清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)主軸密封設(shè)計(jì)探討

劉 旸，宋 翔，熊建平

[東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016]

0 引言

水泵水輪機(jī)主軸密封是保障抽水蓄能機(jī)組連續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件之一，應(yīng)有良好的封水性和封氣性。一方面，發(fā)電和抽水工況時(shí)，主軸密封用以減少或防止流道水從主軸與頂蓋之間間隙泄漏到機(jī)坑內(nèi)，防止水淹水導(dǎo)的事故發(fā)生；另一方面，水泵壓水啟動(dòng)和調(diào)相運(yùn)行時(shí)，主軸密封用以防止密封腔內(nèi)的壓縮空氣直接從主軸與頂蓋之間間隙泄漏到機(jī)坑內(nèi)，保證工況之間的正常轉(zhuǎn)換。主軸密封的好壞直接關(guān)系到機(jī)組的運(yùn)行安全、檢修周期及電站經(jīng)濟(jì)效益。因此，水泵水輪機(jī)主軸密封的設(shè)計(jì)、制造及安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要非常重視。

目前抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)常用的主軸密封形式有自補(bǔ)償端面密封和自補(bǔ)償徑向密封兩種，考慮了水泵水輪機(jī)主軸密封的運(yùn)行條件復(fù)雜，為了保證密封面在各種復(fù)雜工況變化時(shí)具有良好配合，結(jié)合清遠(yuǎn)抽水蓄能電站高水頭（高揚(yáng)程）、高轉(zhuǎn)速、密封線速度較高的特點(diǎn)，東芝水電在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站選用了東芝公司在抽蓄電站有豐富運(yùn)行業(yè)績及經(jīng)驗(yàn)的自補(bǔ)償徑向主軸密封結(jié)構(gòu)形式。

1 水泵水輪機(jī)基本參數(shù)及密封基本條件

水輪機(jī)工況：最大水頭502.7m；額定水頭470m；最小水頭440.4m；額定轉(zhuǎn)速428.6r/min；飛逸轉(zhuǎn)速690r/min；額定出力326.5MW；額定流量77.65m3/s。水泵工況：最高揚(yáng)程509.1m；最低揚(yáng)程450.7m；最大輸入功率331.0MW；最大流量51.76m3/s。

被密封介質(zhì)：水或空氣；被密封介質(zhì)壓力：0.75～1.10MPa；主軸密封供水壓力：0.85～1.20MPa；額定轉(zhuǎn)速時(shí)密封處線速度：23.56m/s；飛逸時(shí)密封處線速度 ：37.93m/s。

2 主軸密封工作原理

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)自補(bǔ)償型徑向密封由主軸抗磨環(huán)、三道工作密封環(huán)及彈簧組成，第一道密封環(huán)為樹脂密封環(huán)，之后兩道密封環(huán)為碳精密封環(huán)，如圖1所示。

圖1 徑向密封三維圖Fig.1 Radial main shaft seal three-dimensional modeling

其工作原理是：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，三道密封環(huán)在彈簧力作用下與主軸抗磨環(huán)之間保持一定的徑向壓力，密封潤滑清潔水在三道密封環(huán)與主軸抗磨環(huán)之間形成一層均勻的水膜，保持“非接觸式”密封，有效地阻止流道被密封水壓腔的壓力水或壓縮空氣流入頂蓋中，達(dá)到良好的封水、封氣效果。

具體描述如下，流道內(nèi)的壓力水通過轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙進(jìn)入轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間形成的空腔內(nèi)，然后通過主軸和頂蓋之間的間隙流到主軸密封支撐座下方被密封水壓腔。樹脂密封環(huán)及兩道碳精密封環(huán)在彈簧力的作用下，始終受到一個(gè)指向軸心的徑向力，壓在主軸抗磨環(huán)上。當(dāng)在密封箱內(nèi)注入帶壓力的潤滑清潔水時(shí)，清潔水通過密封環(huán)的密封腔進(jìn)入密封環(huán)和抗磨環(huán)之間。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，兩者之間形成水膜潤滑的摩擦副，水膜厚度一般在0.04～0.10mm之間比較適宜。由于彈簧力作用，潤滑水膜的厚度不隨密封磨損而變化，這樣一方面保證了密封環(huán)與主軸抗磨環(huán)不直接接觸，避免密封環(huán)快速磨損。另一方面，潤滑清潔水的壓力要求始終保證略大于被密封水壓腔水壓力，使清潔水一部分通過密封間隙流入頂蓋，并使得流入頂蓋的漏水量處于一個(gè)合適的水平；另一部分清潔水流入被密封水壓腔，以確保泥沙不會(huì)進(jìn)入密封環(huán)與抗磨環(huán)的摩擦面。潤滑清潔水同時(shí)用于冷卻摩擦面，減小密封環(huán)發(fā)熱導(dǎo)致的磨損。

