柴油发电机曲轴密封冒烟起因简述及对策（天津康明斯）

　　青溪水电厂是低水头径流式水电厂，装机功率4×36 KW。最大工作水头25 m，最小作业水头10 m，设计水头20.5 m。柴油发电机型号为ZZ500-LH-500，额定流量209.1 m3/s，额定转速125 转/分钟。柴油发电机安装高程45.00 m，下游最低发电水位48.51 m。柴油发电机曲轴密封分为停机状态密封(俗称检修密封)和运行状态密封(俗称作业密封)两种。其中检测密封为橡胶围带式结构，作业密封为橡胶活塞式构造。工作密封面高程46.867 m。其组成如图1所示。 图1 柴油发电机主轴密封组成

　　当机组处于静止状态时，工作密封活塞下腔是无压的，活塞在活塞座内靠自重沿定位销自由下落到底部。而围带此时已接通0.6～0.7 MPa的压缩空气，其非约束部分受压鼓起，与密封环紧密接触，从而阻断尾水窜入柴油发电机顶盖的通道，起到密封功用。

　　开机时，为预防围带与主轴的磨擦，在机组起动前，开机继电器就使围带排烟卸压。同时，为避免围带卸压后尾水大量窜入顶盖，开机继电器还使0.059 MPa压力的清洁水通入密封活塞下腔，使密封活塞克服重力上升到顶端，阻断窜水通道，起到密封作用。

　　停机时，当曲轴完全静止后，停机继电器使围带通入压缩空气，并关闭密封活塞下腔的压力水，贵州康明斯发电机密封活塞自由落下。

　　青溪水电厂3号机组自投产以来，已累计运行了28 000多小时。但在2000年9月下旬以来，曾多次发生下述情况：机组开机时，柴油发电机在开始运转的几分钟内，水车室内浓烟滚滚，且橡胶焦臭味非常浓烈，待机组运行一段时间后，浓烟才被机组旋转的气流渐渐吹散，一切又都恢复正常。

　　水车室内除电气装备、元件外，其余都是机械构件以及为数极少的橡胶密封材料(如盘根、围带和密封活塞)。在清除电气装备、元件故障的可能后，能在发热后冒烟并散发橡胶焦臭味的就只能是这些橡胶制品。

　　然而，这些作为柴油发电机密封用的橡胶密封制品全都安装在水下。就连作业密封活塞，也长期浸泡在柴油发电机顶盖的积水中。可想而知，这些浸泡在水中的橡胶密封即使与金属物体发生运动磨擦，也不可能发热冒烟。换句话说，这些橡胶密封如果发热冒烟，一定存在干性或临界干性的运动磨擦。

　　就青溪水电厂机组的情况来说，在柴油发电机各种密封系统中，存在磨擦运动可能的只有检查密封和工作密封两种。前者有3种情形可能发生运动磨擦：

　　c)机组停机期间，由于导水叶漏水过大，机组自转。对于检测密封来说，无论产生哪一种运动磨擦，其磨擦面始终浸泡在水中，其结果虽然会故障围带，却不可能因此出现浓烟。对于后者，它虽然被固定在活塞座里，只能作上下运动，无法作圆周运动和径向运动，但是，转动环却是随曲轴一起转动的。显然，密封活塞存在运动磨擦。但密封活塞是靠清洁水流作为其磨擦面的润滑介质的，因此必须对密封活塞的工况作进一步解析。

　　密封活塞装配在活塞座里，如图2所示。活塞座中均布4根*12 mm的定位销(A3)，限制活塞只能作上下运动(活塞行程为5 mm)，不能作环向运动和径向运动。

　　在活塞上下端面之间有8个均布的*4 mm通流孔。当活塞下腔无压时，活塞能靠自重落到底部。当活塞下腔通入压力水后，活塞在水压功能下上升到顶端。在顶起活塞的同时，水流经通流孔流到活塞上端。当活塞与转动环接触后，接触面之间就发生了流动的水膜。这时如果机组开始运行，转动环与活塞的磨擦实质上就是与流动水膜的磨擦。流动水膜不仅保护了密封活塞，还将磨擦引起的热量带走。 但在密封活塞的作业程序中，也可能出现下面几种情况：

　　(1) 开机时，因为其它方面的原因使压力水无法通入活塞下腔，活塞不能顶起，但这时其上端面与转动环之间保持着5 mm的间隙，因此不可能发生运动磨擦。

　　(3) 停机时，如果压力水关闭后活塞没有复位，卡在顶起位置，那么在下次开机时，活塞首先被水压顶紧，通流孔被转动环封堵，在磨擦面间就不能出现流动水膜。此时如果机组转动，那么在起动初期将产生短时的干性磨擦或临界干性磨擦的情形。

　　那么，密封活塞有没有可能卡在顶端呢？为此对密封活塞的受力情况进行细述。 如图3所示，转动环在某点的速度方向V是其作圆周运动的切线方向，其磨擦力f的方面与V相反。由力学性质可知，密封活塞工作中所受的力除重力mg、水压力P(且Pmg)外，还有由磨擦力出现的力F’，且F’=f。在F’的用途下，密封活塞有随转动环转动的趋势，但受到定位销的约束，所以出现密封活塞与定位销紧紧贴合的结果。

　　由此可见，如果存在定位销倾斜、生锈、或活塞定位销孔变形等不利情况，则密封活塞在机组静止后就有可能卡在顶端。

　　经以上解说，可以认为，青溪水电厂3号机组在停机后，由于工作密封活塞没有复位，使得活塞磨擦面在下次开机的初始阶段无法发生流动水膜，开机时转动环与活塞之间产生干磨擦或临界干磨擦，造成活塞严重发热冒烟，并散发出浓烈的橡胶焦臭味。机组起动后，在机组振动和转轮室水力脉动的交替功能下，水流才逐渐进入磨擦面。因此当机组运行一段时间后，磨擦面间的水膜才恢复正常。徐汇康明斯发电机

　　(1) 将定位销由*12 mm增大到*16 mm，且改用不锈钢制作，这样做既增加销钉强度，又避免销钉生锈长垢。

　　(2) 在密封活塞的定位孔中增加不锈钢套管，防止销孔受力变形，降低活塞失压后下滑的磨擦力。套管示意图如图4。安装时从活塞下腔往上套入，其4个锐翼嵌入橡胶内，使套管不致脱落。套管装配后，其顶端低于活塞磨擦面5～10 mm。

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