張 雷，袁 波，汪衛(wèi)平

(華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽省滁州市 239000)

立式水輪發(fā)電機(jī)組軸承油霧的治理

張 雷，袁 波，汪衛(wèi)平

(華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽省滁州市 239000)

常規(guī)立式水輪發(fā)電機(jī)組軸承在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)油霧外溢的問(wèn)題，該問(wèn)題對(duì)很多水電站都曾造成過(guò)困擾。本文對(duì)油霧產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，介紹了多種防油霧結(jié)構(gòu)并指明其優(yōu)缺點(diǎn)，指出了油霧治理的難點(diǎn)和常見(jiàn)誤區(qū)，為立式水輪發(fā)電機(jī)軸承油霧的治理提供了借鑒。

立式水輪發(fā)電機(jī)組；軸承；密封；甩油；油霧；汽輪機(jī)油

0 引言

立式水輪發(fā)電機(jī)組，尤其是一些早期投產(chǎn)的機(jī)組，不同程度存在著甩油和油霧溢出的問(wèn)題，給設(shè)備健康水平、人員的身體健康都造成了一定的影響。部分油霧嚴(yán)重的機(jī)組，清掃油霧占用了大量的檢修工期。這些問(wèn)題給很多水電站工作人員造成了困擾，也有很多水電站進(jìn)行了相關(guān)的改造，但改造效果參差不齊。本文分析了油霧產(chǎn)生的原因，梳理了治理油霧的常見(jiàn)方法并指出了其優(yōu)缺點(diǎn)，指出了油霧治理的難點(diǎn)和常見(jiàn)誤區(qū)，為防止軸承油霧外溢提供了可行的解決思路。

1 甩油與油霧現(xiàn)象

通常情況下，立式水輪發(fā)電機(jī)軸承的甩油和油霧外溢現(xiàn)象會(huì)同時(shí)發(fā)生，這兩個(gè)問(wèn)題既相對(duì)獨(dú)立，又存在密切的關(guān)系。甩油是指呈液態(tài)的油在機(jī)組運(yùn)行時(shí)從軸承內(nèi)甩出。油霧外溢是指汽輪機(jī)油在軸承室內(nèi)霧化后以油霧的形態(tài)在內(nèi)外壓差的作用下從軸承室內(nèi)溢出。一般而言，甩油發(fā)生的位置通常在距離軸承蓋板和擋油圈不遠(yuǎn)處，油呈液態(tài)；油霧則不然，由于油霧已經(jīng)和空氣充分混合，它多會(huì)凝結(jié)在其他構(gòu)件上（如：上下機(jī)架、定子繞組、風(fēng)閘等），在機(jī)組檢修時(shí)可以看到上述構(gòu)件上會(huì)有凝結(jié)的油滴、與灰塵混合成的油泥等污物。本文著重論述的是油霧問(wèn)題，針對(duì)甩油的問(wèn)題將另文闡述。

2 油霧外溢的危害

油霧的外溢一般不會(huì)很快造成設(shè)備事故，短期內(nèi)也不會(huì)危害人體健康，所以相比于甩油，油霧治理一直容易被忽視。但其危害會(huì)隨著時(shí)間的積累逐漸表現(xiàn)出來(lái)，這種危害一般表現(xiàn)在以下方面：

（1）發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)地面、水車(chē)室地面的積油，容易導(dǎo)致工作人員滑倒。同時(shí)，油霧飄散在廠房?jī)?nèi)部尤其是地下廠房時(shí)，影響工作人員肺部的健康。

（2）油霧外溢會(huì)影響絕緣壽命。油霧與灰塵在定子鐵芯通風(fēng)溝和轉(zhuǎn)子磁極通風(fēng)溝處堆積，造成發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱變差，影響散熱效果；汽輪機(jī)油本身是一種有機(jī)溶劑，會(huì)腐蝕部分絕緣材料；油霧會(huì)和灰塵混合，灰塵中可能存在導(dǎo)電顆粒，長(zhǎng)期吸附在絕緣層上，對(duì)發(fā)電機(jī)線棒等絕緣造成腐蝕，使其絕緣性能下降，加速老化，極易造成發(fā)電機(jī)繞組短路或擊穿，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)潛在的危害。

