浅谈聚氨酯在发电机轴承密封中的应用

刘吕芳

(浙江金轮机电实业有限公司，浙江 金华 321002)



浅谈聚氨酯在发电机轴承密封中的应用

刘吕芳

(浙江金轮机电实业有限公司，浙江 金华 321002)

在阐述常规中低速水轮发电机轴承密封原理的基础上，结合实例介绍了聚氨酯结构密封圈在中低速水轮发电机轴承密封中的应用及其优点，以及运行效果。图6幅。

水轮发电机；聚氨脂；轴承密封

0 引 言

水轮发电机中，轴承一旦油气密封不严，将消耗润滑油，污染绕组，损坏绝缘，影响机组安全运行。水轮发电机轴承的油温及油雾问题一直以来都是比较难处理的小问题，困惑了不少水电行业的技术工作者。目前中小型水轮发电机常用的轴承油气密封结构有铜齿片气封式结构、迷宫式和气封迷宫式工业毛毡密封结构。

1 常规轴承密封结构原理及其缺点

1.1 铜齿片气封式密封结构

目前，铜齿片气封式密封结构具有如下缺点：

(1)铜齿片的结构在密封盖的固定位置需要加工固定铜齿片卡槽，嵌入卡槽需采用银铜焊进行焊接，工艺较复杂，制造成本高。

(2)铜齿片为导体，为保证电机安全运行，需要设置防止轴电流的相关措施，使机组结构复杂化，制作成本增加。

(3)铜没有耐磨性，在安装使用中，要保证与转动部件有一定的间隙，安装调整难度较大，对安装人员技术水平要求较高。

(4)铜齿片的结构为气封式密封，内部需要通入压力空气(一般取自转子风扇高压区)，需要设置1套气封装置，使机组管路结构复杂，安装难度加大，制作及安装成本增加(见图1)。

图1 铜齿片气封式密封结构

1.2 迷宫式工业毛毡密封结构

迷宫式工业毛毡密封结构油槽盖常用铝合金铸成(见图2)。在密封部位加工出4～6个深槽，分布于上、下两端，油槽盖与旋转件的间隙为0.5～1 mm。这样，在密封部位就形成了多次扩大与缩小的局部流体阻力，使渗漏有油气混合体的压力减小，从而防止它从油槽盖泄漏。通常还在油槽盖上端2个槽内嵌入工业羊毛毡，还要注意调好它与旋转件接触的松紧；这样既提高了密封效果，又防止外部杂物渗入。

图2 迷宫式工业毡密封结构

1.3 气封迷宫式工业毛毡密封结构

气封迷宫式工业毛毡密封结构是在迷宫式油槽盖的中间部分通入压力空气,在槽内形成一定的静压,从而阻止油气混合体向外泄漏(见图3)。通常这个气流引自发电机转子风扇的高压区，为了改善压力空气的入口条件，管路的入口处应做成喇叭口形状，并使口部对准迎风面，以取得最大的全压。选择管路直径时，应考虑拐弯和沿程摩阻引起的动压损失。

图3 气封迷宫式工业毛毡密封结构

迷宫式和气封迷宫式工业毛毡密封结构的缺点如下：

(1)工业毛毡不耐磨，实际使用寿命短，需常更换，油封效果差，机组油气容易逸出，污染机组，影响发电机机组的安全稳定运行。

(2)铸铝件由于多种因素影响，常常会出现气孔、针孔、夹渣、裂纹、凹坑等缺陷。而且该结构在不同机组间的通用性差，有时同一台机组都很难统一，制作过程中需用到专用模具，生产成本较高。另外，固定工业毛毡材料的铸铝件油槽盖强度低，容易在安装运输过程中损伤。轴承一旦油气密封不严，将消耗润滑油，污染绕组，损坏绝缘，影响机组安全运行，安全隐患较多。

2 聚氨酯轴承密封结构原理及优点

2.1 聚氨酯轴承密封结构原理

聚氨酯轴承密封结构主要针对铜齿片气封式密封结构、迷宫式和气封迷宫式工业毛毡密封结构在水轮发电机轴承油气密封的实际应用中存在的缺点，在传统轴承密封结构基础上作了较大改进，是一种新型水轮发电机轴承油气密封结构(见图4)。该油气密封结构的关键部件是密封圈，采用目前市场上常用的聚氨酯材料制成，为便于安装固定，针对聚氨酯材料设置了特殊的槽型(见图5)，密封圈右下端止口与密封盖上的止口啮合，并在其上方用压板将其固定在密封盖上(见图6，I处放大见图4)。聚氨酯轴承密封结构主要包括密封盖、密封圈、压板等零件，密封盖、密封圈、压板均为圆环状且环绕于发电机旋转件外圆。为便于安装，压板和密封盖均为2个半圆结构，密封盖分半面上设置合缝板。

