高水頭抽水蓄能機(jī)組主軸密封型式對(duì)比分析

王志楠，沈華哲，劉功亮，陳萬里，蔣玉林

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東 廣州511400）

0 前言

高水頭抽水蓄能機(jī)組主要有五種穩(wěn)定工況，分別是停機(jī)穩(wěn)態(tài)、發(fā)電工況、發(fā)電調(diào)相工況、泵工況、抽水調(diào)相工況，期間還伴隨著各種工況轉(zhuǎn)換，這就需要主軸密封應(yīng)具有良好的封水性和封氣性[1]。在發(fā)電和抽水工況時(shí)，密封介質(zhì)是水，主軸密封用以控制從主軸與頂蓋間隙泄漏到機(jī)坑內(nèi)流道的水量在合理范圍內(nèi)，以免發(fā)生水導(dǎo)軸承甚至廠房被淹事故；其次在泵工況壓水啟動(dòng)和機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí)，密封介質(zhì)是壓縮空氣，主軸密封要避免密封腔內(nèi)的壓縮空氣直接從主軸與頂蓋之間的間隙泄露到機(jī)坑內(nèi)，從而保證各個(gè)工況之間的轉(zhuǎn)換快捷有序[1]。因此主軸密封的運(yùn)行好壞直接影響到機(jī)組運(yùn)行安全及經(jīng)濟(jì)效益。目前，高水頭抽水蓄能機(jī)組主軸密封常見型式有自補(bǔ)償式軸向密封和自補(bǔ)償式徑向密封兩種。

1 自補(bǔ)償式軸向主軸密封

1.1 自補(bǔ)償式軸向主軸密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

某蓄能機(jī)組的主軸密封布置在水導(dǎo)軸承下方，整體由內(nèi)頂蓋支撐。采用的型式是彈簧復(fù)位式流體靜壓平衡軸向密封，無水腔結(jié)構(gòu)，主要由固定環(huán)、活動(dòng)環(huán)、抗磨環(huán)、密封環(huán)、彈簧及供排水系統(tǒng)組成，如圖1所示。

固定環(huán)通過M24×100 mm的螺栓及錐度為2%的錐銷與密封支座連接固定；而密封支座通過M24×76 mm的螺栓及2個(gè)錐度為2%的錐銷與內(nèi)頂蓋連接，對(duì)整個(gè)主軸密封起到支撐限位作用。

圖1 某機(jī)組自補(bǔ)償式軸向主軸密封結(jié)構(gòu)

抗磨環(huán)直接與水輪機(jī)主軸下法蘭端面把合。抗磨環(huán)裝配時(shí)表面水平度須滿足0.02 mm/m的要求，內(nèi)、外環(huán)最大波浪度不得超過0.10 mm，兩瓣結(jié)合縫間隙不得大于0.03 mm。密封環(huán)按照廠家建議采用了合成耐磨樹脂材料（CEDTIDUR賽思德爾），與抗磨環(huán)接觸表面上間隔均勻分布炭精小圓面，用來提高密封材料的潤(rùn)滑作用[2]。

