多泥沙水電站水輪發(fā)電機(jī)組主軸密封的應(yīng)用分析

柴正英　魏龍　安旭東

摘要：水輪發(fā)電機(jī)主軸工作密封裝設(shè)在水輪機(jī)頂蓋下部，是蝸殼內(nèi)過(guò)流動(dòng)水與頂蓋固定部分的有效止水部件。主軸密封的止水效果與工作性能直接影響到頂蓋泵的工作效率，進(jìn)而影響到水導(dǎo)軸承與發(fā)電機(jī)組能否正常工作。泥沙含量相對(duì)較大的水輪發(fā)電機(jī)組電站，主軸密封工作環(huán)境對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能提出了新的要求。青銅峽水電站位于黃河中上游，每年汛期長(zhǎng)達(dá)6-9個(gè)月，汛期機(jī)組運(yùn)行期間泥沙含量高達(dá)30kg/立方米，是典型的高泥沙含量過(guò)水電站。歷年來(lái)電站先后采用改良雙層平板密封、立式浮動(dòng)密封、水壓端面密封等多種形式主軸密封。結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)、止漏效果，針對(duì)3種密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理等進(jìn)行了分析對(duì)比，對(duì)多泥沙電站水輪機(jī)主軸密封的選擇和使用提供實(shí)踐技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：泥沙含量大：水輪發(fā)電機(jī)組：立式浮動(dòng)密封

中圖分類(lèi)號(hào)：TK73

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）03-0076-02

0引言

青銅峽水電站位于黃河上游，是我國(guó)僅有的一座低水頭閘墩式水電站，電站水輪發(fā)電機(jī)組采用主軸密封對(duì)蝸殼工作動(dòng)水與頂蓋固定部分密封止水。作為水輪機(jī)動(dòng)水與固定部件止水的關(guān)鍵部件，其工作可靠性影響到輔助設(shè)備的安全和設(shè)備的檢修周期的長(zhǎng)短，直接關(guān)系到機(jī)組的正常運(yùn)行。青銅峽水電站每年汛期長(zhǎng)達(dá)6-9個(gè)月，期間河道過(guò)流泥沙量劇增，主軸密封工作環(huán)境惡劣，對(duì)主軸密封的性能提出了極大挑戰(zhàn)。

1主軸密封結(jié)構(gòu)形式工作原理

青銅峽電站先后采用三種形式主軸密封：水壓端面密封、立式浮動(dòng)密封和雙層平板密封。水輪機(jī)主軸工作密封作為轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定部件之間的止漏封水裝置，必須滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件止漏水量的要求，同時(shí)具有一定的抗磨性，滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。下面分別分析三種結(jié)構(gòu)型式主軸密封工作過(guò)程。

1.1雙層平板密封

雙側(cè)平板主軸密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙層平板主軸密封主要由底座、密封水箱、密封環(huán)、平板、壓板、蓋板以及各固定部分構(gòu)成。底座、水箱體固定在支持蓋上，上平板由螺栓緊固在水箱體上;密封環(huán)、下平板、上環(huán)板作為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。上下平板.為橡膠材質(zhì)，而抗磨板為不銹鋼材質(zhì)，機(jī)組工作時(shí)，主軸密封供水管路密封腔內(nèi)通入0.05～0.2MPa壓力清潔水，使得上下平板與抗磨面緊密結(jié)合，構(gòu)成密閉的清潔水壓力腔，阻止從蝸殼上水進(jìn)入腔體內(nèi)，并且對(duì)橡膠平冷卻、潤(rùn)滑。近年來(lái)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修安裝工作量大，且安裝空間較大，造成機(jī)組軸長(zhǎng)增加大幅提高了設(shè)計(jì)成本：實(shí)際使用中，當(dāng)水輪機(jī)組工況變化造成擺動(dòng)過(guò)大，或密封面接觸不良時(shí)會(huì)導(dǎo)致漏水量激增，水電站設(shè)計(jì)中已很少采用。

