水電站混流式機(jī)組隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封應(yīng)用研究

黃萬虎 沈順云 張續(xù)光

(華能甘肅水電開發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730070)

水電站水輪機(jī)主軸密封是水輪機(jī)組的重要構(gòu)件，起著水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分的承接作用。水電站機(jī)組運(yùn)行過程中，為了防止壓力水從轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間泄漏，通常在水輪機(jī)水導(dǎo)軸承和轉(zhuǎn)輪之間設(shè)置水輪機(jī)的主軸密封部件[1]。如果主軸密封失效，就會(huì)出現(xiàn)水淹機(jī)坑、水導(dǎo)軸承燒壞等事故，造成電站被迫進(jìn)行非計(jì)劃停機(jī)檢修[2]，直接影響到電站的安全以及電站的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1 工程概況

白龍江喜兒溝水電站位于甘肅省舟曲縣境內(nèi)的白龍江干流上游，電站為徑流式水電站，額定水頭57.8m，設(shè)計(jì)引用流量141m3/s，電站裝有3臺(tái)混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量72MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量2.85億kW·h，年設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)3955h。電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑2.35m，主軸密封體外徑1.25m、內(nèi)徑1.15 m，為間隙式迷宮密封。

2 原主軸密封結(jié)構(gòu)及密封原理

喜兒溝水電站原水輪機(jī)主軸密封位于轉(zhuǎn)動(dòng)油盆外側(cè)，水導(dǎo)軸承安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi)，主軸密封作用是防止水輪機(jī)上冠間隙漏水通過上冠流道后沿著主軸上溢。主軸密封由密封體、密封座、密封蓋、支撐體、止水環(huán)等組成。為防止損壞內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆，在間隙式迷宮密封體內(nèi)壁鑲嵌巴氏合金，密封體依靠比較長的迷宮逐步減壓，通過固定密封體內(nèi)壁的巴氏合金與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆外壁之間較小的間隙達(dá)到封水的效果。在密封體和轉(zhuǎn)動(dòng)油盆間通過0.35MPa壓力清潔水，形成水封和潤滑水膜，保證摩擦面良好的密封效果。這種形式的主軸密封結(jié)構(gòu)，一方面要有少量水流入，起到潤滑水封的作用，另一方面水量過大又會(huì)造成排水不及時(shí)的問題。間隙值的大小是影響密封效果的主要因素。

3 間隙式迷宮密封的缺點(diǎn)

喜兒溝電站原水輪機(jī)主軸密封體內(nèi)壁鑲嵌硬度較小的巴氏合金，這種密封體構(gòu)造適用于泥沙含量較小水質(zhì)的水電站。喜兒溝電站水輪機(jī)頂蓋與轉(zhuǎn)輪的上冠只有一道梳齒減壓，導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的壓力水經(jīng)這一道梳齒直接進(jìn)入主軸密封，使密封體前水壓力達(dá)到0.35MPa，由于壓力較大，密封間隙稍微增加，漏水量將大量增多。若過機(jī)水流含泥沙量大，流經(jīng)主軸密封間隙時(shí)，主軸密封與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆面存在液體摩擦、干摩擦及混合摩擦[4]，使得密封體巴氏合金磨損加快，間隙增大，漏水量加大。在機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電初期，運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)階段相符，水輪機(jī)主軸密封封水效果良好，但是隨著運(yùn)行年限的增加，機(jī)組各個(gè)部件不同程度發(fā)生磨損，尤其是隨著上游河道水流泥沙含量的增多，主軸密封磨損嚴(yán)重，密封效果大打折扣，漏水加劇，影響電站的正常運(yùn)行[1]。機(jī)組負(fù)荷增加，導(dǎo)葉開度加大，水輪機(jī)上止漏環(huán)漏水處水壓增加，水輪機(jī)漏水量增大。機(jī)組負(fù)荷與密封體間隙直接決定機(jī)組軸向水推力，隨著密封間隙和機(jī)組負(fù)荷的增大，軸向水推力都會(huì)隨之增大，使機(jī)組振動(dòng)加劇[5]，從而使機(jī)組整體穩(wěn)定性受到影響。