主軸密封工作原理是：活動(dòng)環(huán)在上端壓緊彈簧的彈力、自身重力、水膜壓力、尾水壓力的綜合作用下，能夠在軸向上下移動(dòng)，動(dòng)態(tài)的維持抗磨環(huán)與密封環(huán)間的水膜厚度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，尾水壓力將會(huì)變大，活動(dòng)環(huán)受到向下的水壓力也會(huì)變大，從而使得活動(dòng)環(huán)下移，造成抗磨環(huán)與密封環(huán)間的水膜厚度減小，于此同時(shí)水膜壓力也會(huì)對(duì)應(yīng)升高，從而水膜厚度又保持在一個(gè)新的平衡點(diǎn)上。相反，機(jī)組停機(jī)時(shí)，尾水壓力會(huì)降低，活動(dòng)環(huán)受到向下的水壓力減小，活動(dòng)環(huán)便會(huì)上浮，水膜厚度會(huì)相應(yīng)增大，同時(shí)水膜壓力便會(huì)減低，活動(dòng)環(huán)又會(huì)動(dòng)態(tài)取得新的平衡[3]。起密封作用的壓力水一部分經(jīng)外環(huán)自抗磨環(huán)與密封支座間隙排入尾水（因供水壓力大于尾水）；另一部分由內(nèi)環(huán)溢過密封上方進(jìn)入水槽，經(jīng)水槽側(cè)壁排水管排出（見圖2）。停機(jī)時(shí)，一方面彈簧具有預(yù)緊力，而且由于活動(dòng)環(huán)上部面積大于下部面積，故機(jī)組在停機(jī)中斷主軸密封供水的情況下，由于尾水壓力的作用，密封環(huán)還是能夠起到密封作用，因此機(jī)組停機(jī)時(shí)，原則上不需要借助水冷卻。但實(shí)際中為了避免尾水中雜質(zhì)進(jìn)入密封面，機(jī)組停機(jī)時(shí)冷卻水還是不中斷的，但是時(shí)間久了，可能會(huì)導(dǎo)致抗磨環(huán)會(huì)被主軸密封供水沖刷成點(diǎn)狀的小坑，造成抗磨環(huán)與密封環(huán)之間局部間隙不均。張河灣蓄能電站大修時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象。

圖2 某機(jī)組自補(bǔ)償式軸向主軸密封供排水示意圖

1.2 自補(bǔ)償式徑向主軸密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

某蓄能機(jī)組水泵水輪機(jī)采用自補(bǔ)償式徑向密封，共設(shè)有3層密封，各層密封均有12塊，安放于由碳鋼主軸密封支撐座、鑄鋼密封箱和不銹鋼密封箱蓋板組成的箱體內(nèi)。如圖3所示。各層密封外徑側(cè)傾斜，傾斜面用分塊式密封壓環(huán)配合之后再在外側(cè)安上彈簧，密封周圍壓力所產(chǎn)生的分力將密封塊緊緊頂?shù)酱筝S抗磨環(huán)上，起密封作用。因樹脂材料具有較好的韌性和抗泥沙能力，不易產(chǎn)生直接破壞，運(yùn)行穩(wěn)定；炭精屬脆性材料，具有較高的硬度，但易碎，抗泥沙磨蝕能力非常弱。而下層密封與尾水來水直接接觸，故該電站主軸密封上、中2層密封為碳精材料，下層為樹脂材料。下層樹脂材料密封能夠起到很好的抗泥沙磨損和抗腐蝕性功能，在主軸密封供水壓力降低或者中斷時(shí)最大可能的避免下游尾水中的泥沙、雜質(zhì)進(jìn)入上部密封導(dǎo)致炭精密封環(huán)磨損。

圖3 某機(jī)組自補(bǔ)償式徑向主軸密封結(jié)構(gòu)

主軸密封抗磨環(huán)由2塊組成，2塊抗磨環(huán)抱軸后通過6顆M16 A的定扭矩螺栓固定，分瓣面處設(shè)置坡口焊接?？鼓キh(huán)外表面是抱軸固定、焊接后再機(jī)加工的。其材質(zhì)為1Cr13（410馬氏體不銹鋼），強(qiáng)度高、耐磨性好。硬度明顯高于炭精密封環(huán)和樹脂密封環(huán)（硬度260～300 HB），如果抗磨環(huán)與密封環(huán)之間水膜破壞發(fā)生磨損時(shí)會(huì)優(yōu)先磨損密封環(huán)，從而延長(zhǎng)抗磨環(huán)的使用壽命。

主軸密封供水取自機(jī)組技術(shù)供水，經(jīng)過濾器過濾后引至頂蓋內(nèi)主軸密封供水集水器。主供水直接注入中層密封腔，再分別向上、下密封腔流動(dòng)，輔助供水則通過上層密封箱上設(shè)有的2個(gè)輔助供水口，來保持上層密封箱內(nèi)壓力。主軸密封主、輔供水分兩路排水：一路沿水輪機(jī)軸向下排至尾水；一路沿水輪機(jī)軸向上經(jīng)甩水環(huán)與主軸密封蓋改變流向至頂蓋，經(jīng)頂蓋背部開孔流向機(jī)坑，最終經(jīng)頂蓋自流排水至集水廊道，詳見圖4。