1.2水壓端面密封

水壓端面主軸密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該密封裝置由抗磨環(huán)、支撐底座、硬塑主軸密封塊、抗磨環(huán)、浮動(dòng)環(huán)及主軸密封供水管路構(gòu)成，密封水壓在0.05-0.2MPa之間，密封供水管路設(shè)有流量計(jì)和壓力表，當(dāng)水壓過(guò)低或中斷時(shí)，裝置告警。正常工作狀況，一定壓力的清潔密封水進(jìn)入位于轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)下部的密封水箱，將密封塊向上頂起，同時(shí)在密封塊上開(kāi)有4個(gè)均勻布置的小孔，清潔水可以通過(guò)小孔進(jìn)入密封塊和抗磨環(huán)中間，形成水膜。與上部隨水輪機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的抗磨換環(huán)緊密接觸，阻止蝸殼內(nèi)水輪機(jī)工作動(dòng)水由轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分的間隙滲漏進(jìn)入頂蓋部分。清潔的密封水一方面作用于頂起密封塊和潤(rùn)滑工作摩擦面，同時(shí)可以防止泥沙進(jìn)入密封工作面。

1.3立式浮動(dòng)密封

立式浮動(dòng)主軸密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

立式浮動(dòng)密封由轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)、密封圈、密封圈和密封蓋組成。密封圈在清潔的帶壓水流和自重的作用下，緊貼在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)上，當(dāng)從水輪機(jī)蝸殼泄漏的發(fā)電機(jī)工作動(dòng)水到達(dá)圖示中的A腔后，受密封圈的阻礙作用，從轉(zhuǎn)動(dòng)抗磨環(huán)與密封圈的接觸面甸隙、密封圈與密封座的接觸面間隙到達(dá)C腔及B腔，再經(jīng)主軸外緣泄流至頂蓋部分。密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)置為“π’型，同時(shí)密封體均勻密布細(xì)小孔口聯(lián)通密封體上下表面，清潔密封水經(jīng)細(xì)小孔口進(jìn)入。上部端面，在壓力水流和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后離心力的雙重作用下，密封圈與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)之間形成層水膜，起到潤(rùn)滑和冷卻和有效止水的效果。

2立式浮動(dòng)密封和水壓端面密封工作情況分析

2.1主軸密封設(shè)計(jì)工況受力分析

密封裝置的主要工作部件是密封體，機(jī)組在運(yùn)行工況下，對(duì)密封體做簡(jiǎn)單的受力分析，立式浮動(dòng)密封在豎直方向上受到4個(gè)力的作用：一是主軸密封冷卻水的壓力，設(shè)上腔密封冷卻水壓為P，密封塊與主軸密封水的作用面積為s，則壓力大小為PXS，方向向下;二是密封體的重力G，方向向下：三是進(jìn)入密封塊與抗磨板之間的水膜對(duì)密封體的向上的作用力，設(shè)該作用力大小為F;四是密封體與密封腔之間的靜摩擦力，設(shè)為f，方向與其運(yùn)動(dòng)方向或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反。