4 隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封應(yīng)用

4.1 改造原則

主軸密封體改造的核心是有效解決運(yùn)行過程中主軸密封的磨損問題和減少密封體的漏水問題。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)[6]。

喜兒溝水電站水輪機(jī)工作密封改造，以盡可能節(jié)約改造成本、盡量減少對(duì)水輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)的修改以及廠房整體布局的協(xié)調(diào)為總體要求，根據(jù)已有的主軸密封布置空間，在不更改水導(dǎo)軸承及轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的條件下，以機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)油盆外圓為基準(zhǔn)，保持連接螺栓和定位止口尺寸不變，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)合理、適用于泥沙含量較大水質(zhì)、使用壽命較長的新型密封結(jié)構(gòu)。

4.2 隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封主要由空氣圍帶蓋、密封座、密封壓蓋、密封環(huán)、彈簧、橡皮條密封、壓板及固定壓緊螺栓等組成。空氣圍帶蓋套接在水輪機(jī)主軸外壁，密封座套接在水輪機(jī)主軸外壁上且安裝在空氣圍帶蓋上，多個(gè)密封壓蓋依次拼合套接在水輪機(jī)主軸外壁上且安裝在密封座上，在密封座和密封壓蓋內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有密封腔，密封腔內(nèi)設(shè)置有密封環(huán)，密封環(huán)與密封腔內(nèi)壁之間安裝有彈簧，密封環(huán)另一側(cè)直接與水輪機(jī)主軸接觸，由彈簧給密封環(huán)提供徑向壓力，壓力大小由密封水的壓力計(jì)算而定，向上密封環(huán)的彈簧力逐層減小，密封水逐次通過每一層密封環(huán)后壓力降低為零。

隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封由六層盒式密封上下疊加而成，第一道為間隙密封，進(jìn)入盒式密封座；第二道為由六層相同材質(zhì)材料組成的接觸式密封；六層采用添加碳纖維和石墨的高分子材料的密封環(huán)與主軸緊密接觸，接觸壓力由外圍的不銹鋼彈簧提供，其大小由密封計(jì)算確定。

為便于安裝，所有密封座、密封蓋等可拆卸部件均為分半結(jié)構(gòu)，各個(gè)密封座與密封蓋通過相互錯(cuò)位的螺栓連接，并形成六道密封腔。六個(gè)密封環(huán)逐個(gè)安裝在六道密封腔中，并通過外圓上的彈簧使密封塊與水輪機(jī)大軸緊密接觸。在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，密封環(huán)隨主軸擺動(dòng)而擺動(dòng)，密封環(huán)因密封水的壓力不同而徑向擺動(dòng)使得密封環(huán)有效地減小了密封水的壓力，又不會(huì)隨著主軸在密封腔里進(jìn)行軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。

單個(gè)的密封環(huán)由六個(gè)密封塊組成，每一個(gè)密封塊與密封腔內(nèi)壁之間安裝有兩個(gè)彈簧，通過對(duì)密封環(huán)的切分，使得各個(gè)密封塊獨(dú)自面對(duì)密封水的壓力，大大減小密封環(huán)的磨損；密封塊采用摩擦系數(shù)低、耐高溫、抗磨性能強(qiáng)的高分子材料，有效提升了主軸密封的抗磨損能力，大大延長了主軸密封的使用壽命(見圖1)。

圖1 新型水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)示意圖

安裝時(shí)，利用密封腔與密封環(huán)之間的間隙涂滿抗水性、機(jī)械安定性、防銹性和氧化安定性好的鋰基潤滑油脂，可以有效阻止泥沙進(jìn)入密封腔內(nèi)，避免泥沙對(duì)密封腔內(nèi)部表面的磨損破壞。密封座和空氣圍帶蓋固定在水輪機(jī)頂蓋上，使得整個(gè)主軸密封結(jié)構(gòu)與水輪機(jī)連接為一個(gè)整體，減少了由于擺動(dòng)帶來的不必要的磨損。

