立式水輪發(fā)電機組軸承油霧的治理

張 雷，袁 波，汪衛(wèi)平

(華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省滁州市 239000)

立式水輪發(fā)電機組軸承油霧的治理

張 雷，袁 波，汪衛(wèi)平

(華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省滁州市 239000)

常規(guī)立式水輪發(fā)電機組軸承在運行時容易出現(xiàn)油霧外溢的問題，該問題對很多水電站都曾造成過困擾。本文對油霧產生的原因進行了分析，介紹了多種防油霧結構并指明其優(yōu)缺點，指出了油霧治理的難點和常見誤區(qū)，為立式水輪發(fā)電機軸承油霧的治理提供了借鑒。

立式水輪發(fā)電機組；軸承；密封；甩油；油霧；汽輪機油

0 引言

立式水輪發(fā)電機組，尤其是一些早期投產的機組，不同程度存在著甩油和油霧溢出的問題，給設備健康水平、人員的身體健康都造成了一定的影響。部分油霧嚴重的機組，清掃油霧占用了大量的檢修工期。這些問題給很多水電站工作人員造成了困擾，也有很多水電站進行了相關的改造，但改造效果參差不齊。本文分析了油霧產生的原因，梳理了治理油霧的常見方法并指出了其優(yōu)缺點，指出了油霧治理的難點和常見誤區(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)電機軸承的甩油和油霧外溢現(xiàn)象會同時發(fā)生，這兩個問題既相對獨立，又存在密切的關系。甩油是指呈液態(tài)的油在機組運行時從軸承內甩出。油霧外溢是指汽輪機油在軸承室內霧化后以油霧的形態(tài)在內外壓差的作用下從軸承室內溢出。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處，油呈液態(tài)；油霧則不然，由于油霧已經和空氣充分混合，它多會凝結在其他構件上（如：上下機架、定子繞組、風閘等），在機組檢修時可以看到上述構件上會有凝結的油滴、與灰塵混合成的油泥等污物。本文著重論述的是油霧問題，針對甩油的問題將另文闡述。

2 油霧外溢的危害

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

（1）發(fā)電機風洞內地面、水車室地面的積油，容易導致工作人員滑倒。同時，油霧飄散在廠房內部尤其是地下廠房時，影響工作人員肺部的健康。

（2）油霧外溢會影響絕緣壽命。油霧與灰塵在定子鐵芯通風溝和轉子磁極通風溝處堆積，造成發(fā)電機通風散熱變差，影響散熱效果；汽輪機油本身是一種有機溶劑，會腐蝕部分絕緣材料；油霧會和灰塵混合，灰塵中可能存在導電顆粒，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，加速老化，極易造成發(fā)電機繞組短路或擊穿，給機組安全穩(wěn)定運行帶來潛在的危害。

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

（4）油霧可能會凝結在機械制動環(huán)與風閘處，剎車時的高溫會引發(fā)油煙。

3 油霧外溢的原因分析

汽輪機油是一種經過加工的石油產品，包含多種不同的化學組分，各種組分具有不同的揮發(fā)性能。理論上，即使汽輪機油低于凝點，仍會存在部分揮發(fā)性的物質，只是產生的量比較少。產生油霧是汽輪機油自身的特性之一，在機組運行時，以下因素也促進了油霧的產生和外溢：

（1）汽輪機油油質下降。某些水電站由于運行環(huán)境惡劣，軸承室內容易進水，造成汽輪機油的油質下降。這樣的汽輪機油更容易乳化、起泡，更容易吸收空氣。油質下降會對汽輪機油產生油霧起到助推的作用。

（2）汽輪機油運行溫度。機組運行后，軸承室內的油溫會逐漸升高，油溫的升高也會助推油霧的產生。

（3）汽輪機油的流態(tài)不佳。這是造成油霧的最主要的因素。機組運行時，如果油在軸承室內的流態(tài)不好，就會飛濺、碰撞，和軸承室內的氣體混合，這是一個壓力霧化的過程。同時，油在循環(huán)時，部分會從集油腔的密封處噴出，由此造成的射流會產生大量的氣泡，氣泡潰滅后就會將包含在內部的油霧析出。

（4）軸承室外存在負壓。機組在運行時，機坑內各處的壓力是不一樣的，部分位置存在負壓。如果軸承的密封剛好處在負壓區(qū)域，軸承室內外的壓差就會將軸承室內含油霧的氣體壓出。

