水轮机主轴密封结构的优化改造

黄海平，欧阳瑞宏
(葛洲坝水力发电厂，湖北 宜昌443002)

　　关键词：水轮机；主轴密封；优化；改造；葛洲坝水电厂
　　摘　要：由于葛洲坝水电厂水轮机主轴密封装置在运行过程中暴露出一些问题，因此有针对性地对主轴密封装置进行了结构优化改造，并列入1999年科研课题。采取的主要措施是对主轴密封供水系统进行改造和采用VSH主轴衡压密封装置。改造后，水压稳定，运行可靠，既满足了生产的需要，又提高了机组运行可靠性。
　　葛洲坝水力发电厂21台轴流转桨式水轮机，原主轴密封结构有两种形式。其中，2台ZZ560水轮机采用可调水压的环形活塞式端面密封结构，其“П”型密封块为耐油耐磨橡胶，固定在环形活塞上组成环形密封圈，利用压力清洁水在活塞上、下腔形成水压差，使密封圈与在主轴法兰上的不锈钢抗磨环形成端面密封状态。密封圈可轴向移动，与抗磨环平面保持贴合。其余19台ZZ500水轮机则采用双层橡胶平板密封结构，两密封平板之间的水箱通压力清洁水，在水压的作用下，使上、下橡胶平板与固定在主轴上的转环和水箱座抗磨环平面贴合，起到止水密封作用。
　　1 原密封装置运行情况
　　活塞式端面密封装置自1980年10月投产以来，空载运行时水压调整极为困难，带负荷运行不足26 h，密封装置即出现大量漏水，两台顶盖排水泵难以排除漏水，造成水淹水导事故。运行112 h后，检查发现端面密封块磨损量达50 mm。维持运行两年后，发现转动环磨损量达7mm。该密封装置投运的2年时间内，发生过5次因密封失效严重漏水，被迫停机抢修时间达584 h，损失电量约5 300万kW·h。经多次检修和一系列的改进，暂时能维持运行，但密封漏水量大，顶盖泵启动频繁，而且汛期有大量泥沙进入顶盖，因泥沙淤塞，使顶盖泵无法运行，并曾多次清淤处理。同时，环形活塞易发卡、失效。由于该密封结构复杂，维护检修极为困难，于是，根据ZZ500水轮机双层平板密封的运行经验，于1983年8月将两台ZZ560水轮机的主轴端面密封改为双层平板密封。
　　双层平板密封的特点是：上密封平板静止，下密封平板随大轴转动，该结构一般在多泥沙的电站采用。双层平板密封装置自1982年投入运行，运行期间，水压极不稳定，压力表有时出现2.67×104 Pa(200 mmHg)的真空，有时出现0.2～0 MPa的压力，甚至密封装置有时冒烟和散发出烧焦的橡胶臭味，并经常出现密封失效而漏水的情况，运行不到2 000 h就发生过4次平板密封磨损而被迫停机检修。特别严重的是1983年3月份因密封烧损磨穿，造成密封大量漏水，3台顶盖泵全部启动也难以排除漏水，造成水淹水导轴承事故。分析其原因，其一是橡胶平板固定结构不尽合理。从该密封装置的结构来看，上平板外侧是大气压，只要密封水箱建立一定的水压，平板橡皮就产生变形(如图1所示)。水压越大平板橡皮变形越大，橡皮板与抗磨环贴得越紧，当无水渗出，就造成橡皮板烧损或损坏。如果水压减少（即管道压力真空值）到一定值时，上平板橡皮与抗磨环就会脱开，漏水量变大，水箱压力就无法建立。下密封平板与轮叶前水压相通，其运行条件要比上平板密封好些，即使轮叶前有时可能出现真空值，因下密封板是转动的，能调节运行条件。实践证明，下密封平板每次检查总比上平板磨损轻一些。其二是原设计中只重视了“密封”，认为只要密封得越严、止水效果就越好。但忽视了封得太严密会导致两磨擦面之间无法形成冷却润滑条件。双层平板密封系采用中硬耐磨橡皮，在干磨擦的情况下极易磨损。根据运行实践研究了密封改进方案。首先在上下密封平板上开24个楔形槽，在平板圆周均匀分布，楔形槽呈三角形，沿顺水流方向槽深逐渐变浅，且不将平板径向开通，Z大深度约2.5 mm，以便密封水箱的水进入平板进行冷却和润滑(见图2)。当水箱水压建立以后，由于平板橡胶工作面上开沟槽，实现了在运行中能保持良好的润滑条件，由于密封平面上有沟槽，压力水可以从沟槽射出，密封平板上下面形成水压差，使密封平板与抗磨环在水压作用下紧紧贴合。沟槽形状，由深渐浅，由大变小，在抗磨环旋转时有利于流动的水带入密封平板的工作表面，并在离心力的作用下甩出，将磨擦产生的热量带走，同时起到润滑作用，克服了在运行中出现干磨损。经过一段时间运行情况证明，改进是有效的，后来为了避免每次检修时，须在橡胶板上开槽，而直接在金属抗磨环上均布8个三角形沟槽。另外，在橡胶板下面增设托板，使橡胶板只悬出20 mm，保证橡胶板不因自重而变形下沉。此改进方案在全厂21台水轮机主轴密封上实施运行至今，效果良好。