水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，多個(gè)密封環(huán)隨主軸擺動(dòng)而擺動(dòng)，密封環(huán)始終與大軸緊密接觸，可以有效阻止水中的泥沙通過密封環(huán)與主軸的間隙進(jìn)入密封，避免主軸與密封環(huán)的磨損破壞。密封圈隨主軸同速旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)梳齒密封。當(dāng)緊急停機(jī)，主軸向發(fā)電機(jī)方向移動(dòng)時(shí)，密封圈與主軸相對(duì)移動(dòng)，主軸復(fù)位時(shí)，再相對(duì)移動(dòng)，同時(shí)復(fù)位。

4.3 隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封優(yōu)點(diǎn)

通過設(shè)計(jì)由多道接觸式徑向可調(diào)密封組成的旋轉(zhuǎn)密封，使得密封水的壓力逐層減小，直至為零，有效減少了漏水量；水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，多道密封環(huán)通過密封壓蓋割開，密封環(huán)在各自的密封腔內(nèi)上下、左右擺動(dòng)，始終與主軸接觸，密封效果非常好。根據(jù)運(yùn)行情況分析，水輪機(jī)采用四道密封環(huán)已不再漏水，增加密封環(huán)數(shù)量會(huì)大大提高密封效果。

通過彈簧給密封塊提供徑向壓力，結(jié)構(gòu)簡單，密封效果良好；密封塊采用高分子材料，具有摩擦系數(shù)低、自潤滑的特性，密封塊為隨動(dòng)結(jié)構(gòu)，在密封腔內(nèi)上下、左右均有間隙，間隙內(nèi)有少量水作為潤滑劑，提高了密封塊的磨損能力，增加了主軸密封結(jié)構(gòu)的壽命。密封上下和左右均可調(diào)，密封塊允許干摩擦，在沒有任何密封潤滑水的情況下也可正常運(yùn)行。

根據(jù)電站的水質(zhì)、水頭、轉(zhuǎn)速，采用相同材質(zhì)材料(添加碳纖維和石墨的高分子材料)與不同布置的多層密封結(jié)構(gòu)，并與主軸接觸，結(jié)合動(dòng)靜間隙密封、旋轉(zhuǎn)甩水密封與臺(tái)階式間隙的特點(diǎn)，抗磨損、防泥沙效果顯著。

主軸密封可靠性高，價(jià)格低、運(yùn)行維護(hù)經(jīng)濟(jì)性好，所有容易磨損的密封件均可在市場輕易采購。

5 隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封實(shí)施效果評(píng)價(jià)

5.1 提升設(shè)備本質(zhì)安全

隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封封水效果得到顯著提高，機(jī)組頂蓋上水減小，提高了滲漏排水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，消除了水淹機(jī)組事故、水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)，有效提升了設(shè)備本質(zhì)安全水平。

5.2 提高經(jīng)濟(jì)效益

隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封的使用，有效減小了機(jī)組運(yùn)行過程中的頂蓋排水量，減少了電站排水系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，降低了綜合廠用電量。原主軸密封維護(hù)時(shí)需要拆解后返廠，對(duì)主軸密封巴氏合金進(jìn)行重新澆鑄；隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封可現(xiàn)場拆解、現(xiàn)場維護(hù)保養(yǎng)，維護(hù)方便、快捷，節(jié)約維護(hù)成本。隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封抗磨損、防泥沙功能良好，可提高機(jī)組主軸的密封性能，延長維保時(shí)間，維護(hù)工作量小，節(jié)省人力資源。

6 結(jié) 語

隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮了電站水輪機(jī)尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封使用三年來，漏水量僅為改造前的1/3左右，密封的磨損量很小，運(yùn)行可靠。

根據(jù)隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封改造過程與近幾年運(yùn)行維護(hù)情況分析，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，設(shè)備檢修維護(hù)方便。隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同水輪機(jī)密封漏水的壓力和流量等參數(shù)，對(duì)主軸密封性能進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，采用不同數(shù)量的密封層和不同材質(zhì)的密封環(huán)以適應(yīng)不同工況?；炝魇綑C(jī)組隨動(dòng)自調(diào)整主軸密封的研究應(yīng)用，提高了設(shè)備安全可靠性，減少了主軸密封裝置更換、維護(hù)的人工投入，提升了水電站經(jīng)濟(jì)效益，可在軸流式和貫流式機(jī)組中普遍推廣應(yīng)用。