貫流式水輪發(fā)電機(jī)主軸密封改造

彭育斌

（湖南省安化縣株溪口水電廠，湖南 安化 413599）

1 前言

由于燈泡貫流式機(jī)組在低水頭電站具有投資成本低，效率高等特點(diǎn)，近20多年來，在國內(nèi)已開發(fā)建設(shè)大量燈泡貫機(jī)組，數(shù)量和單機(jī)容量均遙居世界第一。燈泡貫流式機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其檢修、維護(hù)的方便性遠(yuǎn)不如立式機(jī)組，其中主軸密封的使用效果是影響電站檢修、維護(hù)工作量大小的一個(gè)關(guān)鍵因素。國內(nèi)有不少燈炮貫流式電站由于主軸密封的可靠性不高，存在頻繁檢修主軸密封的情況，有些電站檢修主軸密封時(shí)間長達(dá)一個(gè)月之久，維護(hù)工作量極大，給電站工作人員帶來了較大的困擾。

主軸密封是燈泡貫機(jī)組的關(guān)鍵部件，由于機(jī)組水平布置的特點(diǎn)，主軸密封的安全性更加重要。一旦漏水量過大不能及時(shí)排走，可能造成嚴(yán)重的水淹機(jī)組的事故。同時(shí)，由于貫流機(jī)組內(nèi)的空間小，對(duì)于主軸密封的設(shè)計(jì)、安裝、檢修維護(hù)的方便性等提出了更高的要求。我們?cè)跈z修、維護(hù)多個(gè)燈泡貫流式電站過程中，分析了燈泡貫機(jī)組主軸密封應(yīng)用實(shí)踐中碰到的各種問題，近年來在主軸密封的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。也為系統(tǒng)內(nèi)燈泡貫電站實(shí)施主軸密封技術(shù)改造提供了技術(shù)建議方案，為提高機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定性，減輕電站檢修維護(hù)工作量做出了一點(diǎn)成績。該文分析了系統(tǒng)內(nèi)一燈泡貫機(jī)組的主軸密封特點(diǎn)、存在的問題及其改造實(shí)施過程。

2 主軸密封結(jié)構(gòu)及密封原理

該電站原主軸密封采用傳統(tǒng)的填料結(jié)構(gòu)，填料密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整簡單，但運(yùn)行可靠性和密封性能較差，在低轉(zhuǎn)速低水頭機(jī)組上大量使用，但由于各種原因，有不少機(jī)組出現(xiàn)了漏水量大、抗磨環(huán)磨損嚴(yán)重等問題。主軸密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主軸密封結(jié)構(gòu)圖

主軸密封結(jié)構(gòu)主要由抗磨環(huán)、水封座、水封壓蓋、甩水環(huán)等組成，通過水封壓蓋壓緊四道密封盤根與抗磨環(huán)外徑接觸而形成密封效果，盤根中間有一工字環(huán)，工字環(huán)的功能是使得潤滑水能均勻的進(jìn)入盤根與抗磨環(huán)的接觸面，從而起到潤滑冷卻的作用。

填料密封是使用最早的密封結(jié)構(gòu)，它能適用于各種轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備密封，該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件為編織盤根。盤根是由碳纖維等編織而成，在纖維的空隙填有PTFE類潤滑材料，當(dāng)水通過主軸與盤根間的間隙時(shí)，由于盤根表面有無數(shù)的微小空隙起到迷宮效應(yīng)，使得滲漏水的流動(dòng)受阻達(dá)到減小漏水量的目的。當(dāng)盤根磨損后，由于盤根自身的彈性補(bǔ)償作用，加上壓蓋的彈簧作用，使得盤根與主軸表面間始終保持較小間隙，從而實(shí)現(xiàn)密封效果。

盤根與抗磨環(huán)和水封座間的壓緊配合對(duì)密封效果十分重要，壓緊力過小則漏水大，壓緊力過大則抗磨環(huán)發(fā)生嚴(yán)重磨損，使用壽命縮短?？刂坪线m的壓緊力對(duì)于這種密封結(jié)構(gòu)是很困難的也是十分關(guān)鍵的。

3 主軸密封存在的問題

原主軸密封結(jié)構(gòu)上主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

3.1 盤根徑向壓力分布不均

盤根受到軸向壓緊后，使其徑向與抗磨環(huán)緊貼并產(chǎn)生一定的壓緊力。如圖2所示，盤根的徑向壓緊力由外側(cè)向內(nèi)側(cè)是逐漸減小的，而被密封的水的壓力則由內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸增加，盤根的徑向壓力與水壓力的分布是相反的。內(nèi)側(cè)水壓力大但徑向壓緊力反而是最小的，這種壓緊力的分布不能使盤根發(fā)揮較好的密封作用。實(shí)際使用中，為了增加密封效果，會(huì)將盤根壓的過緊，則會(huì)導(dǎo)致抗磨環(huán)快速磨損，減短使用壽命。

圖2 填料密封示意圖和壓力分布圖

3.2 盤根散熱較差

由于盤根與抗磨環(huán)接觸面積大，該電站采用4道盤根，盤根與抗磨環(huán)的總接觸面積達(dá)0.25 m2，雖供有潤滑水，實(shí)際上由于壓緊力的不均勻使得局部并沒有潤滑水通過，從潤滑水流量開關(guān)經(jīng)常斷流報(bào)警來看，潤滑水量是很小的，盤根本身的傳熱性能都較差，摩擦產(chǎn)生的熱量不能被帶走，導(dǎo)致局部發(fā)熱，抗磨環(huán)異常磨損，使用壽命顯著下降。

