洋流發(fā)電機組主軸密封系統(tǒng)設計

楊　飛

(上海電氣風電設備有限公司，上?！?00241)

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洋流發(fā)電機組主軸密封系統(tǒng)設計

楊飛

(上海電氣風電設備有限公司，上海200241)

闡述了洋流發(fā)電機組主軸密封系統(tǒng)設計應考慮的因素，并通過對某600 kW洋流發(fā)電機組的主軸密封系統(tǒng)設計方案的介紹，提出了主軸密封系統(tǒng)的唇型密封、耐磨襯套、壓力油腔、漏水收集箱、自動漏水監(jiān)控和排水系統(tǒng)的設計方案和設計參數(shù)。為其他洋流發(fā)電機組的主軸密封設計提供了參考。

海洋能源；洋流；洋流發(fā)電機組；密封

0　引言

近年來，海洋能源的利用和開發(fā)越來越受到重視。海洋能源中洋流發(fā)電技術具有良好的市場前景，洋流的流速和流向具有穩(wěn)定性，發(fā)電設備的年利用小時數(shù)接近陸上風電的1倍。同時，洋流發(fā)電既可以利用海上風電、石油鉆井平臺的基礎，進行能源的綜合開發(fā)；也可以獨立安裝，為各種海上設施、海島提供電力，具有良好的經(jīng)濟性和廣泛的用途。

目前，世界上洋流資源的開發(fā)還處在初步開發(fā)階段。國內(nèi)僅有100 kW左右的試驗洋流發(fā)電機組。而國際市場上已有一些企業(yè)在洋流發(fā)電技術研究領域取得一些進展，單機容量在600 kW～1 MW左右，仍處在樣機試制或樣機試運行階段。

600 kW～1 MW左右的洋流發(fā)電機組工作水深一般在25～35 m左右，且海水中往往含有各種對密封有腐蝕性的化學成分和磨損顆粒，這對主軸密封系統(tǒng)設計帶來了很大的挑戰(zhàn)。因此，主軸密封系統(tǒng)設計成了洋流發(fā)電機組設計的一個難點。

本文主要介紹洋流發(fā)電機組主軸密封系統(tǒng)設計應考慮的因素，并對某600 kW洋流發(fā)電機組的主軸密封系統(tǒng)設計方案進行了介紹。

1　主軸密封系統(tǒng)設計方案

主軸密封系統(tǒng)設計需要考慮的因素有：密封設計壽命、工作水深、主軸旋轉(zhuǎn)的線速度、主軸的軸向和徑向躥動、海水溫度、海水的化學成分、海水中泥沙含量等因素。上述因素直接影響主軸密封的材料選擇和密封方案設計。洋流發(fā)電機組主軸密封設計主要參數(shù)如表1所示。

表1　洋流發(fā)電機組主軸密封設計主要考慮因素

根據(jù)主軸密封的壽命要求和工作環(huán)境條件，600 kW洋流發(fā)電機組的主軸密封設計方案如圖1所示。

1.1唇型密封設計

根據(jù)表1中的主軸密封的設計壽命要求、工作環(huán)境溫度、主軸旋轉(zhuǎn)線速度、海水含鹽量等參數(shù)，參考唇型密封廠家的推薦，唇型密封材料采用氫化丁晴橡膠(HNBR)材料可滿足上述使用工況。

為保證唇型密封的密封性能良好，需要保證唇型密封和襯套表面合理的接觸壓力。接觸壓力過小

1.機艙；2.第一道重力油箱；3.第二道重力油箱；4.主軸；5.耐磨襯套；6.第一道唇形密封；7.第二道唇形密封；8.第三道唇形密封；9.第四道唇形密封；10.漏水收集箱；11.液位開關；12.水泵；13.控制柜圖1　600 kW洋流發(fā)電機組的主軸密封

會導致密封接觸區(qū)域漏水，過大會導致密封接觸區(qū)域運行時溫度過高和磨損過快。唇型密封的接觸壓力主要和唇型密封的唇部結(jié)構(gòu)、唇形密封與軸配合的過盈量相關。

唇形密封的唇部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，船舶制造領域已對此做了大量的研究工作，目前已十分成熟，可采用船舶尾軸密封所采用的標準唇形密封設計。

唇形密封與軸配合的過盈量，與表1中的主軸旋轉(zhuǎn)線速度、主軸的最大軸向躥動量、主軸的最大徑向躥動量等參數(shù)相關。參考相關文獻的推薦，取唇形密封與主軸的配合過盈量為軸徑的1.5%[1]，計算得到的過盈量為8 mm。

1.2耐磨襯套設計

主軸和唇形密封之間的接觸應力比較大，而且海水中的泥沙顆粒也會進入主軸和唇形密封的接觸區(qū)域，因此很容易造成主軸和唇形密封的接觸區(qū)域磨損。為了防止主軸長期運行后損傷，在主軸和唇形密封之間設計一個耐磨襯套。耐磨襯套采用高鉻不銹鋼材料，該材料有良好的耐腐蝕性和耐磨性[2]。襯套的表面硬度大于HRC60，襯套的表面粗糙度小于Ra0.8。耐磨襯套通過螺栓固定到主軸的法蘭面上，如果耐磨襯套長期運行后有磨損，可以方便地更換。

1.3壓力油腔設計

機組的工作水深約為30 m，因此第一道唇型密封前端需要承受300 kPa左右的壓力。為保證唇形密封前后的壓力差在其能承受的范圍內(nèi)(100 kPa)，在第一道唇形密封與第二道唇形密封的腔體之間設計有壓力油腔。油腔與第一道重力油箱相連，油腔內(nèi)的油壓控制在200 kPa左右，這樣第一道唇形密封的前后壓差就控制在100 kPa左右。第二道唇形密封與第三道唇形密封之間的腔體與第二道重力油箱相連，該腔體內(nèi)的油壓比前一個腔體油壓小100 kPa，以保證第二道唇形密封的前后的壓差為100 kPa左右。

1.4漏水收集箱設計

第三道唇形密封與第四道唇形密封之間的腔體與漏水收集箱相連。如果前面的唇形密封失效，有海水泄漏進入該腔體，可通過排水管將進入該腔體的海水導入漏水收集箱。考慮到海水的泄漏量，漏水收集箱的設計容積為3 L。

1.5自動漏水監(jiān)控和排水系統(tǒng)設計

漏水收集箱內(nèi)有液位開關，當有大量的海水泄漏進入漏水收集箱，使水位超過液位開關，液位開關將信號傳輸?shù)娇刂乒瘛？刂乒袷盏揭何婚_關的信號后，將發(fā)出報警，同時控制水泵動作，將漏水收集箱內(nèi)的海水排出機艙。

2　結(jié)語

洋流發(fā)電機組的主軸密封系統(tǒng)由于壽命要求高、可靠性要求高、工作環(huán)境惡劣，成了洋流發(fā)電機組設計的一個難點。本文參考船舶制造領域的一些經(jīng)驗，對洋流發(fā)電機組主軸密封系統(tǒng)設計需要考慮的因素進行了疏理，并結(jié)合600 kW洋流發(fā)電機組的運行工況和環(huán)境條件，介紹了600 kW洋流發(fā)電機組的主軸密封系統(tǒng)設計方案，為其他洋流發(fā)電機組的主軸密封設計提供了參考。

[1]楊傳祖. 新型船舶尾軸密封裝置設計[J]. 湛江水產(chǎn)學院學報，1990.10(1):74-79.

[2]張樂天. 船舶尾軸密封裝置的動態(tài)和展望[J]. 武漢造船，1984.4：17-22.