（3）油霧可能會(huì)溢出到滑環(huán)室內(nèi)，造成滑環(huán)與碳刷接觸打火，影響滑環(huán)壽命。

（4）油霧可能會(huì)凝結(jié)在機(jī)械制動(dòng)環(huán)與風(fēng)閘處，剎車(chē)時(shí)的高溫會(huì)引發(fā)油煙。

3 油霧外溢的原因分析

汽輪機(jī)油是一種經(jīng)過(guò)加工的石油產(chǎn)品，包含多種不同的化學(xué)組分，各種組分具有不同的揮發(fā)性能。理論上，即使汽輪機(jī)油低于凝點(diǎn)，仍會(huì)存在部分揮發(fā)性的物質(zhì)，只是產(chǎn)生的量比較少。產(chǎn)生油霧是汽輪機(jī)油自身的特性之一，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，以下因素也促進(jìn)了油霧的產(chǎn)生和外溢：

（1）汽輪機(jī)油油質(zhì)下降。某些水電站由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，軸承室內(nèi)容易進(jìn)水，造成汽輪機(jī)油的油質(zhì)下降。這樣的汽輪機(jī)油更容易乳化、起泡，更容易吸收空氣。油質(zhì)下降會(huì)對(duì)汽輪機(jī)油產(chǎn)生油霧起到助推的作用。

（2）汽輪機(jī)油運(yùn)行溫度。機(jī)組運(yùn)行后，軸承室內(nèi)的油溫會(huì)逐漸升高，油溫的升高也會(huì)助推油霧的產(chǎn)生。

（3）汽輪機(jī)油的流態(tài)不佳。這是造成油霧的最主要的因素。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，如果油在軸承室內(nèi)的流態(tài)不好，就會(huì)飛濺、碰撞，和軸承室內(nèi)的氣體混合，這是一個(gè)壓力霧化的過(guò)程。同時(shí)，油在循環(huán)時(shí)，部分會(huì)從集油腔的密封處噴出，由此造成的射流會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡潰滅后就會(huì)將包含在內(nèi)部的油霧析出。

（4）軸承室外存在負(fù)壓。機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，機(jī)坑內(nèi)各處的壓力是不一樣的，部分位置存在負(fù)壓。如果軸承的密封剛好處在負(fù)壓區(qū)域，軸承室內(nèi)外的壓差就會(huì)將軸承室內(nèi)含油霧的氣體壓出。

（5）密封效果欠佳。從汽輪機(jī)油的特性來(lái)看，只要存在著一定的溫度，只要存在油與空氣的混合，就必然產(chǎn)生油霧。只是流態(tài)較好的機(jī)組，產(chǎn)生的油霧少一些而已，但無(wú)論如何，不產(chǎn)生油霧是不可能的，因此有效的密封措施是必須的。雖然傳統(tǒng)的梳齒密封、毛氈接觸式密封等在治理甩油上有一定的作用，但對(duì)于治理油霧效果有限，這也是造成油霧問(wèn)題的重要因素。

4 油霧治理的常用密封形式

油霧的產(chǎn)生是一系列因素共同作用的結(jié)果，因此對(duì)于油霧的治理也必須從整個(gè)系統(tǒng)上來(lái)考慮。除了更換合格的汽輪機(jī)油、適當(dāng)降低汽輪機(jī)油的運(yùn)行溫度外，治理油霧的兩個(gè)重要手段是優(yōu)化油的循環(huán)回路和提高密封結(jié)構(gòu)的密封性能。油的流態(tài)差是產(chǎn)生油霧的最根本原因，只有優(yōu)化了油路的循環(huán)，才能從根本上減少油霧的產(chǎn)生。常見(jiàn)的優(yōu)化油的循環(huán)回路措施有：在轉(zhuǎn)動(dòng)部件周?chē)O(shè)置阻旋裝置和防濺裝置；對(duì)于外冷軸承合理選擇冷油油壓；優(yōu)化冷油進(jìn)入軸承室內(nèi)的出口設(shè)計(jì)，防止濺油；提高集油腔（如果有的話）的密封性能，防止嚴(yán)重噴油造成的射流；整體考慮回路的通氣問(wèn)題，防止氣泡的產(chǎn)生等。本文針對(duì)優(yōu)化油的循環(huán)回路的問(wèn)題做簡(jiǎn)單介紹，并重點(diǎn)介紹治理油霧的另一個(gè)重要途徑，即提高軸承密封的密封性能。

