葛洲壩電站主軸密封水平和間隙調(diào)整

葉文波，萬乾鈺，黃 奎，成傳詩，楊豆思，王永業(yè)

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

在對葛洲壩電站增容改造過程中，對原主軸密封進行了改造換型[1]，將主軸密封的工作密封由原來的雙平板橡膠密封改為新型自補償端面密封[2]。

1 主軸密封的形式及工作原理

水輪發(fā)電機組在運行過程中，蝸殼中的江水通過轉(zhuǎn)輪與下導流錐的間隙經(jīng)缸體及缸體護罩之間的間隙滲透到主軸及主軸護罩之間間隙處進入工作密封渾水腔。工作密封通過對抗磨板和密封圈注入壓力水，形成水膜，防止江水進入水車室。通過浮動環(huán)與水輪機主軸之間的間隙匯集的水進入水箱自流排入下導流錐，再通過頂蓋泵抽走。工作密封的作用是防止轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的壓力水從轉(zhuǎn)輪與頂蓋之間滲漏到頂蓋內(nèi)，造成水淹水導軸承，影響機組安全穩(wěn)定工作同時也對密封塊起到潤滑，達到減小其磨損的效果。

水輪機主軸密封位于下導流錐內(nèi)，在水導軸承下方，工作密封安裝在主軸護罩上方，檢修密封在主軸護罩側(cè)面。

水電站主軸密封按工作方式分為工作密封和檢修密封。

檢修密封是水輪機停機或工作密封檢修時的一種密封，防止尾水位較高時倒灌進入頂蓋內(nèi)。其工作原理是在機組停機或檢修時，對密封充壓縮空氣，充氣氣壓一般在0.4～0.8MPa，堵住轉(zhuǎn)動部件與固定部件之間的間隙，防止尾水由于其水位較高發(fā)生倒灌所設(shè)的密封[3]。按其結(jié)構(gòu)形式可以分為空氣圍帶式、機械式，但在實際中大多數(shù)運用空氣圍帶式檢修密封[4]。機組啟動、運行時，為避免主軸和空氣圍帶之間的摩擦，必須保證空氣圍帶已撤除，撤除方式為排掉壓縮空氣，使空氣圍帶與主軸之間保持2mm左右的間隙。檢修密封為空氣圍帶式密封，主要由空氣圍帶、圍帶底座、圍帶蓋及其供氣、排氣裝置組成。

水輪機工作密封按照結(jié)構(gòu)形式可以分為非接觸式、接觸式和組合式，接觸式分為軸向和徑向，軸向密封又可分為自補償式和平板式。由于雙平板密封結(jié)構(gòu)容易受工況、水質(zhì)影響，平板磨損后無法進行自補償，維護與檢修成本的增加等原因，故葛洲壩電站將雙平板密封更換成了自補償性軸向端面密封[4]。

2 工作密封的結(jié)構(gòu)及封水原理

工作密封的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上蓋板、水箱、上蓋、浮動環(huán)、密封箱、抗磨板、密封塊、潤滑水管、彈簧等主要部件組成。

抗磨板通過內(nèi)六角螺栓固定在主軸護罩上，隨主軸轉(zhuǎn)動，而密封塊固定在浮動環(huán)上，為固定部件，機組運行時，通過供水管路向抗磨板和密封塊投入清潔水，清潔水的壓力大于涌入的江水的壓力，通過浮動環(huán)自重、彈簧彈力、密封水壓等各力的平衡在浮動環(huán)和密封塊之間形成0.05～0.10mm厚的水膜，起到很好的密封和潤滑作用。

圖1 工作密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The structural diagram of the working seal

