接触式密封在大功率半直驱永磁风力发电机应用探讨

尤佰朋

摘要：电机大流量稀油润滑轴承室密封结构，包括轴承室、轴承、外轴承盖、内封环、内轴承盖、挡油环，内轴承盖和内封环之间设有迷宫密封结构;所述的迷宫密封结构为阶梯式迷宫密封结构，即内封环的外柱面和内轴承盖的内柱面从外向内方向呈阶梯上升且相互咬合，以此延长密封回路，更充分地使润滑油被甩入迷宫密封槽内。

关键词：接触式密封环;1：1模拟试验;油膜;摩擦;流场

引言

随着风力发电机技术的发展，风力发电机组性能的逐步提高，风力发电会越来越高效，越来越经济，随着国家政策的调整，风电项目开发成本和运行费用正在逐步降低，在风电传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风机的发展趋势，随着半直驱风力发电系统的完善和成熟，其在风电领域将得到广泛应用，具有巨大的市场需求。

半直驱永磁风力发电机的轴承与齿轮箱采用同一套稀油润滑系统，因此轴承室的密封结构成为电机重要结构之一。目前风力发电机的轴承室密封结构包括与电机端盖固定的轴承室，轴承室内套固定有位于转轴轴端的轴承，轴承室外端面固定有外轴承盖，轴承内侧的转轴上套固有内封环，内封环上套有与轴承室内端面固定的内轴承盖，内轴承盖与轴承之间设有套于内封环上且固定于内轴承盖上的挡油环，内轴承盖的与内封环接触的内圆柱面上开有多个轴向排列的迷宫密封槽，从而在内轴承盖和内封环之间形成迷宫密封结构。目前只依靠迷宫密封的方式，容易造成润滑油的渗漏，润滑油进入电机内部，最终会影响电机的绝缘性能，降低电机的使用寿命。

1 半直驱风力发电机轴系密封系统方案

本文章着重分析我公司为3MW半直驱发电机设计的一种轴承密封结构。该轴承室密封结构包括轴承室、轴承、外轴承盖、内封环、内轴承盖、挡油环，内轴承盖和内封环之间设有阶梯式迷宫密封结构，即内封环的外柱面和内轴承盖的内柱面从外向内方向呈阶梯上升且相互咬合;内轴承盖上开有与任一迷宫密封槽相通的泄压孔，泄压孔上连接有泄压管;在内封环与内轴承盖接触面靠外端增加接触式密封环;外轴承盖与轴承之间、挡油环与轴承之间、内轴承盖与轴承室之间装有O型密封圈。详细结构如图1所示：

2 模型建立

2.1 原理分析

电机大流量稀油润滑轴承室密封结构，包括轴承室、轴承、外轴承盖、内封环、内轴承盖、挡油环，内轴承盖和内封环之间设有迷宫密封结构;所述的迷宫密封结构为阶梯式迷宫密封结构，即内封环的外柱面和内轴承盖的内柱面从外向内方向呈阶梯上升且相互咬合，以此延长密封回路，更充分地使润滑油被甩入迷宫密封槽内。进一步地，内轴承盖上开有与任一迷宫密封槽相通的泄压孔，泄压孔上连接有泄压管，泄压管引至电机外侧，以此可使轴承室内的压力保持与外界平衡，有力阻止润滑油的渗漏。再进一步，在内封环与内轴承盖接触面靠外端增加接触式密封环，有效地阻挡大部分润滑油进入内轴承盖的迷宫密封槽内，降低了内轴承盖回油孔回油的压力;外轴承盖与轴承之间、挡油环与轴承之间、内轴承盖与轴承室之间装有O型密封圈，对润滑油进行防渗漏密封。更进一步，内轴承盖的外侧端面下部且位于轴承与内轴承盖之间的位置开有分别与各迷宫密封槽相通的泄油孔（各泄油孔环圆周分布）;轴承室的内圈下部靠内侧一边开有一个弧形回油槽，轴承室的外侧端面开有与弧形回油槽相通的排油孔。内轴承盖迷宫密封槽内的润滑油经泄油孔回流至轴承腔（即内轴承盖与轴承之间的空间），再经回油槽、排油孔回流进电机外的齿轮箱，从而形成回油的通路，保证内轴承盖内不积润滑油。

2.2 有限元分析

运用流体分析软件FLUEN对此轴系密封环内的流场进行分析，计算电机轴承密封环内的压力衰减情况，对流场影响较小的细小结构进行简化，同时考虑到接触式密封在运行一段时间后，其和内轴承盖间肯定会形成间隙，结合轴承计算结果中的工作游隙值，我们在模型中接触式密封点间隙设置为0.3mm，建立有限元模型，如图2所示。设置进风口流速为20m/s，流体为空气，从进风口给密封环强迫通风，从出风口出风。

从图2可以看出，电机轴承密封环内的压力逐渐衰减，进风口后的前5个密封环压力以5%的幅度均匀递减，每遇上一次形状急剧变化，压力衰减幅度加大。

2.3 模卡试验

我们同时对此结构进行了1：1模拟试验，模卡转速 550r/min，试验时间40min，进油量为10L/min，通过密封环处温度的记录值可以看出，在150min后，轴承密封接触点的温度趋于稳定且呈现逐渐下降趋势，如下图3：

以上为密封接触点的时间温度曲线图，在150min后，温度值有下降的趋势，在模卡拆解后，我们测量了密封环外径尺寸，为Φ386.74～Φ386.87，原尺寸为Φ387±0.1，轴承内盖摩擦位置处的尺寸为Φ387（0，+0.14），经过模卡长时间的运行，密封环与轴承内盖接触摩擦处的位置形成了一个小间隙，此间隙是靠配件加工的尺寸无法保证的间隙，在模卡运行过程中，润滑油通过此间隙，便形成了一个油膜，起到阻挡润滑油的目的。与流场仿真分析结果一致。

3 结果与讨论

（1）平面接触式密封适用于长期浸泡在润滑油及高工作压力的工况下，将接触式密封由面接触改为线接触，同时降低其过盈量，可快速磨合出理想的密封间隙;

（2）通过模卡拆解后尺寸测量可以得出，最终的密封间隙为0.3mm，此时既能保证系统有效密封，同时也能保证系统的应力较小，此时采用接触式密封，可以实现利用加工的手段无法实现的密封间隙。

（3）模卡在運行的初始阶段，接触式密封处因摩擦导致温度急剧上升，在密封环材料选择时要考虑摩擦产生的热量堆积现象对密封的影响。此处我们选择的是具有使用寿命长、摩擦阻力小、耐温高的聚四氟乙烯组合密封圈。

参考文献：

[1]陈波，杨晓，涂庆.帽形滑环式组合密封的密封性能研究[J].润滑与密封，2019，44：92-94

[2]王宣银.聚四氟乙烯组合密封圈及其摩擦阻力的计算[J].润滑与密封，1997，22（2）：57-59

[3]成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2008