雖然優(yōu)化油的循環(huán)回路可以降低油霧的產(chǎn)生，但完全不產(chǎn)生油霧也是不可能的，因此密封措施還是必要的。對(duì)于一些投產(chǎn)后的水電站，由于進(jìn)行軸承內(nèi)部改造耗時(shí)費(fèi)力，部分機(jī)組還存在作業(yè)空間狹小、施工困難的問(wèn)題，因此選擇合適的密封機(jī)構(gòu)，提高密封性能是比較可行的改造措施。常見(jiàn)的密封方式有：梳齒密封、迷宮密封、接觸式密封和空氣密封?！半x心泵”效應(yīng)密封、螺紋密封、蜂窩密封、刷式密封等也有應(yīng)用，但目前應(yīng)用不多，本文不再介紹?，F(xiàn)就常見(jiàn)的4種密封形式進(jìn)行介紹。

4.1 梳齒密封

梳齒密封也稱(chēng)光軸式迷宮密封，是水輪發(fā)電機(jī)軸承應(yīng)用最廣的一種密封。從密封機(jī)理上歸類(lèi)，梳齒密封屬于迷宮密封的一種。梳齒密封是在旋轉(zhuǎn)軸周?chē)O(shè)置若干個(gè)依次排列的環(huán)形密封齒，齒與齒之間形成一系列的節(jié)流間隙和膨脹空腔，被密封的介質(zhì)在通過(guò)曲折的間隙時(shí)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，從而阻止介質(zhì)的泄漏。在節(jié)流間隙的前后氣流的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，到達(dá)空腔后一小部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，在空腔?nèi)會(huì)形成強(qiáng)烈的漩渦，在漩渦內(nèi)大部分的動(dòng)能又轉(zhuǎn)變成熱能而損耗。

這種密封對(duì)甩油有一定的作用，對(duì)于油霧較小的機(jī)組也有一定的密封作用。但透氣效應(yīng)是梳齒密封的本質(zhì)特性之一，因此它對(duì)油霧產(chǎn)生量比較大的軸承效果不佳。雖然梳齒密封的效果一般，但通常它是空氣密封的基礎(chǔ)，采用迷宮密封結(jié)構(gòu)的軸承通常也裝設(shè)一道梳齒密封作為輔助措施。

4.2 迷宮密封

迷宮密封有多種形式，上文所述的梳齒密封也是迷宮密封的一種。這里所述的迷宮密封，特指軸向曲折式迷宮密封。它的原理和梳齒密封類(lèi)似，但又有所不同，迷宮密封的動(dòng)環(huán)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用，會(huì)將附在上面的油甩出，因此它的防甩油效果好。同時(shí)由于動(dòng)環(huán)的作用，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的間隙會(huì)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的空氣圍帶，阻止了軸承室內(nèi)氣體的外溢，因此它對(duì)油霧的密封性能也較好。迷宮密封用于高壓差的流體仍會(huì)有一定的泄漏，但對(duì)于油霧來(lái)說(shuō)，其壓力在幾十到幾百帕，用以密封這樣壓力的氣體能夠輕松勝任。迷宮密封如果輔以一定的均壓措施，效果更好。

圖1 梳齒密封與迷宮密封

無(wú)論是用于治理甩油還是治理油霧，迷宮密封的效果可以說(shuō)是最好的。迷宮密封的缺點(diǎn)是加工難度大，尤其是在電站現(xiàn)場(chǎng)加工難度大，制造成本高，但只要加工到位，現(xiàn)場(chǎng)安裝較為簡(jiǎn)單。所以，這種密封形式不太適用于老機(jī)組的改造。

