胡小剛（中廣核亞王木里縣沙灣電力有限責任公司，四川 木里 615000）

沙灣水電站軸承密封蓋優(yōu)化改造

胡小剛
（中廣核亞王木里縣沙灣電力有限責任公司，四川 木里 615000）

摘要：水輪發(fā)電機由于間隙密封原因產(chǎn)生的油霧及甩油現(xiàn)象，對機組有危害性，通過對甩油及油霧產(chǎn)生原因的分析，選用無間隙密封裝置。經(jīng)實踐運行證明，密封效果良好，值得推廣。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機；油霧；無間隙密封

0　前言

沙灣水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，是木里河干流（上通壩～阿布地）水電規(guī)劃“一庫六級”的第三級電站。工程開發(fā)任務為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水，電站采用低閘引水式開發(fā)，具有日調(diào)節(jié)性能，裝機容量280MW，多年平均發(fā)電量12.511億kW·h，于2012年10月20日前建成供四川省電網(wǎng)。

沙灣電站水輪發(fā)電機為HLA351-LJ-305立式混流式水輪機，與SF70-18/5500懸式水輪發(fā)電機直聯(lián)，其主要參數(shù)：

額定水頭：220m額定轉(zhuǎn)速：333.3r/min

額定容量：80MVA額定功率：70MW

額定電壓：10500V額定電流：4399A

飛逸轉(zhuǎn)速：558r/min機組安裝高程：2309m

整個水電站由成都勘測設(shè)計研究院設(shè)計，四川二灘國際有限責任公司監(jiān)理，東方電氣集團東風電機有限公司制造安裝的水輪發(fā)電機組。四臺機組軸承的密封方式均為間隙密封，設(shè)計單邊間隙為1.5～2mm，由于間隙較大，四臺機組軸承密封處均出現(xiàn)了不同程度的甩油及油霧外溢現(xiàn)象，運行一段時間檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子、上機架、下機架蓋板、風洞混凝土地面、水車室蓋板、頂蓋及機坑里襯上有許多油跡，造成轉(zhuǎn)子一點接地和嚴重的油污染，給機組的運行、維護造成了嚴重的安全隱患。對此，沙灣水電站機械專業(yè)技術(shù)人員及時提出了相應解決方案，首先對1號機組軸承密封蓋進行了技術(shù)改造，收到了較好的效果，然后對2號、3號、4號機組軸承密封蓋也給予實施改造。

1　改造前水輪發(fā)電機組各部軸承的特點

（1）上導軸承、下導軸承均采用內(nèi)部油冷卻器自循環(huán)分塊瓦結(jié)構(gòu)。其中上導10塊烏金瓦，下導12塊烏金瓦，均采用支柱螺絲偏心支撐方式，軸承體為鑄鋼，是承受徑向動荷的主要零件，軸承密封蓋材料為鑄鐵。

（2）發(fā)電機推力軸承推力負荷為4000kN，推力軸承采用雙層瓦加托盤的剛性支撐方式，推力軸承共設(shè)有8塊瓦，瓦面材料采用彈性金屬塑料瓦。軸承采用內(nèi)循環(huán)冷卻方式，在油槽內(nèi)部設(shè)有高效油冷卻器，推力軸承設(shè)于發(fā)電機上機架上面的油槽內(nèi)。推力軸承密封蓋材料為鑄鐵。

（3）水導軸承為稀油潤滑拋物面外循環(huán)筒式軸承，軸瓦用法蘭固定在軸承座上，內(nèi)嵌巴氏合金瓦，并加工成拋物線曲面。油的循環(huán)為自循環(huán)形式，無需泵和外部油箱，當轉(zhuǎn)動油盆隨主軸轉(zhuǎn)動時，油盆內(nèi)的畢托管把油吸入并通過外置冷卻器導向上油箱，油從上油箱經(jīng)軸承體流入轉(zhuǎn)動油盆軸承。冷卻器位于機坑內(nèi)。軸承體為鑄鋼，是承受徑向動荷的主要零件，軸承密封蓋材料為鑄鐵。

（4）各軸承密封蓋均為圓錐式結(jié)構(gòu)，合縫面用橡皮墊密封，其中推力與上導為6瓣結(jié)構(gòu)，下導為4瓣結(jié)構(gòu)，水導為2瓣結(jié)構(gòu)。通過連接螺栓將密封蓋固定在軸承座（密封支持座）上，密封蓋與旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計單邊間隙為1.5～2.0mm，此外，在密封蓋上段靠近軸領(lǐng)部位設(shè)有羊毛氈，以避免軸承蓋碰傷軸領(lǐng)工作面。