（5）密封效果欠佳。從汽輪機油的特性來看，只要存在著一定的溫度，只要存在油與空氣的混合，就必然產生油霧。只是流態(tài)較好的機組，產生的油霧少一些而已，但無論如何，不產生油霧是不可能的，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，但對于治理油霧效果有限，這也是造成油霧問題的重要因素。

4 油霧治理的常用密封形式

油霧的產生是一系列因素共同作用的結果，因此對于油霧的治理也必須從整個系統(tǒng)上來考慮。除了更換合格的汽輪機油、適當降低汽輪機油的運行溫度外，治理油霧的兩個重要手段是優(yōu)化油的循環(huán)回路和提高密封結構的密封性能。油的流態(tài)差是產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生。常見的優(yōu)化油的循環(huán)回路措施有：在轉動部件周圍設置阻旋裝置和防濺裝置；對于外冷軸承合理選擇冷油油壓；優(yōu)化冷油進入軸承室內的出口設計，防止濺油；提高集油腔（如果有的話）的密封性能，防止嚴重噴油造成的射流；整體考慮回路的通氣問題，防止氣泡的產生等。本文針對優(yōu)化油的循環(huán)回路的問題做簡單介紹，并重點介紹治理油霧的另一個重要途徑，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生，但完全不產生油霧也是不可能的，因此密封措施還是必要的。對于一些投產后的水電站，由于進行軸承內部改造耗時費力，部分機組還存在作業(yè)空間狹小、施工困難的問題，因此選擇合適的密封機構，提高密封性能是比較可行的改造措施。常見的密封方式有：梳齒密封、迷宮密封、接觸式密封和空氣密封。“離心泵”效應密封、螺紋密封、蜂窩密封、刷式密封等也有應用，但目前應用不多，本文不再介紹。現(xiàn)就常見的4種密封形式進行介紹。

4.1 梳齒密封

梳齒密封也稱光軸式迷宮密封，是水輪發(fā)電機軸承應用最廣的一種密封。從密封機理上歸類，梳齒密封屬于迷宮密封的一種。梳齒密封是在旋轉軸周圍設置若干個依次排列的環(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，被密封的介質在通過曲折的間隙時產生節(jié)流效應，從而阻止介質的泄漏。在節(jié)流間隙的前后氣流的壓力能轉變?yōu)閯幽?，到達空腔后一小部分動能又轉變?yōu)閴毫δ?，在空腔內會形成強烈的漩渦，在漩渦內大部分的動能又轉變成熱能而損耗。

這種密封對甩油有一定的作用，對于油霧較小的機組也有一定的密封作用。但透氣效應是梳齒密封的本質特性之一，因此它對油霧產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，采用迷宮密封結構的軸承通常也裝設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似，但又有所不同，迷宮密封的動環(huán)在旋轉時，由于離心力的作用，會將附在上面的油甩出，因此它的防甩油效果好。同時由于動環(huán)的作用，動環(huán)與靜環(huán)之間的間隙會形成一個相對穩(wěn)定的空氣圍帶，阻止了軸承室內氣體的外溢，因此它對油霧的密封性能也較好。迷宮密封用于高壓差的流體仍會有一定的泄漏，但對于油霧來說，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

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

4.3 接觸式密封

接觸式密封應用于水輪發(fā)電機機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。接觸式密封在運行時與大軸基本無間隙。對于沿著大軸甩出的汽輪機油，密封環(huán)的作用類似于汽車上的雨刷，經過兩道密封后，油基本上不會從此甩出。由于耐磨密封環(huán)為隨動結構，它與支撐裝置之間無法做到完全無間隙，因此在油霧內外壓差過大的情況下，仍會有一定的油霧泄漏。但如果輔以一定的均壓措施，它的防油霧性能會大大提高。

如果機組產生的油霧不大，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：密封材料磨損產生的粉塵會污染透平油，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

空氣密封實際上不能稱為一種單獨的密封結構，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“堵”來防止油霧的溢出，而是通過“疏”來將油霧收集到凈化裝置中，使其不去污染設備和環(huán)境?？諝饷芊饫脷怏w運動粘度小、流動性強、易于引導的特點，通過一系列的均壓措施來實現(xiàn)“密封”效果。

