某型燃气轮机油封漏油和结焦问题分析和处理

沈存五， 于 海

(上海电气燃气轮机有限公司，上海 200240)

随着重型燃气轮机性能和出力的提升，透平排气温度越来越高。在透平排气端，轴承座通常与高温排气道以及轴封处于紧邻位置。高温排气道的金属壁面温度和轴封密封气的温度通常都较高，某些情况下轴承座上的油封可能会受到影响[1]。现场曾发生由于轴承座上的油封漏油，导致轴承座局部区域发生润滑油起火的事件，而且该区域发生润滑油结焦的现象也比较常见。本文以某重型燃气轮机在电厂运行时出现油封漏油和结焦的事件为案例，详细介绍故障现象和检查结果，分析故障原因，提出解决方案，并跟踪实施效果。

1 透平排气端结构

图1是某重型燃气轮机的透平排气端结构图[2]。机组稳定运行时，轴封左侧腔室内是温度超过200 ℃的密封气，一部分密封气向右流经轴封后进入油封右侧的腔室。该腔室与机组外部空间是连通的，因此从轴封流出的密封气最终会进入机组外部空间，与其中的空气混合，另一部分密封气向左流经左侧轴封后进入透平排气道，与温度超过540 ℃的透平排气混合。透平排气道将透平轴承座和轴承壳体包裹在中间位置，某些情况下，可能有少量润滑油从油封泄漏至轴承壳体外部，然后流经透平轴承座内壁，从底部的排油管流出至机组下方的回收桶中。

图1 某重型燃气轮机透平排气端结构

2 故障现象

2016年5月，该燃气轮机在电厂运行时，透平轴承瓦振出现随机性的振动值上升，出现频率为平均每天1次，振动爬升1 h左右到达峰值，随后缓慢下降至正常值。正常瓦振值约为4.0 mm/s，历次峰值最高达9.0 mm/s。

2016年8月，该燃气轮机小修检查过程中发现透平轴承座排油管被结焦堵塞。

2016年9月18日，该燃气轮机的透平轴承瓦振最大至12 mm/s，振动持续高位运行约16 min。9月底对油封进行了更换，在更换下来的油封的密封齿槽内发现了大量结焦。之后的运行中并未出现大幅度的瓦振现象，但漏油现象依然存在，而同型号机组在其他电厂运行时未发现透平轴承座有明显的漏油现象。

更换油封之后，现场对漏油量进行了记录。第一次启动机组后满速空载时，漏油量约为36 mL/h，且油质比较干净。之后满负荷正常运行时漏油量约为1.5 mL/h，且油质比较浑浊。运行至11月14日停机，发现润滑油从排油管与轴承座壳体连接螺纹处渗出，漏油量约为12 mL/h。此后采取了定期疏通排油管的处理措施，疏通排油管后，机组满负荷稳定运行时，排油管漏油量约为60～90 mL/h，且时快时慢，油质浑浊。

3 现场检查及临时处理措施

2017年2月6日下午，将透平径向轴承的瓦块拆出，检查瓦块工作面，未发现明显磨损现象。

2017年2月7日上午测量了油封与转子之间的间隙，测量数据如图2所示。拆出油封后，检查了油封齿槽，未发现明显结焦现象，图3为现场拍摄的照片。然后又对油封底部的排油通道进行了检查，没有发现任何堵塞现象。油封外侧工艺孔堵头也完好无损，不存在从工艺孔漏油的可能性。从透平轴承座径向支撑位置，可以观察到轴承座内壁排油管入口处结焦严重，图4为现场拍摄的照片。间隙值为油封装回到轴承座之后的现场测量值，此时转子在垂直方向的抬高量约为0.15 mm。

图2 旧油封与转子间隙测量值

图3 油封照片

图4 轴承座内壁排油管入口处结焦照片

2017年2月8日，将新油封安装到了透平轴承座上，并测量了新油封与转子之间的间隙，详细间隙测量数据见图5。测量状态为转子在垂直方向上抬高约0.15 mm。

图5 新油封与转子间隙测量值

根据测量结果，现场决定对新油封的密封齿进行打磨，以便消除转子与油封之间的碰磨。根据现场转子的位置，打磨油封底部90°区域内的密封齿，直至密封齿与转子间隙值达到0.55 mm；磨左右两侧45°区域内的密封齿，直至密封齿与转子间隙值达到0.5 mm，中间区域光滑过渡。

2017年2月9日，对新油封进行磨齿，然后将油封安装到油槽中，并测量了密封齿与转子之间的间隙，详细间隙测量数据如图6所示。

图6 磨齿后油封与转子间隙测量值

随后将轴承瓦块装回轴承中，之后测量了转子的高度变化值。与之前相比，转子在垂直方向上下降约0.13 mm。

2017年2月10日，安装顶轴油管路并进行手动盘车，未见润滑油从透平轴承座排油管漏出。启动盘车，未发现透平轴承座区域有明显漏油，但是正常启机后就出现排油管漏油现象，漏油量约为60 mL/h。