4.3 接觸式密封

接觸式密封應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組軸承是近年的事情，它由耐磨密封環(huán)、密封彈簧和支撐裝置等組成。接觸式密封在運(yùn)行時(shí)與大軸基本無(wú)間隙。對(duì)于沿著大軸甩出的汽輪機(jī)油，密封環(huán)的作用類(lèi)似于汽車(chē)上的雨刷，經(jīng)過(guò)兩道密封后，油基本上不會(huì)從此甩出。由于耐磨密封環(huán)為隨動(dòng)結(jié)構(gòu)，它與支撐裝置之間無(wú)法做到完全無(wú)間隙，因此在油霧內(nèi)外壓差過(guò)大的情況下，仍會(huì)有一定的油霧泄漏。但如果輔以一定的均壓措施，它的防油霧性能會(huì)大大提高。

如果機(jī)組產(chǎn)生的油霧不大，接觸式密封是一種較好的選擇。但接觸式密封也存在一定的缺點(diǎn)：密封材料磨損產(chǎn)生的粉塵會(huì)污染透平油，造成透平油顆粒度上升；需要定期檢查密材料的磨損情況等。

4.4 空氣密封

空氣密封實(shí)際上不能稱(chēng)為一種單獨(dú)的密封結(jié)構(gòu)，它更多的是一種均壓措施?？諝饷芊夂统Ｒ?guī)密封的不同在于，它不是通過(guò)“堵”來(lái)防止油霧的溢出，而是通過(guò)“疏”來(lái)將油霧收集到凈化裝置中，使其不去污染設(shè)備和環(huán)境。空氣密封利用氣體運(yùn)動(dòng)粘度小、流動(dòng)性強(qiáng)、易于引導(dǎo)的特點(diǎn)，通過(guò)一系列的均壓措施來(lái)實(shí)現(xiàn)“密封”效果。

空氣密封對(duì)于治理甩油作用很小，但就油霧治理而言，如果設(shè)計(jì)合理效果可以接近迷宮密封的水平?？諝饷芊饩哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工難度小，成本低；調(diào)試完畢，不需經(jīng)常檢查?？諝饷芊獾娜秉c(diǎn)是對(duì)設(shè)計(jì)和調(diào)試的要求高，設(shè)計(jì)或調(diào)試不好難以實(shí)現(xiàn)理想的密封效果?？諝饷芊庥袝r(shí)是作為一種輔助的均壓措施和其他密封聯(lián)合使用，有時(shí)是單獨(dú)使用。從多個(gè)電站的運(yùn)行情況看，只要設(shè)計(jì)合理，調(diào)試得當(dāng)，即使單獨(dú)使用，空氣密封也能取得理想的效果。

圖2 接觸式密封

常用的空氣密封有三種形式：一是單抽氣管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是抽氣量難以把握，一旦調(diào)節(jié)不好，反而會(huì)起到強(qiáng)化油霧溢出的作用；二是進(jìn)氣管加抽氣管結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣管形成正壓，防止油霧溢出，抽氣管將軸承室泄漏的含油霧的氣體抽走，這種結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)起來(lái)簡(jiǎn)單，密封效果優(yōu)于前者；三是進(jìn)氣管加均壓管再加抽氣管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)均壓管，使得密封處能夠形成一個(gè)由正壓、大氣壓和負(fù)壓區(qū)域組成的完善的壓降回路，密封效果更好。

5 油霧治理的難點(diǎn)與常見(jiàn)誤區(qū)