空氣密封對于治理甩油作用很小，但就油霧治理而言，如果設計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：結構簡單；加工難度小，成本低；調試完畢，不需經常檢查。空氣密封的缺點是對設計和調試的要求高，設計或調試不好難以實現(xiàn)理想的密封效果?？諝饷芊庥袝r是作為一種輔助的均壓措施和其他密封聯(lián)合使用，有時是單獨使用。從多個電站的運行情況看，只要設計合理，調試得當，即使單獨使用，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：一是單抽氣管結構，這種結構的優(yōu)點是簡單，缺點是抽氣量難以把握，一旦調節(jié)不好，反而會起到強化油霧溢出的作用；二是進氣管加抽氣管結構，進氣管形成正壓，防止油霧溢出，抽氣管將軸承室泄漏的含油霧的氣體抽走，這種結構調節(jié)起來簡單，密封效果優(yōu)于前者；三是進氣管加均壓管再加抽氣管結構，這種結構增加了一個均壓管，使得密封處能夠形成一個由正壓、大氣壓和負壓區(qū)域組成的完善的壓降回路，密封效果更好。

5 油霧治理的難點與常見誤區(qū)

立式水輪發(fā)電機軸承的油霧問題是困擾某些水電站的老大難問題，但有針對性的理論研究長期以來是個空白。常規(guī)的密封理論研究是以汽輪機的汽缸、壓縮機的缸體、泵的密封等為研究對象，這些研究對象的特點是密封結構內外壓差較大，而水輪發(fā)電機軸承室內外的壓差不大，一般在幾十到幾百帕。某些效應在高壓差的情況下，完全可以忽略，但在低壓差的情況下，也在起著作用，如流體常見的附壁效應、大軸擺度對周圍氣體的離心泵效應等。這些效應會使得氣體的流態(tài)更加復雜，這也是造成部分密封效果不佳的原因。

同時，部分設計人員治理油霧時存在一些常見的思維誤區(qū)，這也妨礙了油霧治理的實施。常見的誤區(qū)有：

（1）缺乏系統(tǒng)性考慮，試圖一招見效。油霧的治理是一個系統(tǒng)性的工作，必須從多個方面來考慮，但設計人員在設計時往往存在：重視氣路，忽視油路；重視封堵，忽視疏導；重視設備本身，忽視運行環(huán)境等問題。

圖3 空氣密封（進氣管加抽氣管結構）

（2）某些設計人員重視對密封理論的研究和密封結構設計，以為只要選擇效果好的密封，就能治理好油霧，忽視對機組個性特點的了解。這導致某些設計盡管從原理上堪稱完美，但由于忽略了一些技術上的細節(jié)，導致防治效果不佳。

（3）忽視安裝工藝問題，認為只要治理措施得當，就一定能發(fā)揮作用，一旦發(fā)生問題，往往歸咎于設計沒有做好，但實際上安裝工藝的問題也是不可忽視的因素。如某些梳齒密封設計間隙0.5mm，實測值能達到2～3mm；某些油霧凈化裝置調試不好，投產后凈化功能從未實現(xiàn)等。

6 結束語

立式水輪發(fā)電機機組的油霧問題是困擾一些水電站的常見問題，很多水電站在油霧的治理上也進行過有益的探索和嘗試。通過對油霧產生原因及其治理方法的剖析，通過對大量治理案例的總結，本文認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，了解機組的特點，系統(tǒng)地考慮問題，進行針對性的實施改造，方能起到事半功倍的效果。

[1] 于蘭階.水輪發(fā)電機組的安裝與檢修.北京：中國水利水電出版社，1995.

[2] 劉云.水輪發(fā)電機故障處理與檢修.北京：中國水利水電出版社，2007.

[3] 徐文峰.二灘水電站水導軸承甩油原因分析及改造.水電站機電技術，2005(1).

[4] 馬新紅.小浪底水電站發(fā)電機軸承油霧研究與治理.水電能源科學，2011(10).

[5] 胡金.水電站軸承油霧污染分析與處理.水電站機電技術，1993(3).

[6] 段利英.三峽水電站VGS機組水導軸承的檢修與優(yōu)化處理.水電自動化與大壩監(jiān)測，2006(4).

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

袁 波（1977—），男，高級工程師，主要研究方向：水電站的技術管路等。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