一種帶磁力懸浮環的氣密性油擋的實際應用

張玉鋼，文逸沺，武國磊，李 超

(1.天津國投津能發電有限公司，天津 300480；2.國家電投集團石家莊供熱有限公司，河北 石家莊 050031)

0 引言

某公司一期工程建設2×1 000 MW超超臨界抽汽凝汽式汽輪發電機組，配套杭州汽輪機廠生產的HMS500D型給水泵汽輪機。該工程同步建設日產10萬t淡水的海水淡化工程，每臺機組需分別向海水淡化站提供調整抽汽。

機組投運以來，給水泵汽輪機潤滑油多次發生油箱進水、油質嚴重超標事件。汽輪機安全穩定運行與汽輪機油質的好壞關系密切。汽輪機潤滑油進水將使潤滑油乳化，乳化后的潤滑油的粘度將會降低，軸承中軸與瓦之間的油膜厚度減小，造成轉子與軸直接摩擦，甚至軸瓦燒損。為此，必須分析潤滑油進水原因并研究解決的方案。

1 潤滑油進水的原因

經過長時間對與油質相關系統、設備的排查，最終得出潤滑油進水的原因有以下2個。

(1) 傳統的梳齒式油擋漏入的軸封漏汽量增大，且汽機房內濕度大，而軸承油封與汽封體距離僅有50 mm，汽輪機軸封漏汽不易向四周擴散，導致大量水蒸氣進入軸承箱。

(2) 軸承箱由排煙風機引起的負壓，客觀上加劇水蒸氣的進入。

2 潤滑油水分超標的危害

(1) 油中水分產生泡沫，阻塞油道，導致油循環不暢，潤滑油油壓不穩，威脅機組安全運行。

(2) 潤滑油中水分可以加快潤滑油乳化，使添加劑加速失效，降低潤滑油的整體性能和使用壽命。

(3) 進入軸承室的潤滑油，在形成油膜時，有可能析出水分，破壞正常油膜特性，導致油膜失穩而發生油膜振蕩，進而增大部件摩擦，引起局部過熱、軸承磨損、機組振動，甚至出現毀機現象。

(4) 嚴重乳化的油品有可能沉積于潤滑油系統的管路中，致使潤滑油循環不暢，失去良好的潤滑作用，導致冷油器換熱效率降低，各部濾網堵塞，轉子軸頸磨損等，如不及時處理會造成重大事故。

為解決潤滑油水分超標問題，提出并實施了將原有的梳齒型油擋改造為帶有磁力懸浮環的氣密性油擋的方案。

3 帶磁力懸浮環的氣密性油擋工作原理

將油擋由普通的梳齒式油擋改造為帶磁力懸浮環的氣密性油擋，通過管路往油擋本體內引入干燥的壓縮空氣，壓縮空氣通過氣密性油擋的均壓室，把壓縮空氣均勻分配到油擋內部的齒中間，使油擋軸向位置中部形成正壓區。通過應用空氣動力學原理，利用壓縮空氣來堵住旋轉軸的漏泄間隙，不僅可以達到油擋零泄漏的密封效果，同時該氣密性油擋還可以阻止軸封漏汽和灰塵雜質的進入，避免了油中進水和油中帶雜質等情況的出現。通過氣密性油擋改造，在油擋內部不會再產生由高溫軸封汽漏入而形成的黑色碳化物、炭渣，不會引起機組振動，不會損傷轉子軸頸。

4 磁力懸浮環工作原理

利用磁力吸合(引進預埋磁石技術，將磁力內環吸合在外環上，其中內環為懸浮環，外環為油擋本體)產生的力將內環重力平衡為0。這樣，無論在熱態、動態時軸處于何種位置，內環都體現出零重力的特質。