冷卻水壓作用于密封塊下端面，在一定壓力作用下，推動(dòng)密封體向上移動(dòng);密封體均勻密布細(xì)小孔口聯(lián)通密封體上下表面，清潔密封水經(jīng)細(xì)小孔口進(jìn)入上部端面，形成工作水膜。調(diào)整密封水壓大小，水膜厚度相應(yīng)減少或者增加，以適應(yīng)發(fā)電機(jī)不同工況要求的止水效果。不管是立式浮動(dòng)密封還是水壓端面密封，都在上述四個(gè)力的作用下達(dá)到平衡并形成穩(wěn)定的工作水膜，由于力的方向不同，對(duì)于水壓端面密封PXS=G+F土f，而對(duì)于立式浮動(dòng)密封則有PXS+G=F土f.由該式不難看出，密封塊自重成為工作穩(wěn)定量，會(huì)減少因?yàn)闄C(jī)組負(fù)荷突變或者密封水壓力不穩(wěn)定而造成的水膜的不穩(wěn)定.由于立式浮動(dòng)密封塊的自重作用與密封工作水壓反方向，而水壓端面密封塊自重與工作水壓反方向，因此同樣的工況下，立式浮動(dòng)密封需要的水壓更低，且立式浮動(dòng)密封相較于水壓端面密封更加穩(wěn)定可靠，并且立式浮動(dòng)密封體與密封腔的靜摩擦力小于水壓端面密封塊與密封腔的靜摩擦力f，從而減少了摩擦熱量，延長(zhǎng)了密封使用壽命。

2.2主軸密封運(yùn)行工況分析

密封塊材質(zhì)不適應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)組多種工況，容易造成上水過(guò)快或者形成密封塊與抗磨環(huán)之間的硬摩擦而損壞密封塊，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。在發(fā)電機(jī)組工況變化中，密封塊與抗磨板之間水膜穩(wěn)定，在大流量低水頭電站導(dǎo)葉輪葉協(xié)聯(lián)變化中立式浮動(dòng)密封適應(yīng)性較強(qiáng)。對(duì)于水壓端面密封，當(dāng)工況變化造成水膜厚度持續(xù)減小至接近冷卻水內(nèi)泥沙顆粒粒徑時(shí)，水膜將被破壞，將加劇密封塊的磨損，甚至是干摩擦，這將使密封塊的磨損急劇增加。而在汛期由于黃河水泥沙含量極高，因此難免有大顆粒泥沙混入密封塊抗磨環(huán)之間形成干摩擦，而水壓端面密封材質(zhì)為硬塑合金，在干摩擦中由于“硬碰硬”而造成局部磨粒磨損，產(chǎn)生發(fā)卡嚴(yán)重影響密封塊的平衡，久而久之更會(huì)造成密封塊表面坑坑洼洼，不利于形成穩(wěn)定的水膜，而立式浮動(dòng)密封體采用橡膠材質(zhì)，具有良好的抗磨性和回彈性，密封體磨損補(bǔ)償面為平面，確保了密封圈與抗磨板之間的間隙合格，適應(yīng)性?xún)?yōu)于硬塑材質(zhì)，穩(wěn)定性也較高。

3立式浮動(dòng)密封和水壓端面密封的應(yīng)用對(duì)比

目前，我廠新技改機(jī)組1、2、3、7、8主要使用水壓端面密封，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)諸多問(wèn)題：密封塊更換周期短，一年進(jìn)行一次密封更換;密封止水效果差，經(jīng)常出現(xiàn)頂蓋上水快的情況，危及水輪機(jī)的安全運(yùn)行，正常情況下頂蓋泵啟動(dòng)間隔時(shí)間約為2min造成頂蓋泵啟動(dòng)過(guò)于頻繁，降低了頂蓋泵使用壽命，使用電量也相應(yīng)增加;密封更換成本較高（3W～4W）;密封可靠性差，使用過(guò)程中常發(fā)現(xiàn)密封塊磨損過(guò)于嚴(yán)重，對(duì)抗磨環(huán)的磨損也較嚴(yán)重，有時(shí)候甚至不得不更換抗磨板，過(guò)去一年內(nèi)密封故障總次數(shù)為5次，在機(jī)組汛期的時(shí)候發(fā)生主軸密封故障不得不停機(jī)維修，不僅僅減少了機(jī)組發(fā)電量，還對(duì)防汛工作造成影響;密封裝配精度要求高，且裝配調(diào)節(jié)空間小，1號(hào)機(jī)曾出現(xiàn)因裝配不當(dāng)導(dǎo)致的燒瓦現(xiàn)象。