圖4 某機(jī)組自補(bǔ)償式徑向主軸密封供排水示意圖

主軸密封工作原理：上、中、下三層密封在扇形密封塊背側(cè)主軸密封供水壓力及彈簧彈力共同作用下，一直受到一個(gè)指向軸心的徑向力，壓在主軸抗磨環(huán)上，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，主軸密封供水在密封環(huán)與抗磨環(huán)之間形成0.04～0.10 mm厚的水膜。由于彈簧力的補(bǔ)償作用，潤(rùn)滑水膜厚度不隨著密封環(huán)磨損變化而變化，從而避免密封環(huán)快速磨損。

2 對(duì)比分析

通過對(duì)自補(bǔ)償式軸向主軸密封和自補(bǔ)償式徑向主軸密封結(jié)構(gòu)及工作原理介紹，不難看出兩種主軸密封在設(shè)計(jì)上的差異及各自的長(zhǎng)處與不足。

2.1 自補(bǔ)償式軸向主軸密封優(yōu)點(diǎn)

（1）活動(dòng)環(huán)為軸向浮動(dòng)型結(jié)構(gòu)，能夠靈活的隨著尾水壓力、水膜壓力的變化在軸向方向移動(dòng)，從而避免機(jī)組事故抬機(jī)造成的損害，尤其對(duì)于尾水壓力脈動(dòng)較大的水泵水輪機(jī)組，能較好適應(yīng)蓄能機(jī)組起動(dòng)頻繁、工況變換時(shí)震動(dòng)大的特點(diǎn)。

（2）主軸密封對(duì)過渡過程中軸系的徑向振動(dòng)沒有特別要求，即密封有較強(qiáng)的抗振性[3]。

（3）活動(dòng)環(huán)采用“L”形設(shè)計(jì)，充分利用尾水自身的水壓力進(jìn)行止水密封，停機(jī)時(shí)頂蓋漏水量減少，減少水資源浪費(fèi)（泄漏量＜120 L/min），且制造成本低。

2.2 自補(bǔ)償式軸向主軸密封不足

（1）軸向密封結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝工藝要求較高，尤其對(duì)抗磨環(huán)內(nèi)、外環(huán)波浪度要求較高（最大波浪度不超過0.10 mm）。

（3）活動(dòng)環(huán)材料剛性不足，可能變形，造成活動(dòng)環(huán)隨動(dòng)性變差，甚至出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，可能導(dǎo)致因密封面水膜遭到破壞而出現(xiàn)密封環(huán)與抗磨環(huán)損壞或漏水量變大的可能。

2.3 自補(bǔ)償式徑向主軸密封優(yōu)點(diǎn)

（1）主軸密封不設(shè)漏水箱，漏水直接排到頂蓋，能夠一定程度上減少主軸密封的安裝高度，因此使水導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)可以更靠近轉(zhuǎn)輪，整體結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)增加機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性[4]。

（2）可靠性高：設(shè)置兩道炭精密封環(huán)，即使其中一道出現(xiàn)異常，剩余一道炭精密封環(huán)依然可以起到密封作用，不至于馬上出現(xiàn)漏水過大現(xiàn)象。

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，所以安裝工藝較簡(jiǎn)單，便于日常維護(hù)及更換密封件，更換某層密封環(huán)時(shí)不必全部解體。具有軸向自由度大、徑向補(bǔ)償量大及對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)、偏擺以及水輪機(jī)軸對(duì)密封腔的傾斜敏感度不高的特點(diǎn)[4]。

2.4 自補(bǔ)償式徑向主軸密封不足

（1）因?yàn)榭鼓キh(huán)抱軸固定（表面硬度 260～300 HB），如果發(fā)生比較嚴(yán)重的磨損時(shí)，其修復(fù)及更換工作量較大，技術(shù)難度也很大。

（2）扇形密封塊材料對(duì)耐磨性、硬度、剛度、摩擦系數(shù)、加工性能及水中尺寸穩(wěn)定性要求較高，制造成本也較高[5]。

（3）泄漏量較大（180～220 L/min），增加頂蓋排水壓力。

（4）主軸密封供水直接注入中層密封腔，再分別向上、下密封腔流動(dòng)，通過調(diào)整供水管路上閥門開度的方式，能夠使得各層密封腔壓力符合設(shè)計(jì)要求，從而延長(zhǎng)密封環(huán)使用壽命。如果閥門開度調(diào)整不合理或者疏忽各層密封腔背壓監(jiān)測(cè)比值，這將可能造成各層密封腔壓力不理想，封水效果太好造成漏水量減少，容易造成密封溫度過高燒毀密封塊。

