棉花滩水电站机组推力轴承防甩油问题的研究

何宝海，赵宇彤，李荣耀，梁应斌，吕明月

(1.长春工程学院能源动力工程学院，长春130012；2.吉林省建筑能源供应与室内环境控制工程研究中心，长春130012；3.哈尔滨创新电力设备有限公司，哈尔滨 150060； 4.福建棉花滩水电开发有限公司，福建 龙岩 364000)

0 引言

棉花滩水电站是福建省电网第二大水电站，位于中国福建省永定区境内的汀江干流棉花滩峡谷河段中部，距永定县城21 km，距厦门市246 km，于1997年开工，2002年2月全部竣工。工程以发电为主，兼有防洪、拦沙、航运、水产养殖功能。碾压混凝土重力坝，最大坝高111 m，总库容20.35×108m3，电站总装机容量 60 MkW，安装4台15 MkW的水轮发电机组，年发电量15.2×108kW/h[1]。棉花滩水电站水轮发电机组的发电机为立轴半伞式结构。推力轴承位于下机架中心体上方、上机架下方，由推力头、镜板、推力瓦、推力轴承座、推力轴承油槽盖密封、轴承内挡油圈及弹性油箱底盘等组成。自2001年12月4台机组全部投产以来推力轴承均出现不同程度的甩油和油雾逸出现象，始终未能找到较好的解决方法。

1 推力轴承甩油和油雾逸出的危害

棉花滩水电站推力轴承密封结构采用的是接触式密封，密封齿的材料为碳晶，这种材料易磨损，磨损后产生的黑色粉尘会与油雾、灰尘等杂质接触，形成油泥、油垢，危害主要有以下几个方面。

1.1 造成发电机零部件的严重污染

黑色粉尘会与油雾混合在一起落在发电机转子线棒、转子轮辐、磁极、磁轭、定子线棒、引线、阻尼环表面，造成这些设备的严重污染。

1.2 严重影响机组的安全稳定性以及设备的使用寿命

油雾与灰尘在定子铁芯通风沟和转子磁极通风沟处堆积，造成发电机通风散热的效果变差，温度升高，效率下降，直接影响机组的安全稳定运行[2]。另外黑色粉尘等杂质会随着循环的冷却风飞起并与透平油滴或者油雾结合形成黑色油垢附着在定子线棒绝缘层、上机架内集电环正负极之间的绝缘子、发电机的磁极线圈以及励磁引线等电气部件的表面，腐蚀这些部件的绝缘层，降低其绝缘性能、缩短使用寿命[3]。

1.3 增大机组维护维修工作量

在对机组进行周例行巡检及年度检修时，需要花较长的时间来清扫设备表面上的油垢和甩落在地面上的润滑油，既费工费时又增加了机组的运行成本，因此，不利于实现精益检修、精心维护的目标[4]。

2 推力轴承甩油和油雾逸出的原因分析

2.1 密封部位密封不严

棉花滩水电站推力轴承的油槽密封盖与主轴之间采用的是接触式密封结构，即主轴与密封结构之间以接触的方式进行密封。密封齿材料选用的是碳晶，而碳晶的摩擦系数大，与主轴长时间接触会发生磨损，导致主轴与密封结构之间出现间隙，从而形成油雾逸出通道；另外，机组在运行过程中主轴会发生偏摆，而接触式密封结构存在着随动不灵活、无法复位的缺陷，因此，当主轴发生偏摆时，一部分密封齿会加剧磨损，另一部分密封齿与主轴间的间隙会增大。长此恶性循环，导致甩油和油雾逸出问题越来越严重。

2.2 内挡油圈与主轴之间间隙过大

推力轴承的油槽内挡油圈与主轴间间隙过大，在机组运行过程中，就形成了甩油及油雾逸出的通道，且没有安装接油槽，从外观看就出现了甩油和油雾逸出的现象。

2.3 推力轴承油槽容积小

棉花滩水电站的推力轴承油槽内径为1.68 m，外径为4.2 m，最高处约1.39 m，油槽容积约为10 m3，用油量约为7.8 t，约为9 m3。与其他同类型的机组相比，油槽空间偏小，使得油雾凝结空间受限，而在机组运行过程中，由于推力轴承转动部分的高速旋转，使油槽内形成的油雾四处飞逸，油雾需要一定的空间来凝结，但现有油槽容积偏小，油雾有效凝结空间不足，造成了油雾从推力轴承油槽盖顶部与推力头间隙处逸出。

2.4 推力轴承油槽内外存在压差

机组在运行过程中，推力轴承油槽内透平油油温会升高，透平油受热膨胀，形成油雾，且随着推力轴承油槽内油雾的不断累积，推力轴承油槽内的压力也不断升高。另外推力油槽位于转子中心体的下方，根据风洞内冷却风循环的路径可知，机组在运行过程中，转子的下部靠近主轴区容易形成负压状态[5]。压力不平衡或推力轴承油槽内外压力紊乱等情况也加速了油雾逸出油槽[6]。

3 解决措施

目前，国内外水力发电机组的推力轴承普遍存在甩油和油雾逸出的现象，始终未能找到较好的解决方法。现基于棉花滩水电站3#机组推力轴承甩油和油雾逸出的原因并结合电站实际情况，提出以下4个解决措施。

3.1 研制开发出一套新的密封装置

经过反复试验研究，研制开发出一套新的推力轴承密封装置。该装置在机组转速≤900 r/min下，环境温度≤300 ℃时均可使用。下面将对该密封装置的整体结构、工作原理以及密封齿的材质、功能进行介绍。

