劉呂芳

(浙江金輪機(jī)電實(shí)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(jī)軸承密封中的應(yīng)用

劉呂芳

(浙江金輪機(jī)電實(shí)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(jī)軸承密封原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例介紹了聚氨酯結(jié)構(gòu)密封圈在中低速水輪發(fā)電機(jī)軸承密封中的應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)，以及運(yùn)行效果。圖6幅。

水輪發(fā)電機(jī)；聚氨脂；軸承密封

0 引 言

水輪發(fā)電機(jī)中，軸承一旦油氣密封不嚴(yán)，將消耗潤滑油，污染繞組，損壞絕緣，影響機(jī)組安全運(yùn)行。水輪發(fā)電機(jī)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(shù)工作者。目前中小型水輪發(fā)電機(jī)常用的軸承油氣密封結(jié)構(gòu)有銅齒片氣封式結(jié)構(gòu)、迷宮式和氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)。

1 常規(guī)軸承密封結(jié)構(gòu)原理及其缺點(diǎn)

1.1 銅齒片氣封式密封結(jié)構(gòu)

目前，銅齒片氣封式密封結(jié)構(gòu)具有如下缺點(diǎn)：

(1)銅齒片的結(jié)構(gòu)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(jìn)行焊接，工藝較復(fù)雜，制造成本高。

(2)銅齒片為導(dǎo)體，為保證電機(jī)安全運(yùn)行，需要設(shè)置防止軸電流的相關(guān)措施，使機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)動(dòng)部件有一定的間隙，安裝調(diào)整難度較大，對(duì)安裝人員技術(shù)水平要求較高。

(4)銅齒片的結(jié)構(gòu)為氣封式密封，內(nèi)部需要通入壓力空氣(一般取自轉(zhuǎn)子風(fēng)扇高壓區(qū))，需要設(shè)置1套氣封裝置，使機(jī)組管路結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)

1.2 迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)

迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)油槽蓋常用鋁合金鑄成(見圖2)。在密封部位加工出4～6個(gè)深槽，分布于上、下兩端，油槽蓋與旋轉(zhuǎn)件的間隙為0.5～1 mm。這樣，在密封部位就形成了多次擴(kuò)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(gè)槽內(nèi)嵌入工業(yè)羊毛氈，還要注意調(diào)好它與旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

1.3 氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)

氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)是在迷宮式油槽蓋的中間部分通入壓力空氣,在槽內(nèi)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(gè)氣流引自發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)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(yīng)做成喇叭口形狀，并使口部對(duì)準(zhǔn)迎風(fēng)面，以取得最大的全壓。選擇管路直徑時(shí)，應(yīng)考慮拐彎和沿程摩阻引起的動(dòng)壓損失。

圖3 氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)

迷宮式和氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)如下：

(1)工業(yè)毛氈不耐磨，實(shí)際使用壽命短，需常更換，油封效果差，機(jī)組油氣容易逸出，污染機(jī)組，影響發(fā)電機(jī)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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

2 聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)點(diǎn)

2.1 聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)原理

聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)主要針對(duì)銅齒片氣封式密封結(jié)構(gòu)、迷宮式和氣封迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)在水輪發(fā)電機(jī)軸承油氣密封的實(shí)際應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)軸承密封結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上作了較大改進(jìn)，是一種新型水輪發(fā)電機(jī)軸承油氣密封結(jié)構(gòu)(見圖4)。該油氣密封結(jié)構(gòu)的關(guān)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(duì)聚氨酯材料設(shè)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(jié)構(gòu)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(jī)旋轉(zhuǎn)件外圓。為便于安裝，壓板和密封蓋均為2個(gè)半圓結(jié)構(gòu)，密封蓋分半面上設(shè)置合縫板。

圖4 聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)工作位置示意

2.2 聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)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(diǎn)：超耐磨、抗沖擊、自潤滑，耐溫性為-20～120 ℃；可根據(jù)不同的使用要求，通過改變?cè)系囊?guī)格、品種和配方，合成所需性能的密封圈產(chǎn)品；產(chǎn)品質(zhì)量輕、強(qiáng)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(jù)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(nèi)端面設(shè)置有兩圈內(nèi)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(nèi)端面與發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)件外圓接觸，環(huán)形槽與旋轉(zhuǎn)件外圓壁面形成封閉的壓力腔，這是實(shí)現(xiàn)油氣密封的關(guān)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(hù)。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(jī)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(chǎn)，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(jié)構(gòu)中，無需采用防止軸電流的措施；同時(shí)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(jié)構(gòu)相比，聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)中的密封蓋采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)鑄鋁件結(jié)構(gòu)中常常會(huì)出現(xiàn)的氣孔、針孔、夾渣、裂紋、凹坑等工藝缺陷；在不同機(jī)組間通用性差，有時(shí)同一機(jī)組都很難統(tǒng)一，同時(shí)還存在制作過程中需用到專用模具且生產(chǎn)成本較高等一系列問題。聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)中的密封蓋采用鋼板拼焊而成，既減少模具費(fèi)用，又可以有效避免鑄鋁件經(jīng)常出現(xiàn)的一些缺陷，而且便于加工，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。

2.3 實(shí)例應(yīng)用

甘肅臨洮安家咀水電站是筆者所在公司設(shè)計(jì)的中低轉(zhuǎn)速軸流式水輪發(fā)電機(jī)組，于2015年6月正式發(fā)電，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF5500—36/4250，額定功率5 500 kW，額定轉(zhuǎn)速166.67 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速350 r/min，推力負(fù)荷122 t，額定點(diǎn)效率96.1%，轉(zhuǎn)子重量42 t。本機(jī)組為立軸懸式軸流機(jī)組，軸承不僅承受水推力，而且機(jī)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(jī)組中比較難處理的問題。根據(jù)招標(biāo)書的要求，“隨發(fā)電機(jī)供應(yīng)一整套獨(dú)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(shè)計(jì)中對(duì)于業(yè)主有特殊要求的產(chǎn)品，通常采用加大油槽容量，雙層擋油管，密封蓋上增加補(bǔ)氣管或直接采用氣封結(jié)構(gòu)等措施來減輕機(jī)組運(yùn)行時(shí)的油霧問題。但在設(shè)計(jì)上述機(jī)組時(shí)我們沒有按常規(guī)的做法，而是嘗試著使用新的結(jié)構(gòu)來替代，經(jīng)過幾個(gè)方案的比較，最終選擇了聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無需增加安裝空間和制作成本，相反如果運(yùn)行效果好，還可以降低制作成本，能夠省去1套復(fù)雜的氣封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，從而簡化安裝程序，使機(jī)組安裝和維修更為方便，大大提高機(jī)組的安裝效率，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié) 語

甘肅臨洮安家咀水電站經(jīng)過1年多時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)，從電站的反饋信息來看，機(jī)組的各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是推力軸承的運(yùn)行情況很好，油霧問題幾乎不存在。由于過去中、低轉(zhuǎn)速立式水輪發(fā)電機(jī)一般都采用迷宮式工業(yè)毛氈密封結(jié)構(gòu)，聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)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(yùn)行之前，筆者的很多同事都對(duì)此存在一定程度的擔(dān)憂。通過此次電站的實(shí)際運(yùn)行效果，使他們對(duì)聚氨酯軸承密封結(jié)構(gòu)的性能有了比較深的了解，為以后設(shè)計(jì)制造同類機(jī)組提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-08-25

劉呂芳(1984-)，男，工程師，主要從事水電站機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)工作。 E_mail：348525962@qq.com