3.3 盤根補(bǔ)償能力差

水封座與抗磨環(huán)間的盤根安裝槽寬為25 mm，寬度較寬，當(dāng)盤根磨損后徑向的補(bǔ)償量是很有限的，一般不超過其自身寬度的20%。由于徑向壓緊的不均勻?qū)е聣荷w及彈簧的壓力不足以彌補(bǔ)盤根磨損后對(duì)其的壓緊跟蹤，須頻繁的壓緊壓蓋螺栓。

同時(shí)由于抗磨環(huán)的運(yùn)行擺度一般均有0.2 mm~0.3 mm以上，盤根與抗磨環(huán)的間隙隨著主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生周期性的變化，實(shí)際使用中的現(xiàn)象是進(jìn)一步加快了磨損，漏水經(jīng)常性變的很大。因此該結(jié)構(gòu)并不能保證安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且維護(hù)工作量大。

4 改造方案的選擇

主軸密封改造可選擇的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，具體的形式必須根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和尺寸來進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，每個(gè)電站的改造方案都有較大的差別。我們?cè)陧?xiàng)目實(shí)施前期也咨詢了多家專業(yè)廠家的改造方案，根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和綜合各廠家的意見，最終選擇了專業(yè)從事貫流機(jī)技改的浙研公司來實(shí)施該改造方案。

根據(jù)該電站特點(diǎn)和現(xiàn)有水封存在的問題，經(jīng)過與浙研公司一起進(jìn)行反復(fù)比較分析，最終采用了如圖3結(jié)構(gòu)所示密封形式。改造結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)、迷宮密封齒、水封支撐、水封座、水封罩、檢修密封、調(diào)整環(huán)等部件組成。

圖3 改造方案結(jié)構(gòu)圖

在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)外圓上依次排列四組環(huán)形迷宮密封齒，迷宮在內(nèi)徑側(cè)和外徑側(cè)的深度盡可能大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該大于10 mm，達(dá)到15 mm時(shí)效果最好。水流經(jīng)過迷宮齒后形成較大的水流損耗，經(jīng)過迷宮密封齒后水壓大大降低，從而起到節(jié)流降壓的作用，以減少后面的密封環(huán)密封的水壓力，降低摩擦力，以免密封快速磨損，確保有足夠的使用壽命。同時(shí)迷宮密封齒也起到分離泥沙，清潔水流的作用。

在迷宮密封齒后設(shè)有密封環(huán)，密封環(huán)固定在主軸上隨主軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這樣布置遠(yuǎn)好于密封布置在水封座固定的方式，使用壽命較長。但有時(shí)由于受布置空間的限制，只能將密封布置在水封座上，這樣布置的話必須引起足夠的重視，使用壽命可能會(huì)降低，有時(shí)需要通過設(shè)置潤滑水來延長使用壽命。轉(zhuǎn)動(dòng)密封環(huán)與抗磨環(huán)間需要有一定的預(yù)壓量，使得密封與抗磨環(huán)貼合。機(jī)組運(yùn)行過程中流道中的少量水會(huì)對(duì)密封板的摩擦面起到潤滑冷卻的作用，以防密封磨損嚴(yán)重。

密封環(huán)與抗磨環(huán)間留有一定間隙，一般間隙在2 mm左右，由于此處的漏水相對(duì)較少，容易發(fā)生干摩擦，較大的間隙可保證它不發(fā)生嚴(yán)重磨損。調(diào)整抗磨環(huán)上設(shè)有調(diào)整措施，可在現(xiàn)場方便調(diào)整與平板密封的間隙大小，調(diào)整間隙的大小需考慮機(jī)組在空載、滿負(fù)荷等不同工況下的竄動(dòng)量，使二者相匹配。經(jīng)過密封后仍有少量的漏水通過水封罩收集，在水封罩上游側(cè)設(shè)有甩水環(huán)，防止漏水沿主軸漏出。

5 主軸密封的制造安裝

考慮到改造項(xiàng)目尺寸匹配問題，設(shè)備制造時(shí)需先進(jìn)行粗加工，留有足夠的余量，設(shè)備精加工前需在現(xiàn)場對(duì)相關(guān)的主軸、內(nèi)錐體等主要部件的配合尺寸進(jìn)行核對(duì)測量，然后根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果后再進(jìn)行精加工，以確保尺寸正確。對(duì)于改造項(xiàng)目來說這一環(huán)節(jié)很重要。

設(shè)備到現(xiàn)場后利用機(jī)組檢修期間進(jìn)行更換安裝，由于轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)是抱緊于主軸上的，與主軸的尺寸配合較精密，現(xiàn)場測量尺寸相對(duì)精度不夠，安裝后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)分半面仍有較大間隙，外圓擺度將達(dá)不到要求，后將轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)返回加工廠進(jìn)行再次加工以達(dá)到要求。最終轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的盤車盤度為20道左右，滿足設(shè)計(jì)要求。主軸密封設(shè)備全部安裝后，先做靜態(tài)試驗(yàn)，然后做空載、滿負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)通過后投入正式運(yùn)行。

6 結(jié)語

根據(jù)主軸密封改造過程中的安裝來看，改造后結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)在安裝、檢修等方面有較大改善，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮到了電站現(xiàn)有特點(diǎn)。該電站主軸密封改造已投入運(yùn)行三年多，漏水僅是原填料密封的三分之一左右，密封的磨損量很小，運(yùn)行可靠，設(shè)備檢修維護(hù)方便。表明此次主軸密封改造的思路正確、措施得當(dāng)，達(dá)到了改造的目的，可供其它貫流式電站借鑒。