九里溝水電站立式水輪機導軸承和主軸密封的技術改造探索

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局淠東干渠管理處，安徽 六安 237009)

九里溝水電站位于安徽省淠史杭灌區(qū)，利用淠河總干渠和淠東干渠的輸水落差發(fā)電，該站于2015年完成了水利部農(nóng)村水電增效擴容改造項目，裝有3臺JP502-LH-180水輪機。水輪機導軸承采用稀油潤滑巴氏合金筒瓦和轉動油盆結構，主軸采用盤根密封。

1 存在問題的原因分析

首臺機組安裝時，發(fā)現(xiàn)轉動油盆裝配極為困難。試運行時，主軸密封漏水嚴重，轉動油盆進水，被迫停機處理。九里溝水電站與主機生產(chǎn)廠詳細分析了原因，決定在后兩臺機組供貨前對水導軸承和主軸密封進行變更設計。改造前的水輪機導軸承和主軸密封結構如圖1所示。

圖1 改造前的水輪機導軸承和主軸密封結構

轉動油盆和筒瓦結構在水輪機導軸承上運用較為廣泛，屬比較成熟的設計。但九里溝水電站3臺機組均為小型水輪機，首臺機組設計時沒有充分考慮結構尺寸的限制，轉動油盆蓋的裝拆異常困難。轉動油盆安裝好以后，油盆蓋不能先安裝，否則，水導軸承座就放不下去了，必須先把水導軸承座組裝好放入轉動油盆，然后向上抬起約11cm，手從水導軸承座與支持蓋的把合面伸進去，盲操安裝轉動油盆蓋，實際操作空間不到10cm，且扳手轉動角度受限，每次只能轉30°左右，然后拔出扳手憑手感重新找準螺栓繼續(xù)緊固。一顆螺栓需半小時才能緊固，24顆螺栓，僅安裝轉動油盆蓋就需要兩天，工作效率極低，如果運行一段時間后螺栓生銹，可以預見這種操作環(huán)境根本無法拆卸。

盤根密封的設計同樣受到結構尺寸的限制。這種密封的效果取決于填料的壓緊程度，太松則漏水量太大，太緊則很快會燒毀填料使密封失效；而且運行一段時間后填料磨損，需要適度地緊固密封壓墊蓋。填料壓緊度的調整需要在機組轉動的條件下才能精確進行，但該機組在主軸密封安裝好以后，水導未安裝，不具備轉動調試條件；水導安裝到位后，主軸密封完全封在軸承下部，無法調整。因此，密封填料的松緊度只能憑運氣，全部安裝完畢后才能試車，如果調整不合適的話只能拆除水導重新調整，然后回裝試車，不行的話再次重復。如前所述，水導的設計不利于安裝，整個水導拆裝一遍需要5天，這就使盤根密封的調試費時費力，而且效果完全不可控。首臺機組投運僅1個月，就發(fā)生過2次密封填料燒毀和1次水淹水導的事故，運行中始終提心吊膽。

2 水導軸承的改造

水導軸承改造，首先需要解決轉動油盆蓋難以裝拆的問題，其次使盤根密封便于調試。對于前者，先后考慮了在支持蓋開操作孔和在水導軸承座開安裝孔的方法，使孔口對準油盆蓋螺栓，通過孔口進行裝拆。但油盆蓋螺栓達24個，開孔數(shù)過少，達不到預期效果，增加開孔數(shù)，又沒有足夠空間，且影響部件的結構強度。對于后者，水導軸承安裝到位后，就無法對下面的盤根進行任何調整，這是結構決定的，無法改變，于是考慮要延長盤根調整周期。采用的方法，一是將密封壓墊蓋的螺栓加長，中間套上不銹鋼彈簧，利用彈簧補償壓緊行程，但這種尺寸的彈簧力度遠遠不夠，起不到補償作用；二是更換更耐磨、潤滑特性更好的填料，分別試用了石墨、芳綸和四氟材料的盤根填料，但由于不能在運轉中調試，效果均不理想。在多次嘗試失敗后，決定轉變思路。

