一种带磁力悬浮环的气密性油挡的实际应用

张玉钢，文逸沺，武国磊，李 超

(1.天津国投津能发电有限公司，天津 300480；2.国家电投集团石家庄供热有限公司，河北 石家庄 050031)

0 引言

某公司一期工程建设2×1 000 MW超超临界抽汽凝汽式汽轮发电机组，配套杭州汽轮机厂生产的HMS500D型给水泵汽轮机。该工程同步建设日产10万t淡水的海水淡化工程，每台机组需分别向海水淡化站提供调整抽汽。

机组投运以来，给水泵汽轮机润滑油多次发生油箱进水、油质严重超标事件。汽轮机安全稳定运行与汽轮机油质的好坏关系密切。汽轮机润滑油进水将使润滑油乳化，乳化后的润滑油的粘度将会降低，轴承中轴与瓦之间的油膜厚度减小，造成转子与轴直接摩擦，甚至轴瓦烧损。为此，必须分析润滑油进水原因并研究解决的方案。

1 润滑油进水的原因

经过长时间对与油质相关系统、设备的排查，最终得出润滑油进水的原因有以下2个。

(1) 传统的梳齿式油挡漏入的轴封漏汽量增大，且汽机房内湿度大，而轴承油封与汽封体距离仅有50 mm，汽轮机轴封漏汽不易向四周扩散，导致大量水蒸气进入轴承箱。

(2) 轴承箱由排烟风机引起的负压，客观上加剧水蒸气的进入。

2 润滑油水分超标的危害

(1) 油中水分产生泡沫，阻塞油道，导致油循环不畅，润滑油油压不稳，威胁机组安全运行。

(2) 润滑油中水分可以加快润滑油乳化，使添加剂加速失效，降低润滑油的整体性能和使用寿命。

(3) 进入轴承室的润滑油，在形成油膜时，有可能析出水分，破坏正常油膜特性，导致油膜失稳而发生油膜振荡，进而增大部件摩擦，引起局部过热、轴承磨损、机组振动，甚至出现毁机现象。

(4) 严重乳化的油品有可能沉积于润滑油系统的管路中，致使润滑油循环不畅，失去良好的润滑作用，导致冷油器换热效率降低，各部滤网堵塞，转子轴颈磨损等，如不及时处理会造成重大事故。

为解决润滑油水分超标问题，提出并实施了将原有的梳齿型油挡改造为带有磁力悬浮环的气密性油挡的方案。

3 带磁力悬浮环的气密性油挡工作原理

将油挡由普通的梳齿式油挡改造为带磁力悬浮环的气密性油挡，通过管路往油挡本体内引入干燥的压缩空气，压缩空气通过气密性油挡的均压室，把压缩空气均匀分配到油挡内部的齿中间，使油挡轴向位置中部形成正压区。通过应用空气动力学原理，利用压缩空气来堵住旋转轴的漏泄间隙，不仅可以达到油挡零泄漏的密封效果，同时该气密性油挡还可以阻止轴封漏汽和灰尘杂质的进入，避免了油中进水和油中带杂质等情况的出现。通过气密性油挡改造，在油挡内部不会再产生由高温轴封汽漏入而形成的黑色碳化物、炭渣，不会引起机组振动，不会损伤转子轴颈。

4 磁力悬浮环工作原理

利用磁力吸合(引进预埋磁石技术，将磁力内环吸合在外环上，其中内环为悬浮环，外环为油挡本体)产生的力将内环重力平衡为0。这样，无论在热态、动态时轴处于何种位置，内环都体现出零重力的特质。

内环对轴显现了零重力，但轴的运动轨迹是椭圆型的，轴心一直处在漂移状态，于是轴就会与内环发生接触。

为了解决这个问题，将内环与外环在径向设计上留3—5 mm的退让间隙，内环既宽又轻，压强低、动量小、退让空间大，可在轴心漂移或挠度弯曲而改变轴心位置时，在磁力作用下实时跟踪轴心并停留在新的平衡处，从而保证油挡始终处在良好的密封状态，达到阻绝大部分空气进入和润滑油泄漏的初步效果。另外，这种设计还能有效避免轴瓦偏心等恶劣工况。