2　對水輪發(fā)電機組密封改造的必要性分析

四臺機組自投運以來，油槽軸承油位注油正常，推力油面以鏡板和推力頭把合面處為準，上導油槽、下導油槽以瓦抗重螺栓中心線處為準，水導正常油位為260mm?，F(xiàn)把油槽運行一段時間后軸承密封蓋甩油及外溢產(chǎn)生不良情況介紹如下：

（1）滑環(huán)室的上下碳刷架、發(fā)電機大軸引出線及絕緣支撐件表面附著油泥，導致絕緣下降出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點接地。

（2）機組上導、下導、推力油槽甩油以及油霧外溢造成發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極、磁軛以及定子線棒的污染，油霧與灰塵在定子鐵芯通風溝和轉(zhuǎn)子磁極通風溝處堆積，造成發(fā)電機通風散熱變差，嚴重影響發(fā)電機的散熱效果。油霧和灰塵長期吸附在絕緣層上，對發(fā)電機線棒等絕緣造成腐蝕，使其絕緣性能下降，降低線棒的絕緣強度及使用壽命，極易造成發(fā)電機線圈短路或擊穿，給機組安全穩(wěn)定運行帶來潛在的危害，威脅發(fā)電機的安全運行。

（3）長期的油槽甩油及油霧外溢，運行人員必須密切關(guān)注油槽的油位變化，油位下降至最低油位時應立即及時向油槽內(nèi)加油，這樣就造成了透平油的浪費，增加機組的運行成本和維護工作量。同時，對環(huán)境和設(shè)備衛(wèi)生的打掃也增加了維護人員工作量和大量清潔材料消耗。

（4）發(fā)電機風洞內(nèi)地面和水車室地面的積油，容易導致運行和維護人員在日常設(shè)備巡回和缺陷處理中滑倒，存在人身傷害安全隱患。

（5）由于我公司機組為高水頭懸式機組，機組及廠房振動較大，軸承密封蓋在運行一段時間后與轉(zhuǎn)軸之間的間隙變?yōu)椴痪鶆颍斐奢S承密封蓋局部偏磨，甚至發(fā)生塑性變形，油槽內(nèi)油容易從變形處溢出，不僅增加了漏油量，而且羊毛氈被磨損后掉入油槽內(nèi)，使透平油受到污染，影響軸承的潤滑冷卻效果。

種種現(xiàn)象表明，軸承內(nèi)油霧擴散對機組設(shè)備的損害程度是不可低估的，所以我們不能把軸承密封蓋間隙加大甩油問題視為小事，必須結(jié)合實際情況，采取有利措施解決密封蓋間隙加大而產(chǎn)生的油霧泄漏問題。

3　原來機組油槽甩油及油霧外溢原因分析

（1）原來的油槽密封蓋為鑄鐵材質(zhì)，材質(zhì)較重（見圖1），由于運輸和安裝等各方面原因，極易造成蓋板存在變形的問題，油槽蓋底座與油槽軸承座“O”型密封，因為油槽蓋板存在變形現(xiàn)象，造成部分螺栓無法正常安裝和緊固，致使油槽蓋板與油槽底座間密封有滲油現(xiàn)象，機組運行后大量透平油將從油槽蓋密封結(jié)合面甩出。

（2）油槽蓋分瓣結(jié)合面密封設(shè)計為橡膠平板密封，因此在油槽蓋板安裝時部分螺栓無法正常安裝和緊固，造成油槽蓋分瓣結(jié)合面密封有滲油現(xiàn)象，機組運行后大量潤滑油將從密封結(jié)合面甩出。

圖1原油槽密封蓋板

（3）油槽蓋與軸領(lǐng)間隙處油霧外溢

油槽密封蓋板與機組大軸在運行中處于一種相對高速旋轉(zhuǎn)的運動關(guān)系，因此就要求它們之間應該有足夠的間隙，以防止二者發(fā)生摩擦造成設(shè)備的損壞。改造前的油槽密封蓋板與軸領(lǐng)之間的設(shè)計間隙是1.5～2.0mm，間隙設(shè)置三處梳齒迷宮環(huán)，間隙密封材料為5mm羊毛氈條，密封壓在油槽蓋頂部間隙表面。此間隙密封設(shè)計形式，當羊毛氈條磨損或吸油后，機組運行中油槽密封蓋板處的迷宮環(huán)密封起到的密封作用就相對較差，機組運行時會產(chǎn)生離心力，油面會因離心力的作用向外壁涌高，容易讓油霧從密封蓋與軸領(lǐng)之間的縫隙甩出；同時，隨著軸承溫度的升高，油槽內(nèi)油和空氣體積膨脹而產(chǎn)生內(nèi)壓，使轉(zhuǎn)動油盆內(nèi)的油霧隨氣體從間隙之間的縫隙逸出。從運行情況來看，這種甩油原因存在，而且油量比較大，因此這是引起甩油的主要原因之一。油槽的油霧就易通過密封蓋板與大軸之間的間隙大量溢出。