為了保證密封環(huán)受力平衡，保持潤滑水壓力與彈簧力平衡，彈簧設(shè)置的工作范圍在最優(yōu)彈性區(qū)間內(nèi)，同時(shí)在每瓣密封環(huán)與主軸抗磨環(huán)配合的工作面設(shè)置了一個(gè)合適的角度。該處受力如圖2所示。密封腔與密封工作面傾角示意如圖3所示。

圖2 密封環(huán)受力簡圖Fig.2 Force diagram of seal ring

圖3 密封腔與密封工作面傾角示意Fig.3 Inclination angle diagram of seal chamber and seal face

主軸密封潤滑清潔水取自尾水肘管頂部，經(jīng)過離心泵加壓和濾水器過濾，直通主軸密封箱內(nèi)。由于廠房海拔低于最低尾水位，所以進(jìn)水球閥關(guān)閉、機(jī)組不運(yùn)行時(shí)，主軸密封依然能得到來自尾水壓力的潤滑水，只有在機(jī)組運(yùn)行時(shí)才需要啟動(dòng)離心泵投入加壓后的潤滑水。

主軸密封潤滑清潔水從中層密封腔進(jìn)入，向上、下密封腔流動(dòng)。通過調(diào)整主軸密封供水管路上的閥門開度，使得最上層密封腔壓力最??；中層密封腔（即主軸密封供水腔）壓力最大；下層密封腔（即被密封水）壓力中等，略大于被密封水壓力，這也是這種自補(bǔ)償型徑向主軸密封結(jié)構(gòu)最理想的工作狀態(tài)，可以延長密封環(huán)使用壽命。

3 主軸密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主軸密封主體采用不銹鋼整鑄而成，結(jié)構(gòu)緊湊，不設(shè)置排水箱，密封漏水直接排至頂蓋，并通過固定導(dǎo)葉自流排水孔及排水管排至集水井。主軸密封有三道密封環(huán)與抗磨環(huán)構(gòu)成摩擦副。主軸密封結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 主軸密封結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Main shaft seal structure diagram

3.1 摩擦副材料選擇

密封摩擦副作為密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，材料的選用及可靠性是關(guān)注的重點(diǎn)。

主軸抗磨環(huán)安裝在主軸上，采用強(qiáng)度高、耐磨蝕性能良好的馬氏體不銹鋼板制造，其硬度高于樹脂密封環(huán)及碳精密封環(huán)，所以優(yōu)先磨損的是密封環(huán)，能有效延長抗磨環(huán)的使用壽命，當(dāng)主軸密封使用磨損到一定程度時(shí)，僅需對(duì)密封環(huán)進(jìn)行更換，方便檢修。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站主軸密封額定轉(zhuǎn)速時(shí)密封處線速度為23.56m/s，屬于一個(gè)較高水平，非正常工作條件下容易導(dǎo)致密封環(huán)磨損快的情況發(fā)生。合同規(guī)定工作密封至少運(yùn)行18000h不用更換，為了延長碳精密封環(huán)使用壽命，在兩道碳精密封環(huán)前設(shè)置了一道樹脂密封環(huán)，可以起到良好抗腐蝕和抗泥沙磨損的作用，在密封清潔水壓異常時(shí)盡可能避免泥沙進(jìn)入碳精密封環(huán)，有效地保護(hù)碳精密封環(huán)，延緩碳精密封環(huán)磨損。

碳精具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐高溫、耐腐蝕、自潤滑性能，并且具有熱膨脹系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好、硬度較低的特點(diǎn)，是一種良好的密封環(huán)材料。

