立式水輪發電機組軸承油霧的治理

張 雷，袁 波，汪衛平

(華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省滁州市 239000)

立式水輪發電機組軸承油霧的治理

張 雷，袁 波，汪衛平

(華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省滁州市 239000)

常規立式水輪發電機組軸承在運行時容易出現油霧外溢的問題，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缺點，指出了油霧治理的難點和常見誤區，為立式水輪發電機軸承油霧的治理提供了借鑒。

立式水輪發電機組；軸承；密封；甩油；油霧；汽輪機油

0 引言

立式水輪發電機組，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缺點，指出了油霧治理的難點和常見誤區，為防止軸承油霧外溢提供了可行的解決思路。

1 甩油與油霧現象

通常情況下，立式水輪發電機軸承的甩油和油霧外溢現象會同時發生，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在內外壓差的作用下從軸承室內溢出。一般而言，甩油發生的位置通常在距離軸承蓋板和擋油圈不遠處，油呈液態；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出來，這種危害一般表現在以下方面：

（1）發電機風洞內地面、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，極易造成發電機繞組短路或擊穿，給機組安全穩定運行帶來潛在的危害。

（3）油霧可能會溢出到滑環室內，造成滑環與碳刷接觸打火，影響滑環壽命。

（4）油霧可能會凝結在機械制動環與風閘處，剎車時的高溫會引發油煙。

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性能。理論上，即使汽輪機油低于凝點，仍會存在部分揮發性的物質，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化油的循環回路和提高密封結構的密封性能。油的流態差是產生油霧的最根本原因，只有優化了油路的循環，才能從根本上減少油霧的產生。常見的優化油的循環回路措施有：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。本文針對優化油的循環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。

雖然優化油的循環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形密封齒，齒與齒之間形成一系列的節流間隙和膨脹空腔，被密封的介質在通過曲折的間隙時產生節流效應，從而阻止介質的泄漏。在節流間隙的前后氣流的壓力能轉變為動能，到達空腔后一小部分動能又轉變為壓力能，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。同時由于動環的作用，動環與靜環之間的間隙會形成一個相對穩定的空氣圍帶，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，尤其是在電站現場加工難度大，制造成本高，但只要加工到位，現場安裝較為簡單。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電機機組軸承是近年的事情，它由耐磨密封環、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。空氣密封和常規密封的不同在于，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境。空氣密封利用氣體運動粘度小、流動性強、易于引導的特點，通過一系列的均壓措施來實現“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。空氣密封具有很多優點：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理想的密封效果。空氣密封有時是作為一種輔助的均壓措施和其他密封聯合使用，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，這種結構的優點是簡單，缺點是抽氣量難以把握，一旦調節不好，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，這種結構調節起來簡單，密封效果優于前者；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

立式水輪發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，這也妨礙了油霧治理的實施。常見的誤區有：

（1）缺乏系統性考慮，試圖一招見效。油霧的治理是一個系統性的工作，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，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，就一定能發揮作用，一旦發生問題，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等。

6 結束語

立式水輪發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。

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張 雷（1980—），男，高級工程師，主要研究方向：水輪發電機機組的檢修、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.

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