4、5、9采用立式浮動(dòng)密封，更換周期為兩年一次;在應(yīng)用過(guò)程中較為穩(wěn)定，過(guò)去一年內(nèi)未出現(xiàn)密封故障;止水效果較好，正常情況下頂蓋泵啟動(dòng)時(shí)間間隔約為10min，電能消耗較低;且密封塊材質(zhì)為橡膠材質(zhì)，更換成本較低，經(jīng)濟(jì)效益好;密封磨損量較小，對(duì)抗磨板的磨損也較小;密封裝配可調(diào)性好，且裝配精度要求較低，密封適應(yīng)性好。

4經(jīng)濟(jì)效益分析

相對(duì)水壓端面密封，立式浮動(dòng)密封的經(jīng)濟(jì)效益更好，以4號(hào)機(jī)和3號(hào)機(jī)為例：

4.1立式浮動(dòng)密封更換成本較低

水壓端面密封的密封塊和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)都為易損件，密封塊更換周期為1～2個(gè)/年，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)更換周期為3～4年，更換成本約為4W元/年，而立式浮動(dòng)密封易磨件橡膠，更換周期為2年，平均更換成本為2K元/年，并且縮短了機(jī)組檢修工期。

4.2減少頂蓋泵用電量

3號(hào)機(jī)采用水壓端面密封，每年頂蓋泵消耗電量約為6000kW·h，4號(hào)機(jī)采用立式浮動(dòng)密封，每年頂蓋泵消耗電量約為1000kW·h，按每度電0.46元計(jì)算，立式浮動(dòng)密封可節(jié)約的電量為2K元/年。而且流入頂蓋淤泥較少，也延長(zhǎng)了頂蓋泵的使用壽命。

4.3減少了機(jī)組的故障率

汛期電站機(jī)組多在高負(fù)荷運(yùn)行工況，由于水壓端面密封機(jī)組故障率較高，機(jī)組不得不停機(jī)檢修，檢修時(shí)間一般為3d，以3號(hào)機(jī)為例，這期間造成少發(fā)電量約為72kW·h，也就是說(shuō)，按照往年的實(shí)際運(yùn)行情況，利用立式浮動(dòng)密封可以節(jié)約費(fèi)用為大約33萬(wàn)/年。

綜上所述，利用立式浮動(dòng)密封比利用水壓端面密封要節(jié)約37萬(wàn)/年。經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn)。

5對(duì)于主軸密封現(xiàn)狀的改進(jìn)意見(jiàn)

通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，立式浮動(dòng)密封更適合我廠泥沙含量大的特點(diǎn)，且由于立式浮動(dòng)密封與水壓端面結(jié)構(gòu)相似，安裝空間相仿，因此可以將水壓端面密封更換為立式浮動(dòng)密封。

6結(jié)束語(yǔ)

較之水壓端面密封采用的硬塑材料，立式浮動(dòng)采用的橡膠材質(zhì)更富有彈性，工作時(shí)止漏水的性能較好，而且不容易發(fā)卡，抗磨性能好，可以適應(yīng)泥沙含量較大的工況。并且橡膠密封設(shè)計(jì)磨損量可以改進(jìn)加大，延長(zhǎng)密封圈的使用壽命，另外立式浮動(dòng)密封具有結(jié)構(gòu)合理、占用空間少、設(shè)計(jì)科學(xué)、安裝方便、成本低等特點(diǎn)，結(jié)合青銅峽水電廠密封的使用情況，立式浮動(dòng)密封可以廣泛應(yīng)用于多泥沙電站。

參考文獻(xiàn)

[1]白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]王偉.響洪甸蓄能電站主軸密封改造分析[J].東方電氣評(píng)論，2004（9）：59.

[3]秦巖平.葛洲壩電站水輪機(jī)主軸密封改造及運(yùn)行情況分析[J].水電與新能源，2014（9）：77-78.