图4 聚氨酯轴承密封结构

图5 聚氨酯密封圈截面形状及尺寸

图6 聚氨酯轴承密封结构工作位置示意

2.2 聚氨酯轴承密封结构的优点

聚氨酯轴承密封结构的密封圈采用市场上常用的聚氨酯拉制成型，聚氨酯材料具有如下优点：超耐磨、抗冲击、自润滑，耐温性为-20～120 ℃；可根据不同的使用要求，通过改变原料的规格、品种和配方，合成所需性能的密封圈产品；产品质量轻、强度大、绝缘和隔音性能优越、电气性能极佳，加工工艺性好、吸水率低。浇注成型的聚氨酯密封件具有很好弹性，根据所截长度的不同，可以弯成所需的环形密封圈。密封圈的内端面设置有两圈内凹的环形槽(见图5)，环形槽的横截面为等腰梯形。密封圈的内端面与发电机旋转件外圆接触，环形槽与旋转件外圆壁面形成封闭的压力腔，这是实现油气密封的关键。

此外，聚氨酯密封圈与密封盖的连接方式为啮合连接，密封盖与压板的连接方式为可拆卸连接，即聚氨酯密封圈由压板、密封盖共同固定；这样的连接方式便于安装、更换、维护。聚氨酯密封圈采用统一的金属模具浇注，成型后有很好的弹性，形成同一种形状的槽型密封圈。不同机组密封盖的卡槽采用统一的尺寸固定密封圈，便于统一生产，可降低成本。聚氨酯密封圈具有很好的绝缘性能，在与轴承支架连接的结构中，无需采用防止轴电流的措施；同时聚氨酯密封圈具有很好的耐水性和高耐磨性，使用寿命长。

与普通迷宫式工业毛毡密封结构相比，聚氨酯轴承密封结构中的密封盖采用钢板焊接结构，避免了传统铸铝件结构中常常会出现的气孔、针孔、夹渣、裂纹、凹坑等工艺缺陷；在不同机组间通用性差，有时同一机组都很难统一，同时还存在制作过程中需用到专用模具且生产成本较高等一系列问题。聚氨酯轴承密封结构中的密封盖采用钢板拼焊而成，既减少模具费用，又可以有效避免铸铝件经常出现的一些缺陷，而且便于加工，大大提高了生产效率，降低了成本。

2.3 实例应用

甘肃临洮安家咀水电站是笔者所在公司设计的中低转速轴流式水轮发电机组，于2015年6月正式发电，发电机型号为SF5500—36/4250，额定功率5 500 kW，额定转速166.67 r/min，飞逸转速350 r/min，推力负荷122 t，额定点效率96.1%，转子重量42 t。本机组为立轴悬式轴流机组，轴承不仅承受水推力，而且机组本身的重量也比较大；故推力轴承损耗较大，推力轴承油温及油雾是立式机组中比较难处理的问题。根据招标书的要求，“随发电机供应一整套独立的自润滑系统，并要求有消除油雾溢出、甩油和漏油和有效措施。”常规设计中对于业主有特殊要求的产品，通常采用加大油槽容量，双层挡油管，密封盖上增加补气管或直接采用气封结构等措施来减轻机组运行时的油雾问题。但在设计上述机组时我们没有按常规的做法，而是尝试着使用新的结构来替代，经过几个方案的比较，最终选择了聚氨酯轴承密封结构。该结构简单紧凑，无需增加安装空间和制作成本，相反如果运行效果好，还可以降低制作成本，能够省去1套复杂的气封结构系统，从而简化安装程序，使机组安装和维修更为方便，大大提高机组的安装效率，提高机组运行的可靠性。

3 结 语

甘肃临洮安家咀水电站经过1年多时间的运行考验，从电站的反馈信息来看，机组的各项性能达到设计要求，特别是推力轴承的运行情况很好，油雾问题几乎不存在。由于过去中、低转速立式水轮发电机一般都采用迷宫式工业毛毡密封结构，聚氨酯轴承密封结构在笔者所在公司还是首次使用，还在尝试阶段。在电站成功运行之前，笔者的很多同事都对此存在一定程度的担忧。通过此次电站的实际运行效果，使他们对聚氨酯轴承密封结构的性能有了比较深的了解，为以后设计制造同类机组提供了成功的经验。

责任编辑 吴 昊

2016-08-25

刘吕芳(1984-)，男，工程师，主要从事水电站机电设备设计工作。 E_mail：348525962@qq.com