使機械密封設計難度加大、加工費用更高、安裝難度更大。機械密封的密封環分為動環和靜環，在現場使用中會經常發生端面磨損不均勻情況，可能有的環靠內徑處磨損較嚴重，可能有的環靠外徑處磨損較嚴重。這是因為作用在環上的壓力不均勻，或溫度分布不均勻造成密封環變形所致。意見：不適用。

磁力機械油封。其工作原理類似于機械密封，靠動環圓周上磁鐵的磁力將動環與靜環貼緊，以確保密封的效果，有別于骨架油封直接轉軸進行接觸密封，不會對轉軸產生任何磨損。由于磁鐵的體積較機械密封的彈簧小，整個磁力機械油封的體積較機械密封大為減小。設計改造安裝時，磁力機械油封軸承蓋結構與傳統的骨架密封軸承蓋一致，只需根據現場軸承蓋及傳動軸的尺寸設計合適的磁力機械油封尺寸即可。意見：適用。

2.4 對策實施

確定了采用磁力油封這種新型密封原理，對現有傳動軸的密封端蓋進行重新設計改造：結合原有機械密封的各部件材料特性，設計了新型磁力油封：由靜環和動環兩部分組成，使之能夠適應工作環境的要求。靜環。采用遇熱更加穩定且更耐磨的3Cr13不銹鋼材質制作而成，O型圈固定于其腔內，密封面光滑平整耐磨；動環。內部裝有磁性元件，其密封面是由散熱好性與耐磨性優異的含碳復合材料制作而成，采用浮動式設計。可長時間在靜環的吸引下保持貼合，為滿足與靜環一直吸合在一起，磁力油封的磁性元件采用永磁材料，使其在高溫度及高轉速的環境下不會消磁。為了滿足浮動式設計的較高要求，動環采用O型圈固定在傳動軸上，設計的新型磁力油封詳細結構如圖2所示。

圖2 新型磁力油封結構圖

3 解決效果

改造實施后，減速箱油位加至正常工作油位，靜態下未發現滲漏，然后對機力塔風機及減速箱進行整體試轉并觀察減速箱外部油位計，試轉4h后發現減速箱外部油位計無下降，隨后停止機力塔風機及減速箱的試轉，檢查磁力油封處無滲漏情況。安裝一段時間后進行檢查，檢查減速箱磁力油封處未發現泄漏情況，解體檢查動環和靜環的密封面光滑無損傷，磁力油封的磁性元件磁性良好未發現磁力減小現象，減速箱工作情況良好，磁性油封改造成功，有效提高了設備的運行安全穩定性和可靠性。

磁力油封使用了一種先進的密封結構形式，該密封在設計理念上沿襲了機械密封的設計原理，在其基礎上簡化了部分結構，使其功能更加完善。磁力油封的特點是更長的使用壽命，其使用時在密封端面間維持一個極薄的油膜，使端面不會發生干磨擦的情況，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下工作，邊界潤滑具有較低的磨擦系數，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，同時相比較于橡膠材質的骨架油封，不易老化。

通過設計并安裝新型磁力油封，有效解決了減速箱傳動軸發生泄漏油，節省了因泄漏而造成的齒輪油采購費用及日常維修費用開支，同時避免了因漏油而引起的環境污染。通過這項改造的完成，積累轉動設備泄漏治理經驗，提高了設備管理水平，有力保證機組整體效率，為公司取得了較好的經濟效益。而且，在同類型減速箱中有推廣價值，為減速箱滲漏提出了新的解決方法。