立式水轮发电机组轴承油雾的治理

张 雷，袁 波，汪卫平

(华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司，安徽省滁州市 239000)

立式水轮发电机组轴承油雾的治理

张 雷，袁 波，汪卫平

(华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司，安徽省滁州市 239000)

常规立式水轮发电机组轴承在运行时容易出现油雾外溢的问题，该问题对很多水电站都曾造成过困扰。本文对油雾产生的原因进行了分析，介绍了多种防油雾结构并指明其优缺点，指出了油雾治理的难点和常见误区，为立式水轮发电机轴承油雾的治理提供了借鉴。

立式水轮发电机组；轴承；密封；甩油；油雾；汽轮机油

0 引言

立式水轮发电机组，尤其是一些早期投产的机组，不同程度存在着甩油和油雾溢出的问题，给设备健康水平、人员的身体健康都造成了一定的影响。部分油雾严重的机组，清扫油雾占用了大量的检修工期。这些问题给很多水电站工作人员造成了困扰，也有很多水电站进行了相关的改造，但改造效果参差不齐。本文分析了油雾产生的原因，梳理了治理油雾的常见方法并指出了其优缺点，指出了油雾治理的难点和常见误区，为防止轴承油雾外溢提供了可行的解决思路。

1 甩油与油雾现象

通常情况下，立式水轮发电机轴承的甩油和油雾外溢现象会同时发生，这两个问题既相对独立，又存在密切的关系。甩油是指呈液态的油在机组运行时从轴承内甩出。油雾外溢是指汽轮机油在轴承室内雾化后以油雾的形态在内外压差的作用下从轴承室内溢出。一般而言，甩油发生的位置通常在距离轴承盖板和挡油圈不远处，油呈液态；油雾则不然，由于油雾已经和空气充分混合，它多会凝结在其他构件上（如：上下机架、定子绕组、风闸等），在机组检修时可以看到上述构件上会有凝结的油滴、与灰尘混合成的油泥等污物。本文着重论述的是油雾问题，针对甩油的问题将另文阐述。

2 油雾外溢的危害

油雾的外溢一般不会很快造成设备事故，短期内也不会危害人体健康，所以相比于甩油，油雾治理一直容易被忽视。但其危害会随着时间的积累逐渐表现出来，这种危害一般表现在以下方面：

（1）发电机风洞内地面、水车室地面的积油，容易导致工作人员滑倒。同时，油雾飘散在厂房内部尤其是地下厂房时，影响工作人员肺部的健康。

（2）油雾外溢会影响绝缘寿命。油雾与灰尘在定子铁芯通风沟和转子磁极通风沟处堆积，造成发电机通风散热变差，影响散热效果；汽轮机油本身是一种有机溶剂，会腐蚀部分绝缘材料；油雾会和灰尘混合，灰尘中可能存在导电颗粒，长期吸附在绝缘层上，对发电机线棒等绝缘造成腐蚀，使其绝缘性能下降，加速老化，极易造成发电机绕组短路或击穿，给机组安全稳定运行带来潜在的危害。

（3）油雾可能会溢出到滑环室内，造成滑环与碳刷接触打火，影响滑环寿命。

（4）油雾可能会凝结在机械制动环与风闸处，刹车时的高温会引发油烟。

3 油雾外溢的原因分析

汽轮机油是一种经过加工的石油产品，包含多种不同的化学组分，各种组分具有不同的挥发性能。理论上，即使汽轮机油低于凝点，仍会存在部分挥发性的物质，只是产生的量比较少。产生油雾是汽轮机油自身的特性之一，在机组运行时，以下因素也促进了油雾的产生和外溢：

（1）汽轮机油油质下降。某些水电站由于运行环境恶劣，轴承室内容易进水，造成汽轮机油的油质下降。这样的汽轮机油更容易乳化、起泡，更容易吸收空气。油质下降会对汽轮机油产生油雾起到助推的作用。

（2）汽轮机油运行温度。机组运行后，轴承室内的油温会逐渐升高，油温的升高也会助推油雾的产生。

（3）汽轮机油的流态不佳。这是造成油雾的最主要的因素。机组运行时，如果油在轴承室内的流态不好，就会飞溅、碰撞，和轴承室内的气体混合，这是一个压力雾化的过程。同时，油在循环时，部分会从集油腔的密封处喷出，由此造成的射流会产生大量的气泡，气泡溃灭后就会将包含在内部的油雾析出。

（4）轴承室外存在负压。机组在运行时，机坑内各处的压力是不一样的，部分位置存在负压。如果轴承的密封刚好处在负压区域，轴承室内外的压差就会将轴承室内含油雾的气体压出。

