水輪機主軸密封抗磨環(huán)水平調(diào)整方法淺析

羅前林，劉騰彬,陶吉全，黃 雄，趙世昊

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 引言

葛洲壩電站自建成以來其水輪發(fā)電機組已穩(wěn)定運行30余年，機組的部分主要部件已出現(xiàn)老化，影響機組安全穩(wěn)定運行；隨著三峽電站全面投產(chǎn)，汛期三峽機組滿負荷發(fā)電同時葛洲壩機組被迫棄水，降低了水利資源合理利用率，影響經(jīng)濟效益。鑒于以上原因，葛洲壩電站自2013年開始實施水輪發(fā)電機組改造增容工作。葛洲壩電站水輪發(fā)電機組改造增容包括主軸密封改造，由雙層橡膠平板密封結(jié)構(gòu)改為自補償型軸向端面密封。

改造后機組主軸密封為自補償型軸向端面密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。機組運行時，壓力為0.15～0.25MPa的清潔水通過供水環(huán)管進入浮動環(huán)與密封圈，在密封圈與抗磨環(huán)間形成大于此處江水壓力的有壓水腔，將浮動環(huán)頂起，在密封圈與抗磨環(huán)間形成0.05～0.10 mm厚水膜，達到阻止江水進入水箱的效果。一部分清潔水通過水腔內(nèi)徑側(cè)流入集水槽，經(jīng)頂蓋泵抽走。在浮動環(huán)自身重力及彈簧彈力作用下，當(dāng)密封圈發(fā)生磨損時會自行調(diào)整其位置，使其與抗磨環(huán)間水膜厚度保持不變，達到自行調(diào)整的效果[1]。

根據(jù)葛洲壩歷年的維護記錄，雙層橡膠平板密封的平均更換周期為2～3年，在汛期搶修更換密封時機組須停機，影響經(jīng)濟效益。根據(jù)三峽機組同類型主軸密封運行情況來看，自補償式主軸密封的維護工作量低，甚至10年內(nèi)無須維護，自補償式主軸密封的安全運行穩(wěn)定性較高。

圖1 改造后自補償型主軸密封結(jié)構(gòu)

新主軸密封安裝要求抗磨環(huán)整體水平值小于0.02 mm/m，跳動值小于0.05 mm。因主軸螺栓護蓋為分瓣組圓結(jié)構(gòu)，安裝后其抗磨環(huán)安裝面的平面度無法滿足跳動值小于0.05 mm/m要求?？鼓キh(huán)安裝和調(diào)平的難度較高。如采用傳統(tǒng)的卡耶里方法測量調(diào)整[2]，因抗磨環(huán)的徑向水平值經(jīng)常超過0.40 mm/m，周向水平測量值會因水平儀擺放角度的不同多有變化，測量數(shù)據(jù)的準確性較差。在葛洲壩6F機組初次運用此方法時，合像水平儀讀數(shù)多達4 000多次，工作效率低下，安裝質(zhì)量無法保證。因此，安裝人員嘗試運用基于盤車調(diào)整抗磨環(huán)的方法。

2 基于盤車調(diào)整抗磨環(huán)水平的原理和方法

葛洲壩水力發(fā)電機組為半傘式低水頭機組，從上至下依次有上導(dǎo)軸承、推力軸承和水導(dǎo)軸承三主軸承，其中推力軸承為彈性油箱結(jié)構(gòu)，機組軸線通過上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承分別抱緊確定[3]。為了保證機組運行時處于最優(yōu)工況，需要進行機組修后盤車，使機組旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心重合，并保證機組鏡板水平小于0.02 mm/m。根據(jù)機組盤車的特點，在抗磨環(huán)處架百分表測量，修后盤車完成時，只要百分表水平跳動值小于0.05 mm，即可認為抗磨環(huán)調(diào)整合格。

采用盤車法測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平伴隨著機組修后盤車過程同時進行，盤車前對抗磨環(huán)內(nèi)外側(cè)各劃分N個測點，并在抗磨環(huán)上表面內(nèi)、外側(cè)分別架設(shè)一個百分表，兩測量百分表針間距為d，具體位置如圖2所示。機組盤車過程及時記錄8個方向上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承處百分表讀數(shù)和推力軸承合像水平儀讀數(shù)，以及抗磨環(huán)各測點處百分表讀數(shù)。上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承處百分表讀數(shù)表示盤車時主軸的絕對擺度，推力軸承處合像水平儀讀數(shù)代表鏡板水平值，要求各部軸承擺度值小于0.05 mm，鏡板水平值小于0.02 mm/m。