3 抗磨板水平測量方法

3.1 盤車端跳法

根據(jù)架設(shè)在抗磨板上百分表顯示的各測點的端跳值來調(diào)整抗磨板的水平，具體調(diào)整方法為加銅墊（測點部位偏高）或者打磨主軸護罩（測點部位偏低），盤車開始時百分表需調(diào)零，盤車結(jié)束時百分表回零，所測的數(shù)據(jù)才有效，理論上抗磨板分度圓上測點數(shù)據(jù)越多，測得的水平值越精準，所以如果要將抗磨板水平調(diào)到0.05mm以內(nèi)，必須設(shè)置足夠多的測點，但是測點太多則效率太低[5]。

3.2 卡耶里法

以抗磨板為測量平面，在抗磨板上定義一個分度圓，以這個分度圓上任意一點為基準，以合相水平儀的長度為相鄰兩測點之間的弦距。通過抗磨板直徑確定定義在上面的分度圓直徑，將分度圓等分為N等份，每等分弦長為合相水平儀的長度，分度圓直徑、分度圓份數(shù)、合相水平儀長度之間的關(guān)系為：

式中N——分度圓等份數(shù)；

L——合相水平儀長度；

D——抗磨板分度圓直徑。

根據(jù)抗磨板分度圓直徑D為1881mm，合相水平儀的長度L為165mm計算出測量點數(shù)為35，以合相水平儀測量后一點相對前一點的值，乘以合相水平儀的長度即為后一點相對前一點的高差。所測數(shù)據(jù)用matlab軟件擬合進行調(diào)整[6]。

此方法要求所測平面為一個整體，但是抗磨板為分瓣組合起來的，組合縫存在端跳，此處測得的數(shù)據(jù)會失真。

3.3 端跳卡耶里法

為了提高效率的同時保證抗磨板的水平，結(jié)合端跳法和卡耶里法的優(yōu)點，按卡耶里方法取點，以百分比監(jiān)測這些測點的水平和分瓣抗磨板的端跳，并記錄數(shù)據(jù)。盤車完成后，再以合相水平儀測這些測點的水平進行輔助校核。

4 主軸密封的調(diào)整過程

4.1 安裝流程

抗磨板預裝→密封圈預裝→抗磨板安裝→密封圈安裝→盤車測抗磨板端跳→空氣圍帶安裝→密封箱安裝→上蓋及彈簧安裝→水箱及供水管路安裝→充水檢查及壓力試驗。

4.2 抗磨板水平調(diào)整

以合相水平儀的長度為間距，水平儀的端點為標準布置測點，在抗磨板內(nèi)、外圈架設(shè)百分表，如圖2所示。內(nèi)外圈各35個測點，其中，組合縫測點為：1號點、8號點、15號點、22號點、29號點，由于組合縫的存在這些點會產(chǎn)生端跳突變，故一個測點要記錄兩個端跳值。測點標記完成后進行盤車，記錄抗磨板測點端跳值，第一圈盤車后抗磨板端跳數(shù)值散點圖如圖3所示。

從曲線可以看出：第一塊抗磨板的水平度幾乎都在0.10mm以內(nèi)，基本滿足要求；第二塊和第三塊抗磨板過高，8號點到10號點打磨0.05mm，10號點到22號點需打磨0.1mm，由圖可知，應(yīng)將內(nèi)圈比外圈多磨0.1mm；第四塊抗磨板26號點到29號點需加銅墊；第五塊抗磨板外圈需加0.05mm銅墊。

圖3 第一圈盤車抗磨板端跳散點圖Fig．3 The scatter diagram of the Facing Plate for the first barring

圖2 抗磨板測點布置示意圖Fig．2 The schematic diagram of the test point arrangement of the Facing Plate

按照上述方法反復調(diào)整抗磨板，最終結(jié)果如圖4所示。從散點圖可以看出，各個測點的最大、最小高度差小于0.07mm，故整體的水平度為0.035mm/m小于0.05mm/m（抗磨板的直徑為2000mm）。雖然抗磨板整體水平度滿足要求，存在測點內(nèi)外圈高度差比較大：具體見表1。