4　油霧過多處理方案及使用效果

針對水輪發(fā)電機組上導軸承、下導軸承、推力軸承及水導軸承密封蓋，由于密封蓋板與軸領(lǐng)存在間隙、密封蓋板在運行后間隙過大又無法補償，而導致密封不嚴，造成軸承油槽潤滑油及油霧大量泄漏而影響設(shè)備運行，電站機械專業(yè)技術(shù)人員組織討論，提出了密封蓋板進行改造的技術(shù)方案，并于2013年春季檢修的時候?qū)γ芊馍w進行改造處理。

將4部軸承（推力、上導、下導、水導）的間隙梳齒密封改造為專為解決大型水輪機組漏油問題而研制開發(fā)的新產(chǎn)品：CX-FS無間隙密封裝置（見圖2），防止油槽內(nèi)油霧從密封蓋與軸領(lǐng)處溢出。

（1）無間隙密封蓋板，改造后無間隙密封蓋板有如下結(jié)構(gòu)特點：蓋板的金屬部分采用ZL102高強度輕鋁合金結(jié)構(gòu)，重量輕不易變形，在密封面上開有類似梳齒迷宮環(huán)式3個齒口，在其中上下的齒口內(nèi)安裝有彈簧和密封齒，密封齒采用非金屬耐磨特種復合密封材料，密封材料具有自潤滑特性，以及獨特的分子結(jié)構(gòu)，吸噪音、抗靜電、比重輕、絕緣性能好，極高抗滑動摩擦能力、耐高溫、耐化學物質(zhì)侵蝕，材料自潤滑性能優(yōu)于用潤滑油的鋼或黃銅。密封齒沿圓周分布，每瓣均能與軸形成徑向跟蹤，靠彈簧的作用可實現(xiàn)徑向2～4mm，后退3～5mm，在軸偏擺運行時，密封齒可通過彈簧的作用自動跟蹤調(diào)整其與轉(zhuǎn)軸之間的間隙，實現(xiàn)蓋板與軸領(lǐng)之間的無間隙運行，密封蓋在運行中不損傷軸領(lǐng)，也不引起轉(zhuǎn)軸震動及軸溫升高，從而保證機組運行中油槽蓋內(nèi)油霧無外溢及避免甩油現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖2改造后的密封蓋板

（2）油槽軸承密封蓋板在圓周上仍采取推力與上導為6瓣結(jié)構(gòu)，下導為4瓣結(jié)構(gòu)，水導為2瓣結(jié)構(gòu)，蓋板的金屬部分采用高強度鋁合金結(jié)構(gòu)，并用銷釘螺栓定位把合，重量輕不易變形，安裝方便；油槽蓋分半結(jié)合面密封均改為平面耐壓密封膠密封，密封安裝也更簡單，比橡膠密封更耐油耐腐蝕，因此，各油槽蓋安裝后能保證油槽蓋各密封結(jié)合面無滲漏油，機組運行時各密封面無甩油現(xiàn)象發(fā)生。

（3）因為新油槽軸承蓋為無間隙密封形式，油槽與外界空氣完全隔離，為保證內(nèi)部空氣與外部聯(lián)通，在上導、下導、推力油槽密封蓋面上各安裝4個空氣呼吸器，空氣呼吸器結(jié)構(gòu)見圖3，空氣呼吸器設(shè)計為折疊擋板式，油槽內(nèi)部油霧經(jīng)擋板過濾后成滴狀，油滴重新落入油槽內(nèi)，使油霧不會外溢，但外部空氣能與內(nèi)部聯(lián)通，以防止油槽內(nèi)部產(chǎn)生高溫、高壓氣體。