5 带磁力悬浮环的气密性油挡结构特点

带磁力悬浮环的气密性油挡结构如图1所示，系统管道布置如图2所示。

该油挡包括油挡本体、调整螺丝、进气管接头、环形腔室、密封齿、合金磁力悬浮环、回油槽、转子与凸起部。环形腔室设置在油挡本体的内部，进气管接头设置在环形腔室的上端，进气管接头与所述环形腔室相互连通。转子轴上设置有凸起部位。油挡本体上开设有回油槽，回油槽位于轴的上方。油挡本体与转子轴之间设置有5道密封齿与2道磁力悬浮环，密封齿与磁力悬浮环均与油挡本体连接。调整螺丝设置在油挡本体的外侧，用以调整油挡与轴的间隙。

带磁力悬浮环的气密性油挡结构的特点如下。

图2 系统管道布置

(1) 设计气密性油挡时，将原油挡厚度34 mm改为64 mm。通过增加油挡的轴向宽度，来增加密封级，将原3道密封齿改为5道密封齿。

(2) 气密性油挡的齿尖厚度由原设计的1.5 mm改为0.3 mm，保证了油档与转轴较小的动静间隙，使密封效果更佳；同时，如果转轴与油挡齿发生碰磨，因齿尖宽度小，能够起到很好的避让作用，防止机组产生震动，对轴颈起到保护作用。

(3) 油挡在转轴凸起位置设计有回油槽，能够利用转子凸起部位很好地将润滑油回至油箱内。

(4) 气密性油挡设计有2道磁力悬浮环，悬浮环材质为合金材质，耐高温、柔软，不磨损轴颈。左磁力悬浮环可以防止润滑油泄漏，右磁力悬浮环能降低压缩空气进入轴承箱的气量，降低对轴承箱负压环境的影响。磁力悬浮环还能保持与转子的动静间隙，不被磨损，延长油挡使用寿命与维护周期。

(5) 压缩空气先通过环形腔室，再通过环形腔室上的多个小孔，将进入油挡的压缩空气均匀地分布在转子上，使密封效果更佳，同时减小了对转子的激振影响。

(6) 油挡进气支管上设计有压缩空气阀门与压力表，可根据不同的工况来调节油挡的进气压力。

(7) 压缩空气母管设计有气水分离器，能很好地净化油挡的用气品质。

(8) 油挡外圆设计有间隙调整螺丝，能够精确调整油挡与轴的间隙。

(9) 间隙标准：油挡铜齿的顶部间隙为0.25—0.30 mm，左右间隙为 0.15—0.20 mm，底部间隙为0—0.05 mm；磁力悬浮环间隙，上下左右均为0.10 mm。

6 应用效果

该公司于2016年4月利用1号机组C修期间，对2台给水泵汽轮机组的4个梳齿式油挡进行了带磁力悬浮环的气密性油挡改造。改造后，2台给水泵汽轮机组润滑油品质始终保持在优良标准，夏季高负荷期间未出现水分超标情况。改造前后油质变化情况如图3，4所示。

图3 改造前油质变化曲线

图4 改造后油质变化曲线

7 结束语

改造后经过1年的运行观察：润滑油水分合格，每年节省资金约10万元(仅计算更换滤油机滤芯成本)，同时保证了汽轮机各轴瓦良好冷却润滑及控制系统的稳定工作，提升了设备的使用寿命，确保机组安全稳定运行。这为其他同类型机组采用带磁力悬浮环的气密性油档方案治理润滑油水分超标问题，提供了又一个成功应用的案例。

参考文献:

1 贾晓鸣.汽轮机油中水分的危害及净化[J].润滑油，2003，18(4)：63-64.

2 蔡国梁.国产50 MW汽轮机轴封汽封的改造[J].热能动力工程，2001，16(1)：99-100.

3 Egli A.The Leakage of Steam Through Labyrinth Seals[J].Trans ASME，1935，57：115-122&Discussion：445-446.

4 苏晋生.降低汽轮机润滑油油质污染的措施[J].山西电力，2001，101(6)：10-12.

5 肖茂东.气密封油挡在NGZ84.6/83.5/06型汽轮机的应用[J].汽轮机技术，2003，45(5)：329-330.

6 Denecke J， Schramm V， Kim S， et al.Influence of rub-Groves on labyrinth seal leakage[J].Journal of Turbomachinery，2003，125(2)：387-393

7 张学延.汽轮发电机组振动诊断[M].北京：中国电力出版社，2008.

8 朱恒军.C6MW汽轮机油中进水分析[J].设备管理与维修，2005，26(9)：36-37.

9 肖慧杰，赵闫涛，王玉刚.汽轮发电机励磁机油挡渗油原因分析及处理[J].内蒙古电力技术，2015，33(6)：73-75.