3.1.1 密封装置的整体结构

密封装置主要包括：密封齿、 离心甩油环、衡力弹簧、旋转叶片、转动环、密封油系统、密封外体。密封装置的结构示意图如图1所示。

图1 密封装置的结构示意图

本装置中，密封齿的结构有两种，分别为“T”型结构和“Y”型结构。密封装置与主轴之间安装一层轴向Y型密封齿、一层轴向密封环、一层轴向T型密封齿；在转轴处加装转动环和旋转叶片，转动环处安装一层径向Y型密封齿、一层径向密封环和一层径向T型密封齿。多层密封结构的设计，基本保证了转动部件与静止部件间几乎无油滴、油雾逸出，

3.1.2 密封装置的工作原理

在T型密封齿背部安装衡力弹簧。密封齿按圆周方向等分成若干偶数等份，每一等份通过衡力弹簧的作用均能轴向或径向前进及后退，灵敏度高，具有很好的随动性，因此即使主轴发生偏摆或T型密封齿在工作过程中出现磨损，机组运行时仍然能够保持与主轴在很小的情况下保证密封效果。另外T型随动密封齿与密封部件之间是线形接触面，既能够减少密封齿与主轴之间摩擦产生的热量，又能够起到很好的密封作用。

在Y型密封齿背部同样安装一个衡力弹簧。Y型密封齿的结构采用上下两层密封板组合的方式，每层密封板的厚度为0.5 mm，与主轴或转动环之间的间隙为0.5 mm，上层密封板长为23 mm，下层密封板长为26 mm。

T型随动密封齿配合Y型密封齿安装使用。在机组运行过程中，由于环境风压作用，使Y型密封齿自动与主轴紧密贴合，达到最佳的密封状态，有效防止透平油或者油雾顺主轴向上逸出。

衡力弹簧沿圆周分布，安装在密封齿的背部，使密封齿具有随动性，保证T型随动密封齿和Y型密封齿在主轴偏摆时向心运动受力均匀、与主轴无间隙，阻断油雾逸出通道。

旋转叶片则是在工作过程中产生“风扇效应”[7]，形成风压，一方面可以防止油雾沿着主轴向上攀爬，另一方面能够使Y型密封齿与主轴之间贴合更加紧密，密封效果更好。

表1 密封齿的性能参数表

离心甩油环的上表面与密封油配合密封阻断油雾外出通道，下表面阻止透平油及油雾顺主轴向上攀爬。

3.1.3 密封齿的材质

密封齿的材质是由非金属高分子合成的化学材料，具有耐高温、耐老化、耐化学腐蚀等特性。这种材料在加工过程中采用了特殊的加工工艺，即在相对低温的环境下，将一定量的固态润滑脂包含在正在加工的密封材料中，当机组运行时，密封齿与密封部件摩擦使密封齿温度升高，含入密封齿内的润滑脂就会析出，起到自润滑的作用。因此，这种材料的摩擦系数仅为0.02，与摩擦系数为0.1的碳晶和摩擦系数为0.22的毛毡相比，具有很好的减摩性。另外这种材料还具有良好的绝缘性能，在主轴运转时不会产生轴电流，因此在安装过程中无需加装绝缘套，不仅使安装、维护以及维修更加方便，还增强了机组运行的安全性和稳定性。其性能参数见表1。

3.2 平衡油槽压力并安装油雾处理装置

在油槽的上腔室安装送气装置，下腔室安装油雾自动处理装置(包含集油重力释放器)、温度探测装置、油雾探测装置、吸油雾自动处理装置。机组在运行过程中，上腔室安装的送风装置及下腔室安装的吸油雾自动处理装置都处于关闭状态，当温度探测装置探测到温度升高或油雾探测装置探测到油雾时，上腔室安装的送风装置及下腔室安装的吸油雾自动处理装置开始工作，当安装在吸油雾自动处理装置中的集油重力释放器，收集到一定重量的油时，集油重力释放器自动打开将油释放到油箱，同时集油重力释放器关闭，当温度探测装置探测到温度正常时或油雾探测装置探测到无油雾时，上腔安装的送风装置及下腔室安装的吸油雾自动处理装置将停止工作。

3.3 加装接油槽

1)在推力轴承油槽内挡油圈下端的主轴上安装一个轻质的分瓣离心甩油环，使沿着主轴流到该位置的油滴或是逸出的油雾在离心力的作用下改变方向。

2)在离心甩油环外侧安装接油槽，使从该部分流下的透平油及油雾收集在接油槽中；在接油槽中设有缓冲吸油层，避免二次污染。

3)在接油槽下端设有排油阀[8]。

3.4 对推力轴承油槽进行加高

更换原有的推力轴承油槽密封盖并对推力轴承油槽整体进行加高，增大油槽的容积，使油雾有充足的空间凝结。

4 结语

棉花滩水电站自投产运行以来，机组推力轴承甩油和油雾逸出问题一直存在，始终未能有效解决。通过对棉花滩水电站甩油和油雾逸出原因的分析并结合机组改造前所采用的接触式密封结构的缺陷，对棉花滩水电站3#机组进行改造，拆除原有接触式密封结构，安装研制出新型密封装置；在油槽上、下腔室分别安装送气装置和油雾处理装置；在推力轴承油槽内挡油圈下端安装接油槽；对推力轴承油槽整体进行加高。3#机组改造完毕并试运行4 h后，没有出现甩油现象，用油雾检测装置在油雾可能逸出的位置进行检测，检测结果均无油雾逸出，基本解决了机组推力轴承甩油和油雾逸出的问题。