橫山廟電站水輪機(jī)主軸密封改造

余正猛，劉 宇，余建軍

(1.四川玉溪河管理處橫山廟電站，四川 雅安 625100；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830)

1 概 述

橫山廟電站位于四川省雅安市名山區(qū)境內(nèi)，是玉溪河引水干渠配套工裎，是利用渠道落差發(fā)電的徑流式水電站。電站裝有2臺(tái)4 000 kW的立式混流式發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭40 m，設(shè)計(jì)流量11.9 m3/s，額定轉(zhuǎn)速375 r/min。

2 改造前主軸密封狀況

2.1 原主軸密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電站水輪機(jī)組原主軸密封結(jié)構(gòu)如下所示(見(jiàn)圖1)，為立式水輪機(jī)組主軸密封的典型結(jié)構(gòu)。

主軸密封座固定在頂蓋上靜止不動(dòng)，其U型槽內(nèi)裝有橡膠活塞，不銹鋼抗磨環(huán)固定于水機(jī)軸法蘭上端面。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，抗磨環(huán)隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，主軸密封座上進(jìn)水管工作水壓約為0.2 MPa，在該水壓作用下，橡膠活塞在U型槽內(nèi)向下移動(dòng)，其下端面與抗磨環(huán)上端面接觸形成一對(duì)摩擦副阻止漏水通過(guò)。在理想狀態(tài)下，橡膠活塞與旋轉(zhuǎn)的抗磨環(huán)間有薄薄的水膜起潤(rùn)滑作用，兩者磨損較小，能較長(zhǎng)時(shí)間起到密封止水的作用。

圖1原主軸密封結(jié)構(gòu)

2.2 原主軸密封運(yùn)行中存在的問(wèn)題

(1)在電站實(shí)際運(yùn)行中，該主軸密封常常出現(xiàn)密封失效的情況，特別是在豐水期，水流渾濁，泥沙含量較重，主軸密封漏水越來(lái)越嚴(yán)重；加之頂蓋自流排水不暢，曾因漏水大造成水導(dǎo)軸承油盆進(jìn)水，被迫停機(jī)搶修。

(2)在拆出抗磨環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其端面磨損嚴(yán)重，有較深的溝槽出現(xiàn)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)橡膠活塞端面也磨削成R形狀，必須更換抗磨環(huán)和橡膠活塞。

(3)出于安全運(yùn)行的考慮，當(dāng)水流太渾濁時(shí)，采用減小導(dǎo)葉開(kāi)度，降低機(jī)組出力，漏水也就減?。坏@樣只能延緩密封的磨損，當(dāng)流量減小可以單機(jī)運(yùn)行時(shí)再進(jìn)行主軸密封的檢修維護(hù)。

(4)在豐水期機(jī)組不能滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，或是停機(jī)搶修更換部件造成較大的發(fā)電損失。同時(shí)，由于水導(dǎo)軸承采用旋轉(zhuǎn)式上下結(jié)構(gòu)，主軸密封檢修維護(hù)工作量大，每次耗時(shí)需1周左右，檢修維護(hù)費(fèi)用也較高?？傊?，主軸密封漏水的問(wèn)題嚴(yán)重影響了轉(zhuǎn)動(dòng)油盆中水導(dǎo)軸承的安全運(yùn)行，也給電站造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

3 主軸密封改造方案

3.1 間隙式主軸密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為了徹底解決接觸止水密封易失效問(wèn)題，經(jīng)多方面考察了解，完全棄用原接觸式橡膠活塞密封，采用間隙式主軸密封(見(jiàn)圖2)。根據(jù)原主軸密封的空間位置，其徑向尺寸較小，軸向尺寸較大。新主軸密封主要由四大部分組合而成：轉(zhuǎn)動(dòng)密封座與轉(zhuǎn)動(dòng)密封圈構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)部分，與水輪機(jī)主軸和法蘭連接；固定在密封座與固定密封圈構(gòu)成固定部分，固定在水輪機(jī)頂蓋上。間隙式主軸密封的每一部分又采用兩半組合結(jié)構(gòu)。

圖2間隙式主軸密封

新主軸密封最大的特點(diǎn)是：

(1)在它們的內(nèi)圓或外圓上裝焊有左旋的不銹鋼葉片。

(2)這四大部分組合裝配成梳齒交錯(cuò)配合的形式，徑向配合間隙單邊為1 mm，軸向配合間隙為15 mm。為了減小停機(jī)時(shí)漏水,主軸密封增設(shè)有1套平板密封結(jié)構(gòu)，包括抗磨環(huán)、橡膠平板密封圈及壓板(見(jiàn)圖3)。