（5）密封效果欠佳。从汽轮机油的特性来看，只要存在着一定的温度，只要存在油与空气的混合，就必然产生油雾。只是流态较好的机组，产生的油雾少一些而已，但无论如何，不产生油雾是不可能的，因此有效的密封措施是必须的。虽然传统的梳齿密封、毛毡接触式密封等在治理甩油上有一定的作用，但对于治理油雾效果有限，这也是造成油雾问题的重要因素。

4 油雾治理的常用密封形式

油雾的产生是一系列因素共同作用的结果，因此对于油雾的治理也必须从整个系统上来考虑。除了更换合格的汽轮机油、适当降低汽轮机油的运行温度外，治理油雾的两个重要手段是优化油的循环回路和提高密封结构的密封性能。油的流态差是产生油雾的最根本原因，只有优化了油路的循环，才能从根本上减少油雾的产生。常见的优化油的循环回路措施有：在转动部件周围设置阻旋装置和防溅装置；对于外冷轴承合理选择冷油油压；优化冷油进入轴承室内的出口设计，防止溅油；提高集油腔（如果有的话）的密封性能，防止严重喷油造成的射流；整体考虑回路的通气问题，防止气泡的产生等。本文针对优化油的循环回路的问题做简单介绍，并重点介绍治理油雾的另一个重要途径，即提高轴承密封的密封性能。

虽然优化油的循环回路可以降低油雾的产生，但完全不产生油雾也是不可能的，因此密封措施还是必要的。对于一些投产后的水电站，由于进行轴承内部改造耗时费力，部分机组还存在作业空间狭小、施工困难的问题，因此选择合适的密封机构，提高密封性能是比较可行的改造措施。常见的密封方式有：梳齿密封、迷宫密封、接触式密封和空气密封。“离心泵”效应密封、螺纹密封、蜂窝密封、刷式密封等也有应用，但目前应用不多，本文不再介绍。现就常见的4种密封形式进行介绍。

4.1 梳齿密封

梳齿密封也称光轴式迷宫密封，是水轮发电机轴承应用最广的一种密封。从密封机理上归类，梳齿密封属于迷宫密封的一种。梳齿密封是在旋转轴周围设置若干个依次排列的环形密封齿，齿与齿之间形成一系列的节流间隙和膨胀空腔，被密封的介质在通过曲折的间隙时产生节流效应，从而阻止介质的泄漏。在节流间隙的前后气流的压力能转变为动能，到达空腔后一小部分动能又转变为压力能，在空腔内会形成强烈的漩涡，在漩涡内大部分的动能又转变成热能而损耗。

这种密封对甩油有一定的作用，对于油雾较小的机组也有一定的密封作用。但透气效应是梳齿密封的本质特性之一，因此它对油雾产生量比较大的轴承效果不佳。虽然梳齿密封的效果一般，但通常它是空气密封的基础，采用迷宫密封结构的轴承通常也装设一道梳齿密封作为辅助措施。

4.2 迷宫密封

迷宫密封有多种形式，上文所述的梳齿密封也是迷宫密封的一种。这里所述的迷宫密封，特指轴向曲折式迷宫密封。它的原理和梳齿密封类似，但又有所不同，迷宫密封的动环在旋转时，由于离心力的作用，会将附在上面的油甩出，因此它的防甩油效果好。同时由于动环的作用，动环与静环之间的间隙会形成一个相对稳定的空气围带，阻止了轴承室内气体的外溢，因此它对油雾的密封性能也较好。迷宫密封用于高压差的流体仍会有一定的泄漏，但对于油雾来说，其压力在几十到几百帕，用以密封这样压力的气体能够轻松胜任。迷宫密封如果辅以一定的均压措施，效果更好。

图1 梳齿密封与迷宫密封

无论是用于治理甩油还是治理油雾，迷宫密封的效果可以说是最好的。迷宫密封的缺点是加工难度大，尤其是在电站现场加工难度大，制造成本高，但只要加工到位，现场安装较为简单。所以，这种密封形式不太适用于老机组的改造。

4.3 接触式密封

接触式密封应用于水轮发电机机组轴承是近年的事情，它由耐磨密封环、密封弹簧和支撑装置等组成。接触式密封在运行时与大轴基本无间隙。对于沿着大轴甩出的汽轮机油，密封环的作用类似于汽车上的雨刷，经过两道密封后，油基本上不会从此甩出。由于耐磨密封环为随动结构，它与支撑装置之间无法做到完全无间隙，因此在油雾内外压差过大的情况下，仍会有一定的油雾泄漏。但如果辅以一定的均压措施，它的防油雾性能会大大提高。

如果机组产生的油雾不大，接触式密封是一种较好的选择。但接触式密封也存在一定的缺点：密封材料磨损产生的粉尘会污染透平油，造成透平油颗粒度上升；需要定期检查密材料的磨损情况等。