立式水輪發(fā)電機(jī)軸承的油霧問(wèn)題是困擾某些水電站的老大難問(wèn)題，但有針對(duì)性的理論研究長(zhǎng)期以來(lái)是個(gè)空白。常規(guī)的密封理論研究是以汽輪機(jī)的汽缸、壓縮機(jī)的缸體、泵的密封等為研究對(duì)象，這些研究對(duì)象的特點(diǎn)是密封結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓差較大，而水輪發(fā)電機(jī)軸承室內(nèi)外的壓差不大，一般在幾十到幾百帕。某些效應(yīng)在高壓差的情況下，完全可以忽略，但在低壓差的情況下，也在起著作用，如流體常見(jiàn)的附壁效應(yīng)、大軸擺度對(duì)周?chē)鷼怏w的離心泵效應(yīng)等。這些效應(yīng)會(huì)使得氣體的流態(tài)更加復(fù)雜，這也是造成部分密封效果不佳的原因。

同時(shí)，部分設(shè)計(jì)人員治理油霧時(shí)存在一些常見(jiàn)的思維誤區(qū)，這也妨礙了油霧治理的實(shí)施。常見(jiàn)的誤區(qū)有：

（1）缺乏系統(tǒng)性考慮，試圖一招見(jiàn)效。油霧的治理是一個(gè)系統(tǒng)性的工作，必須從多個(gè)方面來(lái)考慮，但設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)往往存在：重視氣路，忽視油路；重視封堵，忽視疏導(dǎo)；重視設(shè)備本身，忽視運(yùn)行環(huán)境等問(wèn)題。

圖3 空氣密封（進(jìn)氣管加抽氣管結(jié)構(gòu)）

（2）某些設(shè)計(jì)人員重視對(duì)密封理論的研究和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以為只要選擇效果好的密封，就能治理好油霧，忽視對(duì)機(jī)組個(gè)性特點(diǎn)的了解。這導(dǎo)致某些設(shè)計(jì)盡管從原理上堪稱(chēng)完美，但由于忽略了一些技術(shù)上的細(xì)節(jié)，導(dǎo)致防治效果不佳。

（3）忽視安裝工藝問(wèn)題，認(rèn)為只要治理措施得當(dāng)，就一定能發(fā)揮作用，一旦發(fā)生問(wèn)題，往往歸咎于設(shè)計(jì)沒(méi)有做好，但實(shí)際上安裝工藝的問(wèn)題也是不可忽視的因素。如某些梳齒密封設(shè)計(jì)間隙0.5mm，實(shí)測(cè)值能達(dá)到2～3mm；某些油霧凈化裝置調(diào)試不好，投產(chǎn)后凈化功能從未實(shí)現(xiàn)等。

6 結(jié)束語(yǔ)

立式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的油霧問(wèn)題是困擾一些水電站的常見(jiàn)問(wèn)題，很多水電站在油霧的治理上也進(jìn)行過(guò)有益的探索和嘗試。通過(guò)對(duì)油霧產(chǎn)生原因及其治理方法的剖析，通過(guò)對(duì)大量治理案例的總結(jié)，本文認(rèn)為油霧是完全可以防治的，也是能夠取得較好的治理效果的。在油霧的治理中，必須充分了解各種密封形式的特性，了解機(jī)組的特點(diǎn)，系統(tǒng)地考慮問(wèn)題，進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)施改造，方能起到事半功倍的效果。

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張 雷（1980—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的檢修、技術(shù)改造等。E-mail：18055009651@163.com

袁 波（1977—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：水電站的技術(shù)管路等。E-mail：bo-yuan@sgcc.com.cn

汪衛(wèi)平（1983—），男，工程師，主要研究方向：水電站的技術(shù)管理等。E-mail：wwp48@163.com

Oil Vapor Treatment of Vertical Hydro-generator Bearing

ZhANG Lei, YUAN Bo, WANG Weiping
(East China langyashan pumped storage power station,Chuzhou 239000, China)

Vertical hydro-generator bearings usually have the problem of oil vapor-overflowing, this problem made a lot of troubles for many hydro-power stations.This paper analysis the reason of oil vapor-generating,introduces different kinds of sealing structure and points out the merits and demerits of it, point out the difficulty and misunderstanding of oil vaporover fl owing treatment, provide a reference for vapor-over fl owing treatment.

vertical hydro-generator;bearing;sealing;oil slinging;oil vapor;turbine oil