九里溝水電站發(fā)電用水來自大別山水庫，常年保持為Ⅱ類水質，技術供水安裝有濾水器，水質好，泥沙少，有這樣得天獨厚的條件，如果把水導改成水潤滑軸承，就可以取消轉動油盆，也就不怕水導進水了，上述問題便迎刃而解。如果采用多年前已廣泛使用的水潤滑橡膠瓦，軸承結構改動較大，且其承載力和運行穩(wěn)定性不如巴氏合金瓦。

如果使用其他材料，以水為潤滑劑有三個問題：一是水的黏度很低,在瓦面和軸頸之間不容易產(chǎn)生水膜層,尤其是轉速低、負荷大時更不容易形成；二是現(xiàn)有的巴氏合金不具備自潤滑性，一旦水膜形成不良或不穩(wěn)定時,軸瓦會與軸頸產(chǎn)生干摩擦而導致燒瓦；三是水對軸承系統(tǒng)有銹蝕作用。經(jīng)查閱相關資料，并與推力瓦(使用彈性金屬塑料瓦)生產(chǎn)廠家聯(lián)系得知，該公司研制的水潤滑軸瓦,是一種瓦面材料為聚四氟乙烯的彈性金屬塑料瓦,它解決了水膜的形成、干摩擦時的自潤滑性和銹蝕等難題，而且可以用原巴氏合金瓦的瓦基，經(jīng)釬焊、布置金屬絲墊和澆筑改性聚四氟乙烯而成為水潤滑軸瓦，原軸承座和各部位安裝尺寸均未改變，這樣改動小、造價低、工期短。水潤滑彈性金屬塑料瓦的主要技術性能見表1，其與巴氏合金瓦的摩擦系數(shù)和摩擦功耗對比見表2。

表1 水潤滑彈性金屬塑料瓦主要技術性能

表2 水潤滑彈性金屬塑料瓦與巴氏合金瓦摩擦系數(shù)和摩擦功耗對比

水導瓦改成水潤滑彈性金屬塑料瓦后，取消了轉動油盆結構，上油盆可拆除冷卻器直接改成水箱，原冷卻水改成軸承潤滑水。經(jīng)校核，潤滑水流量要求不小于1.2m3/s，原冷卻水設計流量為4.8m3/s，完全滿足需要。

3 主軸密封的改造

原主軸密封位于水導下方，調整和維修需拆卸水導，也不具備帶水調試的條件；盤根密封沒有自補償性能，維護周期短。水導改成水潤滑軸承后，可將密封位置上移到水導上方。原上油盆拆除冷卻器后，空間足以布置密封結構，可把密封裝在潤滑水(原冷卻水)進口上方，這樣，在密封和水導軸承之間就形成了一個壓力水箱，保證了潤滑水具有必要的壓力和流量。有自補償性能的主軸密封，常用的有橡膠平板密封和活塞式端面水壓密封，九里溝電站在增效擴容改造前均使用過。相比較而言，活塞式端面水壓密封結構較為復雜，加工和安裝精度要求高，還容易卡阻；橡膠平板密封結構簡單，運行穩(wěn)定，效果較好。因此，決定使用單層平板密封。

4 改造中要注意的問題

水導軸承和主軸密封結構改造后，其結構發(fā)生了很大變化,見圖2。

圖2 改造后的水輪機導軸承和主軸密封結構

水導部分仍使用原來的軸承座，僅更換了水潤滑水導瓦(兩瓣筒瓦結構)，通過固定螺栓與水導軸承座固定；轉動油盆相關部件全部拆除，上油盆內的冷卻器也全部拆除，原水導下方的盤根密封拆除，為防止水大量涌入機坑，要將支持蓋腰形孔(見圖1)用鋼板封堵。主軸密封部分由轉動環(huán)、不銹鋼抗磨環(huán)(與轉動環(huán)焊接在一起)、壓板、橡膠平板和密封底座構成，密封底座直接焊在原上油盆的內壁。