4.4 空气密封

空气密封实际上不能称为一种单独的密封结构，它更多的是一种均压措施。空气密封和常规密封的不同在于，它不是通过“堵”来防止油雾的溢出，而是通过“疏”来将油雾收集到净化装置中，使其不去污染设备和环境。空气密封利用气体运动粘度小、流动性强、易于引导的特点，通过一系列的均压措施来实现“密封”效果。

空气密封对于治理甩油作用很小，但就油雾治理而言，如果设计合理效果可以接近迷宫密封的水平。空气密封具有很多优点：结构简单；加工难度小，成本低；调试完毕，不需经常检查。空气密封的缺点是对设计和调试的要求高，设计或调试不好难以实现理想的密封效果。空气密封有时是作为一种辅助的均压措施和其他密封联合使用，有时是单独使用。从多个电站的运行情况看，只要设计合理，调试得当，即使单独使用，空气密封也能取得理想的效果。

图2 接触式密封

常用的空气密封有三种形式：一是单抽气管结构，这种结构的优点是简单，缺点是抽气量难以把握，一旦调节不好，反而会起到强化油雾溢出的作用；二是进气管加抽气管结构，进气管形成正压，防止油雾溢出，抽气管将轴承室泄漏的含油雾的气体抽走，这种结构调节起来简单，密封效果优于前者；三是进气管加均压管再加抽气管结构，这种结构增加了一个均压管，使得密封处能够形成一个由正压、大气压和负压区域组成的完善的压降回路，密封效果更好。

5 油雾治理的难点与常见误区

立式水轮发电机轴承的油雾问题是困扰某些水电站的老大难问题，但有针对性的理论研究长期以来是个空白。常规的密封理论研究是以汽轮机的汽缸、压缩机的缸体、泵的密封等为研究对象，这些研究对象的特点是密封结构内外压差较大，而水轮发电机轴承室内外的压差不大，一般在几十到几百帕。某些效应在高压差的情况下，完全可以忽略，但在低压差的情况下，也在起着作用，如流体常见的附壁效应、大轴摆度对周围气体的离心泵效应等。这些效应会使得气体的流态更加复杂，这也是造成部分密封效果不佳的原因。

同时，部分设计人员治理油雾时存在一些常见的思维误区，这也妨碍了油雾治理的实施。常见的误区有：

（1）缺乏系统性考虑，试图一招见效。油雾的治理是一个系统性的工作，必须从多个方面来考虑，但设计人员在设计时往往存在：重视气路，忽视油路；重视封堵，忽视疏导；重视设备本身，忽视运行环境等问题。

图3 空气密封（进气管加抽气管结构）

（2）某些设计人员重视对密封理论的研究和密封结构设计，以为只要选择效果好的密封，就能治理好油雾，忽视对机组个性特点的了解。这导致某些设计尽管从原理上堪称完美，但由于忽略了一些技术上的细节，导致防治效果不佳。

（3）忽视安装工艺问题，认为只要治理措施得当，就一定能发挥作用，一旦发生问题，往往归咎于设计没有做好，但实际上安装工艺的问题也是不可忽视的因素。如某些梳齿密封设计间隙0.5mm，实测值能达到2～3mm；某些油雾净化装置调试不好，投产后净化功能从未实现等。

6 结束语

立式水轮发电机机组的油雾问题是困扰一些水电站的常见问题，很多水电站在油雾的治理上也进行过有益的探索和尝试。通过对油雾产生原因及其治理方法的剖析，通过对大量治理案例的总结，本文认为油雾是完全可以防治的，也是能够取得较好的治理效果的。在油雾的治理中，必须充分了解各种密封形式的特性，了解机组的特点，系统地考虑问题，进行针对性的实施改造，方能起到事半功倍的效果。

[1] 于兰阶.水轮发电机组的安装与检修.北京：中国水利水电出版社，1995.

[2] 刘云.水轮发电机故障处理与检修.北京：中国水利水电出版社，2007.

[3] 徐文峰.二滩水电站水导轴承甩油原因分析及改造.水电站机电技术，2005(1).

[4] 马新红.小浪底水电站发电机轴承油雾研究与治理.水电能源科学，2011(10).

[5] 胡金.水电站轴承油雾污染分析与处理.水电站机电技术，1993(3).

[6] 段利英.三峡水电站VGS机组水导轴承的检修与优化处理.水电自动化与大坝监测，2006(4).

张 雷（1980—），男，高级工程师，主要研究方向：水轮发电机机组的检修、技术改造等。E-mail：18055009651@163.com

袁 波（1977—），男，高级工程师，主要研究方向：水电站的技术管路等。E-mail：bo-yuan@sgcc.com.cn

汪卫平（1983—），男，工程师，主要研究方向：水电站的技术管理等。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