劉呂芳

(浙江金輪機電實業(yè)有限公司，浙江 金華 321002)

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淺談聚氨酯在發(fā)電機軸承密封中的應用

劉呂芳

(浙江金輪機電實業(yè)有限公司，浙江 金華 321002)

在闡述常規(guī)中低速水輪發(fā)電機軸承密封原理的基礎上，結合實例介紹了聚氨酯結構密封圈在中低速水輪發(fā)電機軸承密封中的應用及其優(yōu)點，以及運行效果。圖6幅。

水輪發(fā)電機；聚氨脂；軸承密封

0 引 言

水輪發(fā)電機中，軸承一旦油氣密封不嚴，將消耗潤滑油，污染繞組，損壞絕緣，影響機組安全運行。水輪發(fā)電機軸承的油溫及油霧問題一直以來都是比較難處理的小問題，困惑了不少水電行業(yè)的技術工作者。目前中小型水輪發(fā)電機常用的軸承油氣密封結構有銅齒片氣封式結構、迷宮式和氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結構。

1 常規(guī)軸承密封結構原理及其缺點

1.1 銅齒片氣封式密封結構

目前，銅齒片氣封式密封結構具有如下缺點：

(1)銅齒片的結構在密封蓋的固定位置需要加工固定銅齒片卡槽，嵌入卡槽需采用銀銅焊進行焊接，工藝較復雜，制造成本高。

(2)銅齒片為導體，為保證電機安全運行，需要設置防止軸電流的相關措施，使機組結構復雜化，制作成本增加。

(3)銅沒有耐磨性，在安裝使用中，要保證與轉動部件有一定的間隙，安裝調整難度較大，對安裝人員技術水平要求較高。

(4)銅齒片的結構為氣封式密封，內部需要通入壓力空氣(一般取自轉子風扇高壓區(qū))，需要設置1套氣封裝置，使機組管路結構復雜，安裝難度加大，制作及安裝成本增加(見圖1)。

圖1 銅齒片氣封式密封結構

1.2 迷宮式工業(yè)毛氈密封結構

迷宮式工業(yè)毛氈密封結構油槽蓋常用鋁合金鑄成(見圖2)。在密封部位加工出4～6個深槽，分布于上、下兩端，油槽蓋與旋轉件的間隙為0.5～1 mm。這樣，在密封部位就形成了多次擴大與縮小的局部流體阻力，使?jié)B漏有油氣混合體的壓力減小，從而防止它從油槽蓋泄漏。通常還在油槽蓋上端2個槽內嵌入工業(yè)羊毛氈，還要注意調好它與旋轉件接觸的松緊；這樣既提高了密封效果，又防止外部雜物滲入。

圖2 迷宮式工業(yè)氈密封結構

1.3 氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結構

氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結構是在迷宮式油槽蓋的中間部分通入壓力空氣,在槽內形成一定的靜壓,從而阻止油氣混合體向外泄漏(見圖3)。通常這個氣流引自發(fā)電機轉子風扇的高壓區(qū)，為了改善壓力空氣的入口條件，管路的入口處應做成喇叭口形狀，并使口部對準迎風面，以取得最大的全壓。選擇管路直徑時，應考慮拐彎和沿程摩阻引起的動壓損失。

圖3 氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結構

迷宮式和氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結構的缺點如下：

(1)工業(yè)毛氈不耐磨，實際使用壽命短，需常更換，油封效果差，機組油氣容易逸出，污染機組，影響發(fā)電機機組的安全穩(wěn)定運行。

(2)鑄鋁件由于多種因素影響，常常會出現氣孔、針孔、夾渣、裂紋、凹坑等缺陷。而且該結構在不同機組間的通用性差，有時同一臺機組都很難統(tǒng)一，制作過程中需用到專用模具，生產成本較高。另外，固定工業(yè)毛氈材料的鑄鋁件油槽蓋強度低，容易在安裝運輸過程中損傷。軸承一旦油氣密封不嚴，將消耗潤滑油，污染繞組，損壞絕緣，影響機組安全運行，安全隱患較多。

2 聚氨酯軸承密封結構原理及優(yōu)點

2.1 聚氨酯軸承密封結構原理

聚氨酯軸承密封結構主要針對銅齒片氣封式密封結構、迷宮式和氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結構在水輪發(fā)電機軸承油氣密封的實際應用中存在的缺點，在傳統(tǒng)軸承密封結構基礎上作了較大改進，是一種新型水輪發(fā)電機軸承油氣密封結構(見圖4)。該油氣密封結構的關鍵部件是密封圈，采用目前市場上常用的聚氨酯材料制成，為便于安裝固定，針對聚氨酯材料設置了特殊的槽型(見圖5)，密封圈右下端止口與密封蓋上的止口嚙合，并在其上方用壓板將其固定在密封蓋上(見圖6，I處放大見圖4)。聚氨酯軸承密封結構主要包括密封蓋、密封圈、壓板等零件，密封蓋、密封圈、壓板均為圓環(huán)狀且環(huán)繞于發(fā)電機旋轉件外圓。為便于安裝，壓板和密封蓋均為2個半圓結構，密封蓋分半面上設置合縫板。