改造中要注意的問題：一是水潤滑水導瓦對技術供水水質要求較高，一般要求裝設濾水器；如水中泥沙含量大，要靜置后才能使用。二是軸頸要做防銹處理。一般可將與軸瓦摩擦段鑲焊不銹鋼襯套，既能保護大軸，又能延長軸承使用壽命。三是軸承運行時，要保證潤滑水箱充滿水，如水箱內水量不足，水導瓦和密封平板都可能因缺水而形成干摩擦，影響使用壽命。機組啟動前，技術供水泵要先啟動，使?jié)櫥涑渌⒔毫?，運行中也要始終監(jiān)控水箱水壓?？稍跐櫥M水管處安裝一個電接點壓力表或壓力傳感器，當水壓低于設定值時用于潤滑水中斷的報警或停機。四是橡膠平板無需開模澆筑，使用5～10mm厚的橡膠板裁剪即可，使用平面橡膠輸送帶則耐磨性更佳。橡膠板厚度根據(jù)技術供水壓力確定，壓力大可選稍厚的，壓力小可選稍薄的。先按尺寸要求剪出一個橡膠圓環(huán)，然后將圓環(huán)的一邊剪開，以便套入主軸。剪短時切口不要豎直，沿主軸旋轉方向成30°～45°角，套入主軸后，用強力膠將切口黏合即可。九里溝電站增效擴容前使用的澆筑式橡膠平板為兩瓣結構，接頭處有梳齒結構防滲漏，但訂貨困難，需要開模，生產(chǎn)周期長。上面介紹的方法經(jīng)實踐檢驗，完全可行，材料隨處可取，方法簡便易行，只要保證潤滑水，其磨損很小。九里溝水電站2號機使用10mm厚度的輸送帶橡膠，已運行數(shù)千小時，磨損量不到1mm，使用一個大修周期沒有問題，而且更換極其方便。五是轉動環(huán)必須有定位銷。如圖2所示 ，轉動環(huán)和不銹鋼抗磨環(huán)是分兩半把合的，加工時用固定螺栓把合好，打定位銷，然后加工不銹鋼抗磨環(huán)的摩擦面。安裝時先用定位銷將兩半轉動環(huán)定位，再用固定螺栓把合。如果無定位銷，安裝時很難使不銹鋼抗磨環(huán)重新把合成加工時的平面，兩半的結合處會出現(xiàn)臺階，切割橡膠平板造成異常磨損，且漏水量大增。六是橡膠平板與不銹鋼抗磨環(huán)之間的安裝間隙以0.50～0.80mm為宜，這個間隙在機組停止時不會引起大量漏水，轉動時容易形成水膜。安裝時兩者之間放一把0.50mm的塞尺即可。七是壓板與不銹鋼抗磨環(huán)的間隙要盡量小。九里溝水電站的機組目前按單邊3mm設計。最初改造時，未注意這一問題，壓板較窄，使得其與抗磨環(huán)間隙約40mm，使用一個月橡膠平板即被磨穿。檢查發(fā)現(xiàn)由于這一間隙過大，在水壓作用下該處橡膠平板翹曲拱起，與抗磨環(huán)接觸面減小，形成抗磨環(huán)外沿對翹曲處的橡膠平板的切割效應(如圖3所示)。間隙減小后，不會形成有害翹曲，保證了使用壽命。

圖3 橡膠平板變形示意圖

5 結 語

九里溝水電站對水輪機導軸承和主軸密封改造完成后，已安全運行三年，初步驗證了改造方案的可行性、可靠性和經(jīng)濟性。采用水潤滑彈性金屬塑料瓦代替稀油潤滑巴氏合金瓦對立式水輪機進行技術改造，在國內尚不多見。與巴氏合金瓦相比,它徹底省去了原有的油潤滑系統(tǒng),降低了運行成本；避免了油脂對河流的污染,利于環(huán)境保護；無水導進水之虞，運行安全穩(wěn)定；結構簡單，大大減少了檢修工作量。與橡膠瓦相比，它克服了橡膠瓦彈性模量低，變形大，穩(wěn)定性差，易磨損、易燒瓦，承載力差、易老化等缺點。對具備技術供水水質條件的小型立式機組，值得推廣。用單層橡膠平板對主軸密封的改造，結構簡單，取材方便，漏水量小，維護周期長，以九里溝水電站的運行環(huán)境進行比較，明顯優(yōu)于盤根密封和活塞式端面水壓密封，可供其他電站參考。

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