碳精密封在清水中的損耗非常少，但抗泥沙磨蝕的能力非常弱，所以保證摩擦副的潤滑水質(zhì)也是至關(guān)重要的，因此需要選擇高精度濾網(wǎng)。采用兩道碳精密封環(huán)的目的是為了提高主軸密封可靠性，即使一道碳精密封環(huán)出現(xiàn)異常狀態(tài)，剩余的一道碳精密封環(huán)還可以起到密封作用，不會(huì)發(fā)生因密封失效而突然漏水量過大的情況，使電站有足夠的時(shí)間可以對(duì)密封進(jìn)行處理。

3.2 密封環(huán)相關(guān)設(shè)計(jì)

為了方便密封環(huán)制造和安裝，并使密封環(huán)運(yùn)行過程中及時(shí)得到冷卻、密封環(huán)磨損后具有自補(bǔ)償能力，碳精密封環(huán)和樹脂密封環(huán)分為多瓣制造，每瓣密封環(huán)之間安裝了止動(dòng)塊止動(dòng)，止動(dòng)塊與每瓣密封環(huán)之間單邊留有1mm的間隙，機(jī)組運(yùn)行時(shí)每瓣密封環(huán)的周向轉(zhuǎn)動(dòng)就限制在1mm范圍內(nèi)，密封環(huán)1mm間隙中通過的清潔水能帶走密封環(huán)產(chǎn)生的熱量，達(dá)到冷卻、散熱目的。通過彈簧的作用力確保密封環(huán)徑向受力均勻的同時(shí)，不會(huì)因機(jī)組工況的突然變化而產(chǎn)生較大的位移造成漏水量突然增大，同時(shí)又給密封環(huán)磨損后自動(dòng)向內(nèi)調(diào)整留了足夠的余量，達(dá)到自補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

4 主軸密封制造、安裝及調(diào)試要點(diǎn)

工廠內(nèi)制造精度和現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量是保證主軸密封工作良好的關(guān)鍵。

為保證主軸密封的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，防止密封塊與抗磨環(huán)發(fā)生偏磨，工廠制造時(shí)需要對(duì)主軸密封的加工面的垂直度和平行度進(jìn)行精確控制?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軸系盤車時(shí)，需保證軸系盤車數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)規(guī)定的擺度范圍內(nèi)，防止機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主軸密封部位軸擺過大造成密封環(huán)偏磨。

現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需要對(duì)主軸密封相對(duì)于抗磨環(huán)的同心度進(jìn)行控制，保證主軸密封與抗磨環(huán)的間隙均勻，間隙值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

密封環(huán)安裝時(shí)需注意樹脂密封環(huán)和碳精密封環(huán)的安裝位置不能裝錯(cuò)，同時(shí)各密封環(huán)的正、反不能顛倒，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝。

調(diào)試過程中，需要及時(shí)記錄上、中、下三個(gè)密封腔壓力、主軸密封供水壓力及流量等數(shù)據(jù)，通過計(jì)算程序可以計(jì)算出當(dāng)前流量、壓力下的主軸密封工作狀態(tài)，從而在調(diào)試過程中對(duì)主軸密封工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估并做出相應(yīng)優(yōu)化。

主軸密封投入運(yùn)行后需特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）潤滑水質(zhì)：機(jī)組運(yùn)行時(shí)主軸密封潤滑水必須投入，防止密封環(huán)與抗磨環(huán)產(chǎn)生干磨而導(dǎo)致密封環(huán)、抗磨環(huán)嚴(yán)重磨損；潤滑水過濾精度不小于100μm，避免水中混入大的泥沙顆粒而延長密封環(huán)使用壽命。

（2）潤滑水壓：潤滑水壓力必須大于被密封腔壓力，防止流道中不清潔水進(jìn)入密封間隙而導(dǎo)致密封環(huán)、抗磨環(huán)快速磨損。

（3）水膜厚度：水膜厚度不應(yīng)小于0.04mm，避免密封環(huán)與抗磨環(huán)直接接觸而磨損；同時(shí)密封清潔水壓不宜過大，以避免頂蓋漏水量偏大。

5 密封環(huán)磨損測(cè)量及更換條件

5.1 密封環(huán)與抗磨環(huán)的初期磨合

當(dāng)機(jī)組首次運(yùn)行時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)安裝、主軸振動(dòng)、擺度等原因，密封環(huán)在運(yùn)行初期有個(gè)自適應(yīng)調(diào)整過程，在此期間密封環(huán)會(huì)有少量的磨損，但在彈簧彈力的作用下，密封環(huán)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償。自適應(yīng)過后密封環(huán)就基本不會(huì)產(chǎn)生磨損。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站2號(hào)機(jī)碳精密封環(huán)磨損量如圖5所示，可以很清楚地看出運(yùn)行初期有輕微磨損，運(yùn)行一定時(shí)間后基本無磨損。