2017年9月，再次更换了该机组的透平轴承油封，拆出的旧油封如图7所示。可以明显看出，经过近半年的运行，结焦情况十分严重。

图7 拆出的旧油封

4 问题分析

关于透平径向轴承瓦振上升问题，现场临时更换油封之后，瓦振恢复正常，所以瓦振上升的原因是机组长期运行后，在油封的密封齿槽内累积了过量的结焦，这些结焦与转子发生了碰磨[3]。

透平轴承座排油管被结焦堵塞，说明油封存在漏油现象，且轴承座底部排油管附近区域温度过高。导致油封漏油的原因可能是油封间隙过大或油封排油不畅。油封间隙过大，使润滑油更容易从间隙中泄漏，图2中的旧油封间隙测量值证明了油封密封齿磨损严重，油封间隙确实偏大。油封排油不畅，使油封收集的润滑油无法及时排出，一部分润滑油就会从油封间隙中溢出。导致油封排油不畅的原因为：(1)轴承润滑油供油量太大，导致轴承壳体内的润滑油来不及排出，使润滑油液位上升至影响油封排油速度的高度；(2)油封底部的排油通道面积太小，导致排油速度慢。泄漏的润滑油流到了轴承座底部区域后产生结焦，说明该区域温度过高。原因可能是从轴封流出的密封气流量过大，将该区域温度加热得过高。从轴封流出的密封气的温度超过200 ℃，大量轴封密封气完全可以使润滑油发生结焦。

油封的齿槽内有大量结焦，说明该区域的温度过高。可能的原因有：(1)油封齿与转子发生碰磨，摩擦生热导致润滑油结焦；(2)从轴封流出的密封气流量大于正常值，接触并加热了油封，使油封齿槽内的润滑油发生结焦。从图7旧油封的照片中可以看出，与轴封密封气接触的一侧结焦量非常多，而另一侧几乎没有结焦，显然轴封密封气的加热效应是油封出现结焦的因素之一。如果轴封与转子之间发生碰磨，使得轴封间隙变大，从轴封流出的密封气流量就会随之变大，对油封齿槽结焦的影响也就更为强烈。由于现场不具备测量轴封间隙的条件，因此只能推测轴封间隙有可能已经过大。

机组第一次启动后，满速空载运行时的漏油量相对较大，而在满负荷稳定运行时的漏油量反而较小。原因可能是，机组启动后的一段时间内转子处于升温过程，随着转子温度的升高，转子与油封之间的间隙逐渐减小，漏油量也相应由大变小。随着运行时间的增加，转子温度逐渐升高至稳定值，此时转子与油封之间的间隙达到稳定的最小值，漏油量也最小。

5 解决方案

根据上述问题分析，针对每一项可能的原因，制定了以下解决方案。

油封漏油问题的解决方案包括以下措施：

1)更换新的油封，修改油封的排油通道结构设计，增大排油通道的面积；

2)现场检查并调节润滑油供油压力，使供油压力保持在设计允许的范围内。

油封和排油管结焦问题的解决方案包括以下措施：

1)更换新轴封，将轴封间隙恢复到设计值，将从轴封流出的密封气流量控制在设计允许的范围内。由于现场拆卸轴封的工作量非常大，耗时太长，会严重影响机组正常运行计划，因此该方案只能作为备选方案，在适当的时期，例如机组大修期间，方可执行。

2)对油封外侧采取强制通风冷却，利用风机和管道将常温空气吹入油封与轴封之间的区域，削弱从轴封流出的密封气对油封以及透平轴承座底部区域的加热效应。

3)安装油封环时，将油封间隙修磨至图6所示数值，以降低油封齿与转子发生碰磨的可能性。

6 现场实施方案及其效果

针对于油封漏油问题，现场更换了油封，新油封按照图6中的间隙值对油封的密封齿进行了修磨，同时修改了排油通道的结构和尺寸，使其通流面积达到了原设计值的2倍。

对于轴封漏气量大导致轴封和排油管区域温度过高问题，现场采取了强制通风冷却方案，设置了1台风机，布置了送风管道，将常温空气吹入轴封与油封之间的区域。

以上解决方案实施之后，机组运行正常，透平轴承座区域未再发生润滑油起火现象，也未出现漏油现象。在后续停机检修期间，将油封拆出后检查，发现结焦现象得到了缓解。

7 结 论

本文通过分析故障现象和检查结果，认为导致某型燃气轮机透平轴承座油封漏油和结焦问题可能有油封间隙大、油封排油不畅及轴封漏气量大等原因。通过打磨油封间隙、调整润滑油供油压力、增大油封排油管道面积，以及对油封区域进行通风冷却，现场未再发生透平轴承座油封漏油问题，结焦现象也得到了缓解。以上分析和措施保证了机组的安全运行。