0 引言
立式水轮发电机轴承密封，因结构形式、制造安装质量及运行工况等因素的影响，轴承油槽出现甩油、漏油及油雾逸出问题已是一种较为普遍的现象[1]，轴承油槽甩油、漏油及油雾逸出既浪费润滑油，又污染机组运行环境。严重时，还会因为运行油位下降过低，引起机组停机，更甚者烧毁导瓦，造成更大的损失。
1现状
因目前国内外大中型水力发电机组推力轴承均存在不同程度的甩油、漏油及油雾逸出现象，是行业内长期存在的难题，一直未能找到较好的解决方法。由于甩油、漏油及油雾逸出现象对大型发电机组的运行十分不利，近几年来，因为机内进油已造成多起大型发电机绝缘损坏事故，给发电厂带来了巨大的经济损失。对发电机的安全稳定、可靠运行带来了潜在的危害，威胁发电机的安全生产，因此发电机组轴承的密封装置对机组的安全稳定运行至关重要。
大多数水电站的水轮发电机组轴承普遍采用的密封方式有接触式密封和非接触式密封。
接触式密封即利用密封材料的端部与旋转体摩擦接触起到密封作用，常用的密封材料有碳精和毛毡。碳精摩擦系数大，易磨损，掉落的黑色粉尘会滞留在接触齿与转轴接触处，影响密封效果；毛毡填的太多，与高速旋转的轴接触摩擦生热[2]，使温度升高，形成油烟，污染机组运行环境，毛毡填的太少，很难起到密封作用。另外接触式密封采用的是大量螺栓外露的形式进行定位，在机组运行过程中螺栓容易脱落，发生危险。
常用的非接触式密封方式有迷宫式密封[3]，即在主轴周围设若干个依次排列的环形密封齿，齿与齿之间形成一系列节流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的[4]，常用的密封材料有铜环。密封齿结构有密封片式和密封环式。密封片式安装工艺要求高，否则密封片容易被气流吹倒；密封环式结构尺寸大，加工复杂，密封齿磨损后则需要将整块密封环调换。同时，迷宫式密封的密封齿与主轴之间存在间隙，泄露量较大，密封效果不理想。
2油雾逸出的危害
发电机轴承油槽油雾逸出的危害：
（1）发电机风洞内地面，水车室地面的积油[5]，容易导致电站运行和维护人员在日常的设备巡回和缺陷处理中滑到，存在严重人身伤害安全隐患。
（2）水轮发电机组轴承油槽的甩油、漏油及油雾外逸造成对发电机转子磁极、转子轮辐以及定子线棒的污染[6]，油雾与灰尘在定子铁芯通风沟和转子磁极通风沟处堆积[7]，造成发电机通风散热变差，严重影响发电机的散热效果[8]。油雾和灰尘长时间附着在绝缘层上[9]，对发电机线棒等绝缘造成腐蚀，使其绝缘性能下降[10][11]，加速老化，极易造成发电机线圈短路或击穿，给机组的安全稳定可靠运行带来潜在的危害，威胁发电机的安全运行。
（3）长期的油槽漏油、甩油及油雾外逸，造成发电机运行环境恶劣，运行人员必须密切关注轴承油槽的油位变化，油位下降到最低油位时应立即向油槽内加油，这样就造成了透平油的浪费，增加了机组的运行成本和维护的工作量。同时，对环境和设备卫生的打扫也增加了维护人员日常维护的工作量和大量清洁材料的消耗。
3油雾治理措施
3.2油气双层防护装置主要结构
针对以上发电机组轴承出现的甩油、漏油及油雾现象，提出了一种防治机组轴承油雾逸出的新思路，即油气双层防护装置，充分解决发电机组轴承出现的甩油、漏油及油雾逸出的现象。
油气双层防护装置主要由内座圈、外座圈、端面螺栓、转轴、转动环、旋风凸台、镜面板环、端面密封环、端面气密封板、轴向密封环、轴向气密封板A、轴向气密封板B、供油系统、供油管路、油槽组成。（见图1、图2）。
3.2油气双层防护装置具体实施方式
油气双层防护功能包括转轴及套接在转轴上的内座圈，内座圈通过端面螺栓与外座圈连接，外座圈通过端面螺栓与机座连接，内座圈和外座圈的轴向内侧为油槽。
内座圈上，靠近转轴一侧，设有两层轴向密封环、一层轴向气密封板A、两层轴向气密封板B。轴向密封环采用非金属高分子自润滑材料制成，保证轴向密封环与转轴外周面接触的一侧具有良好的自润滑效果。轴向密封环相反于转轴外周面的一侧设有至少一个衡力弹性元件，既可保证轴向密封环具有朝向转轴外周面的运动趋势，又可保证轴向密封环具有远离转轴外周面的运动趋势，充分满足轴向密封环与转轴外周面之间的零间隙运行状态的条件。轴向气密封板A采用螺栓把合形式固定于内座圈最上方，轴向气密封板B采用嵌接方式固定于内座圈的凹槽里。轴向气密封板具有优良的自润滑性能，摩擦系数极小，耐高温，在风压作用下，轴向气密封板可自动充气鼓起与转轴紧密贴合，达到最佳的密封状态，特别在风压增大时，可使轴向气密封板与转轴贴合更加紧密，有效防止油雾逸出。