5.2 密封環(huán)磨損量測(cè)量

主軸密封對(duì)兩道碳精密封環(huán)設(shè)置了磨損量檢測(cè)裝置，如圖6所示。

碳精密封環(huán)的磨損量可以通過測(cè)量螺栓的擰入長度變化值得到，方法為測(cè)量兩次停機(jī)后的測(cè)長螺栓接觸密封壓環(huán)時(shí)露出密封箱的長度L，兩者差值即為碳精密封環(huán)磨損量。

圖5 清遠(yuǎn)2號(hào)機(jī)碳精密封環(huán)磨損量（mm）Fig.5 Unit 2 of Qingyuan pumped storage power station carbon seal ring wear loss

圖6 碳精密封磨損量檢測(cè)裝置Fig.6 Wear loss detecting device of carbon seal ring

5.3 密封環(huán)更換判定標(biāo)準(zhǔn)

由于樹脂密封環(huán)設(shè)置位置的關(guān)系，無法直接設(shè)置磨損量測(cè)長螺栓。

實(shí)際上，密封環(huán)是否需要更換，需要通過漏入頂蓋的密封漏水量及碳精密封環(huán)的磨損量進(jìn)行綜合判定。如果頂蓋漏水異?；蛘咄ㄟ^測(cè)長螺栓判定碳精密封環(huán)磨損量達(dá)到設(shè)計(jì)指定要求，則應(yīng)考慮對(duì)主軸密封進(jìn)行檢修，并根據(jù)實(shí)際情況確定是否需要更換碳精密封環(huán)及樹脂密封環(huán)。

6 主軸密封運(yùn)行條件及效果

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)主軸密封運(yùn)行條件復(fù)雜：

（1）被密封水壓變幅大：電站發(fā)電運(yùn)行水頭在440.4～502.7m范圍內(nèi)變化，吸出高度達(dá)-66m，這使得主軸密封前被密封水壓腔壓力較高，并且壓力變化較大。

（2）工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜：機(jī)組工況復(fù)雜、啟停頻繁。電站運(yùn)行工況有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、停機(jī)等幾種工況，每天都要?dú)v經(jīng)約5次以上幾種工況，每種工況轉(zhuǎn)輪背壓側(cè)被密封腔壓力均會(huì)產(chǎn)生較大變化。在調(diào)相運(yùn)行過程中主軸密封被密封腔為空氣，抽水及發(fā)電運(yùn)行時(shí)主軸密封被密封腔為水。

（3）密封線速度高：機(jī)組順時(shí)針、逆時(shí)針雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，飛逸時(shí)密封處最大線速度可能高達(dá)37.93m/s。

（4）甩負(fù)荷調(diào)試要求高：調(diào)試階段機(jī)組經(jīng)歷了一臺(tái)、兩臺(tái)乃至四臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷，球閥動(dòng)水關(guān)閉等機(jī)組振動(dòng)較大的情況，對(duì)主軸密封的適應(yīng)性要求高。

（5）綜合以上嚴(yán)峻的密封工作條件，主軸密封需要具有良好的封水、封氣性能，能在極短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)被密封腔壓力的復(fù)雜變化，這對(duì)主軸密封設(shè)計(jì)是極大考驗(yàn)。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站采用的自補(bǔ)償型徑向密封，經(jīng)歷了上述嚴(yán)峻工況的考驗(yàn)，保證了良好的密封效果。例如：從1號(hào)機(jī)開始有水調(diào)試到四臺(tái)機(jī)全面投產(chǎn)，頂蓋側(cè)積水深度從未超過2cm，遠(yuǎn)未達(dá)到頂蓋排水泵的最低起泵水位；機(jī)組調(diào)試階段在發(fā)電調(diào)相和抽水調(diào)相熱運(yùn)行情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)輪室及尾水管充滿壓縮空氣時(shí)，保持尾水位的壓水供氣閥開啟次數(shù)屈指可數(shù)。尤其是4號(hào)機(jī)，在7小時(shí)的調(diào)相熱運(yùn)行過程中，壓水供氣閥僅開啟了一次，證明了整臺(tái)機(jī)組的密閉性極其優(yōu)秀。通過長時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)表明，自補(bǔ)償型徑向主軸密封的封水、封氣效果良好，密封環(huán)磨損量小，能達(dá)到預(yù)期的使用壽命。