圖3改造后的空氣呼吸器

2013年3月24日至4月7日，結(jié)合機組春季年度檢修，沙灣水電站首先對1號機組進行軸承密封改造，機組啟動24h后，上導、下導、推力油槽密封良好，但水導運行后油位有減少的趨勢，沙灣電站對1號機組水導油盆進行解體檢查，并再次對轉(zhuǎn)動油盆進行煤油滲漏試驗，經(jīng)6h后未見滲漏，機組再次運行一段時間后發(fā)現(xiàn)水導油位繼續(xù)有甩油的現(xiàn)象。

水導甩油分析：由于靜止時煤油滲漏，試驗無滲漏說明甩油是由于機組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，所以要對轉(zhuǎn)動部位加強檢查。

首先，當水導擺度過大，超過允許值時會造成水導軸承甩油，檢查運行記錄，并在現(xiàn)場進行實地測量發(fā)現(xiàn)，水導擺度未超出設(shè)計規(guī)范要求，排除此原因。

其次，檢查是不是因安裝過程中的原因?qū)е滤畬лS承甩油，檢查轉(zhuǎn)動油盆蓋分瓣面間隙，0.02mm塞尺無法通過，無間隙；檢查轉(zhuǎn)動油盆與轉(zhuǎn)動油盆蓋之間的把合螺栓是否松動，經(jīng)檢查新更換的螺栓彈簧墊壓不緊，原來新螺栓較長；轉(zhuǎn)動油盆蓋與轉(zhuǎn)動油盆之間的組合面是否有間隙，經(jīng)檢查原來水導瓦為筒式瓦由四瓣組合而成，各組合面由錐銷定位和螺栓把合，螺栓與銷釘后存在空隙，而后對空隙采用具有耐磨性好的，質(zhì)量輕的聚四氟乙烯膠封堵，并對轉(zhuǎn)動油盆蓋與轉(zhuǎn)動油盆加裝Φ4“O”型圈，并將新?lián)Q的24-M16×50的沉頭螺釘更換為以前的M16×40的沉頭螺釘。經(jīng)過一系列檢查處理，水導軸承設(shè)備全部回裝完，對所有電氣監(jiān)測設(shè)備進行全面檢查，調(diào)整水導軸承監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)至合格后，分別正常啟動至額定轉(zhuǎn)速監(jiān)測水導甩油情況，機組在經(jīng)過24h左右的運行，機組甩油情況已經(jīng)得到控制，水車室頂蓋已經(jīng)沒有油污。

2013年5月我們分別完成對沙灣水電站1～4號機組的四部軸承改進工作，通過將近一年多的運行考驗，檢查發(fā)電機風洞內(nèi)、下機架、水車室、定轉(zhuǎn)子線棒及磁軛等設(shè)備部件無油漬，從設(shè)備源頭消除了油槽密封蓋甩油和油霧外溢的發(fā)生。機組油槽蓋改造后運行一年多時間，油槽蓋板比較干凈，無此前油污染的現(xiàn)象發(fā)生，避免了油槽內(nèi)透平油的浪費，減輕了維護人員的日常工作量。實際證明，達到了優(yōu)化改造的預期效果。

5　經(jīng)濟效益分析

如每年每臺機組小修期用于處理發(fā)電機上導、下導、推力、水導軸承部位油污的至少需要6人、6h才能處理干凈，除去人工成本，按機組功率60MW、電價0.28元/kW·h計算折合人民幣10.08萬元，經(jīng)濟效益十分可觀。而汛期大發(fā)電的期間，由于受油污染停機后可能造成的經(jīng)濟損失和社會影響是無法估量的。將軸承密封蓋更換為CX-FS型無間隙密封蓋后，將延長設(shè)備使用壽命，保證機組的安全，縮短檢修工期，降低檢修費用，從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。

6　結(jié)論

沙灣水電站對油槽軸承密封蓋的優(yōu)化改造處理后，甩油整治效果明顯，甩油現(xiàn)象徹底消除，此次技術(shù)改造的方案是切實可行的，提高了機組運行的可靠性，進一步保障了設(shè)備穩(wěn)定運行，為電廠創(chuàng)造了更好的經(jīng)濟效益。運行證明，效果很好，值得在行內(nèi)推廣。

參考文獻：

[1]劉云.水輪發(fā)電機故障處理與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[2]盛國林.水輪機組安裝與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3]于海文,李克健.水電廠設(shè)備安裝、運行、維護、檢修與標準規(guī)范全書[M].北京:當代中國音像出版社,2001.

中圖分類號：TK730.3

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0053-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.018

收稿日期：2014-08-01

作者簡介：胡小剛（1984-），男，工程師，從事水電站機械設(shè)備管理工作。