洋流发电机组主轴密封系统设计

杨　飞

(上海电气风电设备有限公司，上海　200241)



洋流发电机组主轴密封系统设计

杨飞

(上海电气风电设备有限公司，上海200241)

阐述了洋流发电机组主轴密封系统设计应考虑的因素，并通过对某600 kW洋流发电机组的主轴密封系统设计方案的介绍，提出了主轴密封系统的唇型密封、耐磨衬套、压力油腔、漏水收集箱、自动漏水监控和排水系统的设计方案和设计参数。为其他洋流发电机组的主轴密封设计提供了参考。

海洋能源；洋流；洋流发电机组；密封

0　引言

近年来，海洋能源的利用和开发越来越受到重视。海洋能源中洋流发电技术具有良好的市场前景，洋流的流速和流向具有稳定性，发电设备的年利用小时数接近陆上风电的1倍。同时，洋流发电既可以利用海上风电、石油钻井平台的基础，进行能源的综合开发；也可以独立安装，为各种海上设施、海岛提供电力，具有良好的经济性和广泛的用途。

目前，世界上洋流资源的开发还处在初步开发阶段。国内仅有100 kW左右的试验洋流发电机组。而国际市场上已有一些企业在洋流发电技术研究领域取得一些进展，单机容量在600 kW～1 MW左右，仍处在样机试制或样机试运行阶段。

600 kW～1 MW左右的洋流发电机组工作水深一般在25～35 m左右，且海水中往往含有各种对密封有腐蚀性的化学成分和磨损颗粒，这对主轴密封系统设计带来了很大的挑战。因此，主轴密封系统设计成了洋流发电机组设计的一个难点。

本文主要介绍洋流发电机组主轴密封系统设计应考虑的因素，并对某600 kW洋流发电机组的主轴密封系统设计方案进行了介绍。

1　主轴密封系统设计方案

主轴密封系统设计需要考虑的因素有：密封设计寿命、工作水深、主轴旋转的线速度、主轴的轴向和径向蹿动、海水温度、海水的化学成分、海水中泥沙含量等因素。上述因素直接影响主轴密封的材料选择和密封方案设计。洋流发电机组主轴密封设计主要参数如表1所示。

表1　洋流发电机组主轴密封设计主要考虑因素

根据主轴密封的寿命要求和工作环境条件，600 kW洋流发电机组的主轴密封设计方案如图1所示。

1.1唇型密封设计

根据表1中的主轴密封的设计寿命要求、工作环境温度、主轴旋转线速度、海水含盐量等参数，参考唇型密封厂家的推荐，唇型密封材料采用氢化丁晴橡胶(HNBR)材料可满足上述使用工况。

为保证唇型密封的密封性能良好，需要保证唇型密封和衬套表面合理的接触压力。接触压力过小

1.机舱；2.第一道重力油箱；3.第二道重力油箱；4.主轴；5.耐磨衬套；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.液位开关；12.水泵；13.控制柜图1　600 kW洋流发电机组的主轴密封

会导致密封接触区域漏水，过大会导致密封接触区域运行时温度过高和磨损过快。唇型密封的接触压力主要和唇型密封的唇部结构、唇形密封与轴配合的过盈量相关。

唇形密封的唇部结构的优化设计，船舶制造领域已对此做了大量的研究工作，目前已十分成熟，可采用船舶尾轴密封所采用的标准唇形密封设计。

唇形密封与轴配合的过盈量，与表1中的主轴旋转线速度、主轴的最大轴向蹿动量、主轴的最大径向蹿动量等参数相关。参考相关文献的推荐，取唇形密封与主轴的配合过盈量为轴径的1.5%[1]，计算得到的过盈量为8 mm。

1.2耐磨衬套设计

主轴和唇形密封之间的接触应力比较大，而且海水中的泥沙颗粒也会进入主轴和唇形密封的接触区域，因此很容易造成主轴和唇形密封的接触区域磨损。为了防止主轴长期运行后损伤，在主轴和唇形密封之间设计一个耐磨衬套。耐磨衬套采用高铬不锈钢材料，该材料有良好的耐腐蚀性和耐磨性[2]。衬套的表面硬度大于HRC60，衬套的表面粗糙度小于Ra0.8。耐磨衬套通过螺栓固定到主轴的法兰面上，如果耐磨衬套长期运行后有磨损，可以方便地更换。

1.3压力油腔设计

机组的工作水深约为30 m，因此第一道唇型密封前端需要承受300 kPa左右的压力。为保证唇形密封前后的压力差在其能承受的范围内(100 kPa)，在第一道唇形密封与第二道唇形密封的腔体之间设计有压力油腔。油腔与第一道重力油箱相连，油腔内的油压控制在200 kPa左右，这样第一道唇形密封的前后压差就控制在100 kPa左右。第二道唇形密封与第三道唇形密封之间的腔体与第二道重力油箱相连，该腔体内的油压比前一个腔体油压小100 kPa，以保证第二道唇形密封的前后的压差为100 kPa左右。

1.4漏水收集箱设计

第三道唇形密封与第四道唇形密封之间的腔体与漏水收集箱相连。如果前面的唇形密封失效，有海水泄漏进入该腔体，可通过排水管将进入该腔体的海水导入漏水收集箱。考虑到海水的泄漏量，漏水收集箱的设计容积为3 L。

1.5自动漏水监控和排水系统设计

漏水收集箱内有液位开关，当有大量的海水泄漏进入漏水收集箱，使水位超过液位开关，液位开关将信号传输到控制柜。控制柜收到液位开关的信号后，将发出报警，同时控制水泵动作，将漏水收集箱内的海水排出机舱。

2　结语

洋流发电机组的主轴密封系统由于寿命要求高、可靠性要求高、工作环境恶劣，成了洋流发电机组设计的一个难点。本文参考船舶制造领域的一些经验，对洋流发电机组主轴密封系统设计需要考虑的因素进行了疏理，并结合600 kW洋流发电机组的运行工况和环境条件，介绍了600 kW洋流发电机组的主轴密封系统设计方案，为其他洋流发电机组的主轴密封设计提供了参考。

[1]杨传祖. 新型船舶尾轴密封装置设计[J]. 湛江水产学院学报，1990.10(1):74-79.

[2]张乐天. 船舶尾轴密封装置的动态和展望[J]. 武汉造船，1984.4：17-22.