7 主軸密封設(shè)計(jì)探討

自補(bǔ)償型徑向主軸密封成功應(yīng)用于高水頭、高轉(zhuǎn)速的清遠(yuǎn)、西龍池[2]等抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)主軸密封，這表明該形式主軸密封應(yīng)用值得推廣，并可在下述方面進(jìn)行探討：

（1）復(fù)雜工況轉(zhuǎn)換適應(yīng)性。

針對(duì)水泵水輪機(jī)發(fā)電、抽水、調(diào)相、開停機(jī)各種復(fù)雜工況以及被密封腔壓力變幅大的特點(diǎn)，自補(bǔ)償型徑向主軸密封能具有良好的適應(yīng)能力，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的封水、封氣性能，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）密封環(huán)自補(bǔ)償能力及冷卻效果。

密封環(huán)最終磨損、更換是必然的，但如何有效達(dá)成密封環(huán)長久使用的要求，在自補(bǔ)償型徑向主軸密封的密封環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需要考慮密封環(huán)采用分塊瓦式結(jié)構(gòu)，密封壓環(huán)在彈簧力作用下保持對(duì)密封環(huán)的壓緊力，使密封環(huán)磨損后能具備自補(bǔ)償功能，保證潤滑水膜變化相對(duì)穩(wěn)定、均衡；另一方面，應(yīng)充分考慮其運(yùn)行時(shí)密封環(huán)的冷卻、散熱效果，及時(shí)帶走運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量，盡可能減緩密封環(huán)、抗磨環(huán)的燒損，延長密封環(huán)、抗磨環(huán)使用壽命。實(shí)踐表明，通過密封環(huán)及相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)密封環(huán)良好的自補(bǔ)償功能及預(yù)期的冷卻效果。

（3）密封潤滑水及漏水量調(diào)整。

密封潤滑水應(yīng)保持清潔，并需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤滑水壓力及密封腔被密封水水壓，保證密封潤滑水壓力大于被密封水水壓。

由于密封潤滑水膜的厚度較難測(cè)定，很難保持在水膜厚度0.04mm的狀態(tài)，因此密封水壓實(shí)際設(shè)定可能比較高。這樣，主軸密封漏入頂蓋的漏水量可能較大，這應(yīng)該是允許的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮漏水偏大情況時(shí)漏水排出措施，杜絕水淹水導(dǎo)情況的發(fā)生，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

當(dāng)然，在密封環(huán)磨損正常范圍內(nèi)，如果漏水量異常偏大，可用調(diào)節(jié)密封潤滑水水壓的方式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（4）結(jié)構(gòu)緊湊及運(yùn)行穩(wěn)定性。

主軸密封不設(shè)置漏水箱而讓漏水直接排在頂蓋上，這樣可以減小主軸密封裝置的高度，從而可使水導(dǎo)軸承設(shè)置更靠近轉(zhuǎn)輪，結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)增強(qiáng)了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（5）制造及安裝調(diào)試控制。

在制造及安裝調(diào)試中嚴(yán)格把握設(shè)計(jì)目標(biāo)也是非常重要的，可避免密封環(huán)處于異常工作狀態(tài)，延長密封環(huán)的使用壽命。

8 結(jié)束語

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)主軸密封采用東芝公司成熟可靠的自補(bǔ)償型徑向主軸密封結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試方便，能適應(yīng)電站高水頭、高轉(zhuǎn)速、運(yùn)行工況復(fù)雜、啟停頻繁等嚴(yán)峻的工作條件。電站機(jī)組投運(yùn)后運(yùn)行結(jié)果表明，主軸密封達(dá)到了設(shè)備運(yùn)行要求的良好的封水、封氣效果，得到了設(shè)計(jì)院及業(yè)主的充分肯定。在今后高水頭、高轉(zhuǎn)速的抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)中，可以推廣使用這種自補(bǔ)償型徑向主軸密封。

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劉 旸（1990—），男，助理工程師，主要研究方向：水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。E-mail：liu.yang@toshiba-thpc.com