3 運(yùn)行維護(hù)注意事項(xiàng)

根據(jù)設(shè)計(jì)理論及檢修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述兩種主軸密封型式檢修維護(hù)工作建議如下：

（1）采用自補(bǔ)償徑向密封機(jī)組，在平時(shí)維護(hù)中，運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)多關(guān)注并重視中、上層密封背壓比，并根據(jù)比值變化采取相應(yīng)措施（詳見圖5）。理想狀態(tài)是：

式中：P4-上層密封背壓；P3-中層密封背壓。

圖5 中、上層背壓監(jiān)測(cè)示意圖

一般，由于密封效果的不同會(huì)產(chǎn)生不平衡，其范圍是P4/P3=0.1～0.9。為了保持并調(diào)整該范圍，可采用操作輔助供排水閥門來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)上述比值大于0.9時(shí)（發(fā)生概率較大），可以采用打開上層排水閥或者關(guān)閉上層供水閥的方式對(duì)上層壓力進(jìn)行調(diào)整。避免封水效果太好造成漏水量減少，容易造成上層密封塊溫度過高，嚴(yán)重時(shí)燒毀上層碳精密封塊。比值小于0.1時(shí)（發(fā)生概率較小），措施與上述相反，可通過打開上層供水閥門或關(guān)閉上層排水閥門的方式進(jìn)行調(diào)整[5]。

主軸密封密封塊更換時(shí)，需整層更換。安裝時(shí)需保證每個(gè)密封塊的水腔開口朝向供水口出水側(cè)。并且三層主軸密封塊材質(zhì)不可顛倒混淆，要與每層密封塊的設(shè)計(jì)材質(zhì)一一對(duì)應(yīng)。

（2）采用自補(bǔ)償式軸向密封的機(jī)組，檢修過程中如果遇到缺陷需要頂轉(zhuǎn)子操作，頂轉(zhuǎn)子過程中，主軸密封活動(dòng)環(huán)連同密封環(huán)都會(huì)有一定上抬量且可能不均勻，為了避免因?yàn)樯咸Я坎痪鶆颍芊猸h(huán)與抗磨環(huán)間隙變大，漏水量迅速增大，甚至活動(dòng)環(huán)發(fā)生“發(fā)卡”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子完全落下后，需要用千斤頂均勻下壓活動(dòng)環(huán)，下壓后復(fù)測(cè)彈簧高度，并與檢修前測(cè)量值對(duì)比，必要時(shí)可打開主軸密封供水閥（不充尾水進(jìn)行），在+Y、+X、-Y、-X 4個(gè)方向架設(shè)百分表測(cè)量密封環(huán)與抗磨環(huán)間水膜厚度是否均勻，從而判斷活動(dòng)環(huán)是否動(dòng)作靈活，確保密封環(huán)與抗磨環(huán)間隙均勻。

4 總結(jié)

上述兩種結(jié)構(gòu)型式的主軸密封均已在大型抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用，代表著生產(chǎn)廠家當(dāng)前最成熟的技術(shù)。自補(bǔ)償軸向密封已應(yīng)用于張河灣電站、惠州蓄能電廠、廣州蓄能電廠等，自補(bǔ)償徑向密封型式已應(yīng)用于日本神流川、奧清津水電站以及國(guó)內(nèi)回龍抽水蓄能、西龍池抽水蓄能及清遠(yuǎn)抽水蓄能等電站。目前兩種型式密封使用期間運(yùn)行效果、密封性能各有所長(zhǎng)。高水頭蓄能電廠主軸密封選型時(shí)也要根據(jù)電站自身水頭、轉(zhuǎn)速、密封處線速度等因素綜合考慮。希望上述對(duì)比分析及建議對(duì)以后抽水蓄能電站主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選型及檢修維護(hù)有所幫助。