由于百分表表座安放于機組固定部分，抗磨環(huán)安裝在轉(zhuǎn)動部件上，盤車時抗磨環(huán)跟隨主軸做圓周運動時，兩個百分表分別記錄內(nèi)、外側(cè)各測點處讀數(shù)，內(nèi)側(cè)讀數(shù)記為外側(cè)讀數(shù)記為，其中 k 取 1、2、…、N。

據(jù)盤車過程推力軸承處合像水平儀讀數(shù)計算出板水平值b1和與X軸夾角α，在抗磨環(huán)百分表初始測量點處使用合像水平儀測量內(nèi)、外側(cè)水平值b2，則抗磨環(huán)在此位置內(nèi)、外側(cè)高差Δg：

外側(cè)測點高程Gwk：

3 誤差分析及應(yīng)用

3.1 盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法誤差分析

1)盤車過程中上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承處主軸擺動值均要求小于0.05 mm，機組水導(dǎo)軸承和上導(dǎo)軸承百分表架設(shè)處高程差值為13.23 m，因此主軸擺度對抗磨環(huán)內(nèi)、外側(cè)水平可能最大影響值為0.008 mm/m，此誤差可通過優(yōu)化盤車工藝減小。

2)測量和讀數(shù)誤差。包括推力軸承處合像水平儀誤差，抗磨環(huán)處百分表誤差和合像水平儀誤差。減小此誤差方法為使用高精度、檢驗合格的測量工器具；由熟練人員測量、記錄；保證合像水平儀放置平穩(wěn)，接觸面無高點和毛刺；百分表架設(shè)過程中盡量保證表座穩(wěn)固。

3)抗磨環(huán)剛性不足，導(dǎo)致抗磨環(huán)各測點加墊銅皮后影響鄰近測點高程，此誤差雖然無法消除，但其對整體水平值影響較小。

4)抗磨環(huán)各分半面有錯牙導(dǎo)致盤車時抗磨環(huán)上百分表跳動，盤車一圈后百分表無法回零，需要在盤車前處理錯牙，并對數(shù)據(jù)進行處理，從而減小此項誤差的影響。

3.2 盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法應(yīng)用

盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法在葛洲壩電站水輪發(fā)電機組改造增容項目主軸密封安裝過程中廣泛應(yīng)用，表1為6臺機組改造后主軸密封充水試驗浮動環(huán)四個方向的浮動量，其中4F、7F、11F、16F為哈爾濱電機廠設(shè)計、制造（簡稱哈電機組），12F和21F為東方電機廠設(shè)計、制造（簡稱東電機組）。由于改造后哈電機組主軸密封中彈簧彈性系數(shù)大于東電機組彈簧，導(dǎo)致哈電機組浮動環(huán)浮動量相對東電機組普遍偏小，但各機組浮動環(huán)均正常浮起，各方向浮動量較均勻，均能形成水膜，在機組正常運行時提供工作密封作用。這說明盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平法成功應(yīng)用于水輪機自補償型軸向端面主軸密封的安裝。

表1 盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法應(yīng)用葛洲壩電站機組主軸密封改造結(jié)果

4 結(jié)語

葛洲壩電站水輪發(fā)電機組水輪機改造增容將主軸密封中工作密封由雙層平板橡膠密封結(jié)構(gòu)改造為自補償型軸向端面密封結(jié)構(gòu)，主軸密封抗磨環(huán)安裝中創(chuàng)新性采用盤車測量并調(diào)整水平方法解決抗磨環(huán)調(diào)平工作量大，精度低的難題，大大縮短檢修工期，安裝后充水試驗浮動環(huán)上浮正常，機組運行期間主軸密封工作正常，改造后密封圈磨損量需要在機組后續(xù)運行過程中持續(xù)監(jiān)測。

[1]秦巖平，陶吉全，馬明.葛洲壩電站水輪機主軸密封改造及運行情況分析[J].水電與新能源，2015（1）：66-68.

[2]牟官華.應(yīng)用卡耶里（CAYERE）方法測量聯(lián)接法蘭面水平[J].水電站機電技術(shù)，2006（3）：5-7.

[3]肖剛，祁英明.淺談水輪發(fā)電機盤車調(diào)水平技術(shù)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（25）：101-102.