在轴向密封环、轴向气密封板下方的转轴外周面一侧设有转动环，转动环跟随转轴旋转产生离心力，可将油槽内向上攀爬的油甩回油槽内。在转动环相反于转轴外周面的一侧设有多层阶梯结构与内座圈进行配合安装，在最上层阶梯处设有旋风凸台，旋风凸台跟随转动环同步旋转产生风压，阻止油雾外逸。
在转动环最下层阶梯设有镜面板环，镜面板环上方，内座圈处设有端面密封环、端面气密封板与镜面板环接触，在端面密封环相反于镜面板环的一侧设有泄油孔，泄油孔连接供油管路，密封油通过供油管路及泄油孔进入到端面密封环与镜面板环接触处，在镜面板环跟随转动环旋转产生的离心力作用下，形成油膜密封，对端面密封环也能起到良好的润滑作用。
在内座圈上，靠近旋风凸台一侧设有端面气密封板，采用嵌接方式固定于内座圈的凹槽里。端面气密封板在自身应力作用下阻止油雾外逸，当有风压时，可自动充气鼓起与镜面板环紧密贴合，达到最佳的密封状态，尤其风压增大时，可使端面气密封板与镜面板环贴合更加紧密，有效防止油雾逸出。
3.3油气双层防护装置工作原理
油气双层防护功能采用端面密封环、端面气密封板、轴向密封环、轴向气密封板相结合的密封形式，通过供油系统将密封油输送到端面密封环处，使端面密封环与镜面板环之间形成一层油膜，镜面板环在转动环的离心力作用下，与端面密封环之间形成动静结合的油膜密封，将油通过离心力作用甩回油槽内[12]，同时对端面密封环进行润滑。端面气密封板在自身应力作用下，可阻挡端面密封环逸出的油，通过转动环和旋风凸台的微风离心作用，阻止油雾外逸。转动环随转轴旋转，将沿转轴向上攀爬的油甩回油槽内，进一步阻止油雾外逸现象产生。
3.4油气双层防护装置主要部件功能
（1）内座圈、外座圈
采用轻质材料，既满足强度、硬度使用要求，又方便产品的安装、调整、维修、维护。
（2）转动环
固定于转轴外周面指定位置，在机组运行时，跟随转轴同步旋转产生离心力，可将油槽内向上攀爬的油通过转动环的离心力作用甩回油槽内，阻止油雾外逸。
（3）旋风凸台
安装于转动环多层阶梯最上层，跟随转动环同步旋转形成风压，阻止油雾外逸。
（4）镜面板环
通过特殊工艺安装与转动环多层阶梯最下层，轴向密封环、轴向气密封板与镜面板环接触的面接近于镜面，通过油润滑和离心力的共同作用，形成油膜密封，既能阻止油雾逸出，又能起到良好的润滑作用。
（5）端面密封环
采用非金属高分子自润滑材料[13]，圆周等分成若干偶数等份，在与镜面板环接触的相反一侧设有至少一个衡力弹性元件，可使每一等份端面密封环上下前进和后退，保证具有良好的灵敏度。在端面密封环相反于镜面板环的一侧设有泄油孔，泄油孔连接供油管路，密封油通过供油管路及泄油孔进入到端面密封环与镜面板环接触处，在镜面板环跟随转动环旋转产生的离心力作用下，形成油膜密封，对端面密封环也能起到良好的润滑作用。
（6）端面气密封板
采用嵌接方式固定于内座圈的凹槽里，具有优良的自润滑性能，端面气密封板在自身应力作用下阻止油雾外逸，当有风压时，可自动充气鼓起与镜面板环紧密贴合，达到最佳的密封状态，尤其风压增大时，可使端面气密封板与镜面板环贴合更加紧密，有效防止油雾逸出。
（7）供油系统
将油槽内的油输送至供油系统中，再通过供油系统的主动控制，将油输送至端面密封环的泄油孔中，保证端面密封环与镜面板环之间形成油膜密封，同时也起到润滑作用。
（8）供油管路
通过供油管路将供油系统中的油输送至端面密封环泄油孔中。
（9）轴向密封环
轴向密封环具有多等分功能，按圆周方向等分成若干偶数等份。
补偿及退后功能，轴向密封环在等分后，每一等份都可以轴向前进和后退，灵敏度高，可保持轴向密封环在转轴有轴向摆动的情况下一直和转轴跟踪运行。
限位功能，精确的限位装置，能有效地限制轴向密封环的前进。
轴向密封环材料，选用了非金属高分子合成材料，具有耐油、耐高温、耐老化、耐化学腐蚀等特性[14]，并且具有良好自润滑功能，磨擦系数极小[15]。
（10）轴向气密封板
轴向气密封板具有优良的自润滑性能，磨擦系数极小，耐高温、耐磨擦。在风压的作用下，向下弯曲的轴向气密封板可自动与转轴紧密贴合，达到最佳的密封状态，特别在风压增大时，可使轴向气密封板与转轴之间贴合更加紧密，有效防止油雾逸出。
4小结
油气双层防护功能通过转动环上的镜面板环离心力作用，与端面密封环、端面气密封板在油润滑接触状态下，形成油膜密封，阻止油雾逸出。在转轴上的转动环跟随转轴旋转产生的离心力将油槽内向上攀爬的油甩回油槽内，同时转动环上的旋风凸台产生的离心力作用形成风压密封，进一步阻止油槽内的油雾外逸。
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[作者简介]
林滨，福建龙岩，1979，高级技师/工程师，长期从事水电生产技术管理工作。