圖3已安裝完轉(zhuǎn)動(dòng)密封座、轉(zhuǎn)動(dòng)密封圈和固定密封座

3.2 間隙式主軸密封止水原理

間隙式主軸密封四大部分中，轉(zhuǎn)動(dòng)密封座與轉(zhuǎn)動(dòng)密封圈固定在主軸與法蘭上，機(jī)組運(yùn)行時(shí)隨主軸一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與它們有內(nèi)外圓配合關(guān)系的固定密封座、固定密封圈固定在頂蓋上，交錯(cuò)配合的梳齒結(jié)構(gòu)，有效地利用軸向空間，使得配合間隙的總長(zhǎng)度達(dá)500 mm，這個(gè)配合間隙被稱(chēng)為密封通道。這個(gè)密封通道也是漏水通道，停機(jī)時(shí)頂蓋上的漏水會(huì)通過(guò)這個(gè)間隙流出，靠平板密封可以減小漏水量。設(shè)計(jì)主軸密封時(shí)，漏水的進(jìn)口直徑大于漏水的出口直徑，機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)密封座與轉(zhuǎn)動(dòng)密封圈隨主軸一起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，間隙兩側(cè)的左旋葉片有阻止漏水通過(guò)的作用，阻止漏水通過(guò)間隙流出的作用大小用密封水壓來(lái)表示。同時(shí)，間隙中的漏水也隨主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的離心作用也有阻止漏水通過(guò)的作用。密封水壓的大小與間隙的參數(shù)有關(guān)，還與左旋葉片的參數(shù)有關(guān)。由于密封間隙只能大于水導(dǎo)軸承的間隙，為安裝方便通常將間隙設(shè)計(jì)為1 mm。密封水壓的大小只能靠間隙的長(zhǎng)度和左旋葉片的參數(shù)來(lái)確定。當(dāng)密封水壓大于頂蓋漏水水壓時(shí)，漏水軸承間隙不能通過(guò)密封圈的間隙，這種間隙式主軸密封就起到主軸密封的作用。

4 主軸密封改造的實(shí)施與效果

4.1 間隙式主軸密封加工與安裝

間隙式主軸密封采用幾部分組合結(jié)構(gòu)，每一部分由兩半把合以減輕重量，使得加工制造簡(jiǎn)易。左旋葉片采用焊接方式，經(jīng)過(guò)退火處理以消除應(yīng)力。間隙式結(jié)構(gòu)又使得現(xiàn)場(chǎng)安裝也方便。橫山廟電站1號(hào)新主軸密封的轉(zhuǎn)動(dòng)密封座抱緊于主軸，轉(zhuǎn)動(dòng)密封圈固定在原抗磨環(huán)的位置上，在原來(lái)固定主軸密封座的頂蓋位置上固定新密封的固定密封座，固定密封圈又與固定密封座把合在一起。安裝順序一般為：轉(zhuǎn)動(dòng)密封座，固定密封座，轉(zhuǎn)動(dòng)密封圈，固定密封圈，最后再安裝平板密封，現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中不需要其他輔助設(shè)備。

4.2 間隙式主軸密封使用效果

間隙式主軸密封的密封水壓可根據(jù)電站水頭高低以及頂蓋漏水壓力來(lái)確定，通常設(shè)定為頂蓋壓力的1.5倍，通過(guò)綜合設(shè)計(jì)密封間隙的長(zhǎng)度和左旋葉片的參數(shù)來(lái)達(dá)到該設(shè)定值。左旋葉片采用不銹鋼板，可確保密封間隙長(zhǎng)時(shí)間保持不變，這樣就使得間隙式主軸密封使用周期長(zhǎng)，通?？蛇_(dá)到4 a左右。新主軸密封靠水機(jī)主軸自身旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力帶動(dòng)密封轉(zhuǎn)動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)，不需要投入其他設(shè)備，在使用過(guò)程中免于維護(hù)，為電站的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了保障。橫山廟電站1號(hào)機(jī)主軸密封改造安裝完畢后即投入運(yùn)行，使用效果很好，開(kāi)機(jī)前一段時(shí)間機(jī)組轉(zhuǎn)速低有少量漏水，轉(zhuǎn)速到100 r/min后就沒(méi)有漏水了，在額定轉(zhuǎn)速下機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行為零泄漏，1號(hào)機(jī)組主軸密封改造達(dá)到了預(yù)期的效果。