內環對軸顯現了零重力，但軸的運動軌跡是橢圓型的，軸心一直處在漂移狀態，于是軸就會與內環發生接觸。

為了解決這個問題，將內環與外環在徑向設計上留3—5 mm的退讓間隙，內環既寬又輕，壓強低、動量小、退讓空間大，可在軸心漂移或撓度彎曲而改變軸心位置時，在磁力作用下實時跟蹤軸心并停留在新的平衡處，從而保證油擋始終處在良好的密封狀態，達到阻絕大部分空氣進入和潤滑油泄漏的初步效果。另外，這種設計還能有效避免軸瓦偏心等惡劣工況。

5 帶磁力懸浮環的氣密性油擋結構特點

帶磁力懸浮環的氣密性油擋結構如圖1所示，系統管道布置如圖2所示。

該油擋包括油擋本體、調整螺絲、進氣管接頭、環形腔室、密封齒、合金磁力懸浮環、回油槽、轉子與凸起部。環形腔室設置在油擋本體的內部，進氣管接頭設置在環形腔室的上端，進氣管接頭與所述環形腔室相互連通。轉子軸上設置有凸起部位。油擋本體上開設有回油槽，回油槽位于軸的上方。油擋本體與轉子軸之間設置有5道密封齒與2道磁力懸浮環，密封齒與磁力懸浮環均與油擋本體連接。調整螺絲設置在油擋本體的外側，用以調整油擋與軸的間隙。

帶磁力懸浮環的氣密性油擋結構的特點如下。

圖2 系統管道布置

(1) 設計氣密性油擋時，將原油擋厚度34 mm改為64 mm。通過增加油擋的軸向寬度，來增加密封級，將原3道密封齒改為5道密封齒。

(2) 氣密性油擋的齒尖厚度由原設計的1.5 mm改為0.3 mm，保證了油檔與轉軸較小的動靜間隙，使密封效果更佳；同時，如果轉軸與油擋齒發生碰磨，因齒尖寬度小，能夠起到很好的避讓作用，防止機組產生震動，對軸頸起到保護作用。

(3) 油擋在轉軸凸起位置設計有回油槽，能夠利用轉子凸起部位很好地將潤滑油回至油箱內。

(4) 氣密性油擋設計有2道磁力懸浮環，懸浮環材質為合金材質，耐高溫、柔軟，不磨損軸頸。左磁力懸浮環可以防止潤滑油泄漏，右磁力懸浮環能降低壓縮空氣進入軸承箱的氣量，降低對軸承箱負壓環境的影響。磁力懸浮環還能保持與轉子的動靜間隙，不被磨損，延長油擋使用壽命與維護周期。

(5) 壓縮空氣先通過環形腔室，再通過環形腔室上的多個小孔，將進入油擋的壓縮空氣均勻地分布在轉子上，使密封效果更佳，同時減小了對轉子的激振影響。

(6) 油擋進氣支管上設計有壓縮空氣閥門與壓力表，可根據不同的工況來調節油擋的進氣壓力。

(7) 壓縮空氣母管設計有氣水分離器，能很好地凈化油擋的用氣品質。

(8) 油擋外圓設計有間隙調整螺絲，能夠精確調整油擋與軸的間隙。

(9) 間隙標準：油擋銅齒的頂部間隙為0.25—0.30 mm，左右間隙為 0.15—0.20 mm，底部間隙為0—0.05 mm；磁力懸浮環間隙，上下左右均為0.10 mm。

6 應用效果

該公司于2016年4月利用1號機組C修期間，對2臺給水泵汽輪機組的4個梳齒式油擋進行了帶磁力懸浮環的氣密性油擋改造。改造后，2臺給水泵汽輪機組潤滑油品質始終保持在優良標準，夏季高負荷期間未出現水分超標情況。改造前后油質變化情況如圖3，4所示。

圖3 改造前油質變化曲線

圖4 改造后油質變化曲線

7 結束語

改造后經過1年的運行觀察：潤滑油水分合格，每年節省資金約10萬元(僅計算更換濾油機濾芯成本)，同時保證了汽輪機各軸瓦良好冷卻潤滑及控制系統的穩定工作，提升了設備的使用壽命，確保機組安全穩定運行。這為其他同類型機組采用帶磁力懸浮環的氣密性油檔方案治理潤滑油水分超標問題，提供了又一個成功應用的案例。

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