抗磨板內(nèi)外圈存在高差明顯的測點，分析其原因：

（1）主軸護蓋在內(nèi)六角螺栓緊固力的作用下產(chǎn)生局部變形使得與抗磨板接觸的工作面不是完全水平。

（2）抗磨板分瓣使得各瓣抗磨板之間存在高度和水平差。

表1 抗磨板水平度Tab. 1 The levelness of the wearing ring

圖4 第九圈盤車抗磨板端跳散點圖Fig．4 The scatter diagram of the Facing Plate for the ninth barring

（3）抗磨板在吊裝、移動過程中產(chǎn)生變形。

（4）機組在盤車的過程中，其水平會有一些不同程度的波動。

5 密封圈間隙調(diào)整

抗磨板水平度調(diào)整合格后，保證抗磨板不動，人工旋轉(zhuǎn)浮動環(huán)和密封圈90°，測一次間隙；再旋轉(zhuǎn)180°，測一次間隙，如果間隙相對于抗磨板不動，則說明抗磨板調(diào)整不合格，存在局部高點或者凹坑，需要重新調(diào)整；如果間隙隨著浮動環(huán)和密封圈一起旋轉(zhuǎn)，則此間隙是由于密封圈本身工件水平度引起，通過在密封圈和浮動環(huán)之間加墊的方法來調(diào)整抗磨板與密封圈之間的間隙，調(diào)整標準為間隙值小于0.10mm，允許局部存在0.10mm間隙，總長度小于150mm。

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

（1）端跳盤車法調(diào)整抗磨板水平度能夠連續(xù)、較快地測量待測點相對基準點的高度值。

（2）抗磨板調(diào)整合格以后，為校核抗磨板是否調(diào)整合格，也為了能夠調(diào)整密封圈和抗磨板的間隙需再轉(zhuǎn)動密封圈。

（3）抗磨板調(diào)整耗時長，無論是加銅墊還是打磨主軸護罩，對一個測點水平度的改變會連帶影響另外測點的水平度。

（4）抗磨板內(nèi)外圈水平度調(diào)整比較復雜，因為其受主軸護罩水平、抗磨板分瓣影響。

6.2 建議

（1）安裝抗磨板前，檢測主軸護蓋水平度。

（2）緊固抗磨板和密封塊時使用力矩扳手，多個點同時對稱緊固。

[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）：66-67．QIN Yanping，TAO Jiquan，MA Ming．Vation of the hydroturbine shaft seal structures in gezhouba hydropower station[J]．Hydropower and New Energy，2015（1）：66-67．

[2] 賈利濤．葛洲壩電站新型工作密封安裝調(diào)整探索[J]．科學論壇，2015（11）：176-177．JIA Litao． Exploration of the installation and adjustment for new shaft seal in gezhouba hydropower station[J]． Scientific Research，2015（11）：176-177．

[3] 蔡偉．葛洲壩機組主軸密封結(jié)構(gòu)特點與改造工藝[J]． 工程創(chuàng)新導報，2011（27）： 92．CAI Wei． Structural characteristics and reform processof the shaft seal in gezhouba hydropower station[J]． Engineering and Technology Innovation Herald，2011（27） ：92．

[4] 徐玲．淺談水輪機主軸密封的幾種形式[J]． 決策管理，2008（13）：36．XU Ling． Preliminary opinion on several types of the water turbine main shaft seal[J]． Policy and Management，2008（13）：36．

[5] 孔祥力，嵇東雷，曹成高．葛洲壩電站主軸密封滑環(huán)水平測量、調(diào)整方法[J]．工程技術(shù)，2016，18：161-162．KONG Xiangli，JI Donglei，CAO Chenggao． The adjustment and measurement methods of the shaft seal in gezhouba hydropower station[J]．Engineering and Technology，2016，18 ：161-162．

[6] 牟官華．應(yīng)用卡耶里（CAYERE）方法測量連接法蘭面水平[J]．水電站機電技術(shù)，2006（29）：5-7．MOU Guanhua． The application of cayere in measuring the levelness of the joint flange[J]． Mechanical and Electrical Technical of Hydropower station，2006（29）：5-7．