圖4 聚氨酯軸承密封結構

圖5 聚氨酯密封圈截面形狀及尺寸

圖6 聚氨酯軸承密封結構工作位置示意

2.2 聚氨酯軸承密封結構的優(yōu)點

聚氨酯軸承密封結構的密封圈采用市場上常用的聚氨酯拉制成型，聚氨酯材料具有如下優(yōu)點：超耐磨、抗沖擊、自潤滑，耐溫性為-20～120 ℃；可根據不同的使用要求，通過改變原料的規(guī)格、品種和配方，合成所需性能的密封圈產品；產品質量輕、強度大、絕緣和隔音性能優(yōu)越、電氣性能極佳，加工工藝性好、吸水率低。澆注成型的聚氨酯密封件具有很好彈性，根據所截長度的不同，可以彎成所需的環(huán)形密封圈。密封圈的內端面設置有兩圈內凹的環(huán)形槽(見圖5)，環(huán)形槽的橫截面為等腰梯形。密封圈的內端面與發(fā)電機旋轉件外圓接觸，環(huán)形槽與旋轉件外圓壁面形成封閉的壓力腔，這是實現油氣密封的關鍵。

此外，聚氨酯密封圈與密封蓋的連接方式為嚙合連接，密封蓋與壓板的連接方式為可拆卸連接，即聚氨酯密封圈由壓板、密封蓋共同固定；這樣的連接方式便于安裝、更換、維護。聚氨酯密封圈采用統(tǒng)一的金屬模具澆注，成型后有很好的彈性，形成同一種形狀的槽型密封圈。不同機組密封蓋的卡槽采用統(tǒng)一的尺寸固定密封圈，便于統(tǒng)一生產，可降低成本。聚氨酯密封圈具有很好的絕緣性能，在與軸承支架連接的結構中，無需采用防止軸電流的措施；同時聚氨酯密封圈具有很好的耐水性和高耐磨性，使用壽命長。

與普通迷宮式工業(yè)毛氈密封結構相比，聚氨酯軸承密封結構中的密封蓋采用鋼板焊接結構，避免了傳統(tǒng)鑄鋁件結構中常常會出現的氣孔、針孔、夾渣、裂紋、凹坑等工藝缺陷；在不同機組間通用性差，有時同一機組都很難統(tǒng)一，同時還存在制作過程中需用到專用模具且生產成本較高等一系列問題。聚氨酯軸承密封結構中的密封蓋采用鋼板拼焊而成，既減少模具費用，又可以有效避免鑄鋁件經常出現的一些缺陷，而且便于加工，大大提高了生產效率，降低了成本。

2.3 實例應用

甘肅臨洮安家咀水電站是筆者所在公司設計的中低轉速軸流式水輪發(fā)電機組，于2015年6月正式發(fā)電，發(fā)電機型號為SF5500—36/4250，額定功率5 500 kW，額定轉速166.67 r/min，飛逸轉速350 r/min，推力負荷122 t，額定點效率96.1%，轉子重量42 t。本機組為立軸懸式軸流機組，軸承不僅承受水推力，而且機組本身的重量也比較大；故推力軸承損耗較大，推力軸承油溫及油霧是立式機組中比較難處理的問題。根據招標書的要求，“隨發(fā)電機供應一整套獨立的自潤滑系統(tǒng)，并要求有消除油霧溢出、甩油和漏油和有效措施?！背Ｒ?guī)設計中對于業(yè)主有特殊要求的產品，通常采用加大油槽容量，雙層擋油管，密封蓋上增加補氣管或直接采用氣封結構等措施來減輕機組運行時的油霧問題。但在設計上述機組時我們沒有按常規(guī)的做法，而是嘗試著使用新的結構來替代，經過幾個方案的比較，最終選擇了聚氨酯軸承密封結構。該結構簡單緊湊，無需增加安裝空間和制作成本，相反如果運行效果好，還可以降低制作成本，能夠省去1套復雜的氣封結構系統(tǒng)，從而簡化安裝程序，使機組安裝和維修更為方便，大大提高機組的安裝效率，提高機組運行的可靠性。

3 結 語

甘肅臨洮安家咀水電站經過1年多時間的運行考驗，從電站的反饋信息來看，機組的各項性能達到設計要求，特別是推力軸承的運行情況很好，油霧問題幾乎不存在。由于過去中、低轉速立式水輪發(fā)電機一般都采用迷宮式工業(yè)毛氈密封結構，聚氨酯軸承密封結構在筆者所在公司還是首次使用，還在嘗試階段。在電站成功運行之前，筆者的很多同事都對此存在一定程度的擔憂。通過此次電站的實際運行效果，使他們對聚氨酯軸承密封結構的性能有了比較深的了解，為以后設計制造同類機組提供了成功的經驗。

責任編輯 吳 昊

2016-08-25

劉呂芳(1984-)，男，工程師，主要從事水電站機電設備設計工作。 E_mail：348525962@qq.com