　　2 需进一步改造的原因
　　双层平板密封经改进后，对保证机组安全运行的作用显着。但经过多年的运行和机组的某些结构优化后，也暴露了一些问题。
　　(1)二江电站水轮机的主轴密封供水改由厂内120 m³蓄水池的自流供水。这种供水方式难以满足主轴密封在运行中对水压的要求，尤其在汛期中尾水位抬高时，密封水压无法作相应的增加，难以达到止水效果，致使泥沙及浊水进入密封工作面，造成平板密封橡皮板磨损严重。特别是近几年汛期，因密封磨损增加了停机检修的次数，如1998～1999年汛期中，5、6号机因水封失效连续停机抢修3次。该密封装置由原来只是橡胶平板磨损失效发展到转动环的不锈钢工作面也严重磨损，磨损深度达3～4 mm。
　　2)双层平板结构也存在不足。该密封装置的结构为：上密封平板不动，而下密封平板随固定于大轴的转环一同转动，转环的防护靠围板，围板则长期浸泡在水中，经多年的运行围板严重锈蚀，一旦围板失效、后果较为严重。
　　(3)该密封装置的特点是空气围带设置在双层橡皮平板之下空气围带在运行中容易损坏。
　　(4)主轴密封装置位于水导轴承之下，检修场地及空间狭小，难以提高检修质量及工效。
　　 3 密封装置的优化及改造
　　2000年将密封装置的优化改造列入了科研课题，提出了以下几项改造建议。
　　(1)对主轴密封供水系统进行改造。原来，二江电厂7台水轮发电机组的主轴密封供水加压和推力轴承冷却水的加压共用一套技术清洁水系统。自机组推力轴承改为复合弹性塑料瓦后，取消了清洁水泵加压系统，并将主轴密封的供水方式改为取自厂内120 m³蓄水池的自流供水。120 m³蓄水池蓄水高程为59.5 m，主轴密封上平板的高程为40.52 m，总落差为18.98 m，扣除沿途管路损失压降，实际供给运行中的密封水压不足0.12 MPa。而该密封装置的设计要求及运行的实际需要，密封水压应在0.15～0.20 MPa范围内进行调整，故密封水压无法满足。于是，对原系统布置提出了改造方案。①在120 m³蓄水池的总进水管路及总出水管路之间加装一根连通管，密封压力水直接取自西坝水厂0.6 MPa的自来水系统；②在连通管两端安装调节阀门，以初步调节供水阀门水压力；③在阀门出口处安装压力表，便于调节水压时进行监视；④在调节阀及出口阀门之间再分支出一备用水管并安装常闭阀门，作为备用水源；⑤在各台机组水车室加装调节阀和压力表，用于精确调节水封压力。该项改进方案于2001年4月30日实施后，密封供水水压一直稳定在0.15～0.20 MPa之间，为机组的安全运行提供了保证。
　　 (2)采用VSH主轴衡压密封装置。VSH主轴衡压密封系对主轴进行轴间密封，润滑水注入两个密封表面间的环形空腔内，并形成一个分离旋转滑环和密封环间的水膜，密封环由弹簧紧压在护环上，保证了在机组静止且润滑水关闭后仍具有密封功能。其结构见图3。设计特点为密封环和转环之间没有直接接触，其间仅有润滑水，由润滑水形成一层水膜，因此密封环的磨损率极低。在机组瞬时负荷下，对主轴所产生的径向振动也不会敏感。

　　密封环的直径设计成能承受作用在密封环上的压力。并通过密封环侧腔的水压力，对水力旋流器的压力起反馈作用，使得密封环内腔和两侧的水压力始终保持动态平衡，维持在0.2 MPa左右，从而保障密封环对水压的变化不会敏感，这对尾水压力变化较大的水轮机来说尤其有利。
　　因为机组润滑水是直接进入密封体的，所以也可以在机组调相运行时使用。因为密封环能轴向运动，所以水轮机的旋转与固定部分之间的任何相对轴向运动，密封环都能随之进行补偿。VSH主轴衡压密封的密封水工作原理见图4。

　　据该装置对元器件和密封水的要求，采用部分德国进口元件，如，工作密封的密封件、密封压紧弹簧、衡压式水力旋流器；并保证进水水压不小于0.6 MPa，粗滤精度为0.5 mm。
　　4 结语
　　葛洲坝水电厂水轮机主轴密封装置进行优化改造后，投运一年来，水压稳定，运行可靠，表明改造方案思路正确，措施有效，既解决了生产中的实际问题，又满足了安全生产的需要。
　　参考文献
　　［1］贾鹤泉等.运行与管理［M］.北京：中国水利水电出版社，1998
　　［2］卢进玉.葛洲坝水电站水机设备改造综述［J］.中国三峡建设，2000，(11)