混流式机组主轴密封性能分析及运行维护

邓树明

摘要：本文以某市抽水蓄能电站为例，首先介绍了混流式机组主轴密封的结构型式及主要参数，然后对其安装工艺进行了分析，最后对混流式机组主轴密封的运行原理进行了探讨，以便对其能够更好的进行运行维护。本文在为今后抽水蓄能电站能根据自身特点更合理、更灵活地选择主轴密封提供建议和帮助的同时，还希望能够为在建的高水头、高转速、高水位变幅的抽水蓄能电站主轴密封安装提供相应的工艺参考。

关键词：混流式机组、主轴密封、性能分析、运行维护

一、前言

水轮机的主轴密封是转动轴与固定部件之间的封水装置。在混流式水轮机中主轴密封通常与机组转轮的其它止漏部件（如梳齿结构、转轮泄水孔、均压排水管等）互相配合，互相适应；除减少机组的容积损失外，主要是为了保证机组的安全可靠运行。良好的主轴密封应具有良好的止水性能和耐久性，并保证在漏水不大的情况下，安全有效地运行一个大修周期。因此，一定要做好混流式机组主轴密封性能分析及运行维护工作。

二、工程概況

某市抽水蓄能电站是一座高水头，高水位变幅、高转速的纯抽水蓄能电站，水泵水轮机由日本日立公司制造，而其主轴密封则由分包商日本东芝公司制造，该密封具有技术含量高，加工精度高，密封效果好，结构紧凑，不生锈，使用寿命长等良好特点，此技术国际领先。

1、主轴密封运行条件

立轴、单级、混流可逆式水泵水轮机。水泵水轮机正常最大毛水头694.5m，最小毛水头629m，额定水头640m，机组额定转速500转/分钟，稳态飞逸转速：≤646.7r/min，水泵水轮机安装高程为723.0m，机组吸出高度—75m。水泵水轮机转轮水轮机工况进口直径4.27m，进水球阀直径为2.00m，尾水管出口直径为4.3m，机组采用上拆方式。

发电工况额定出力：306MW，水泵工况最大入力：319.6MW，水轮机工况额定流量：53.2m3/s，水泵工况最大流量：45.6m3/s，水泵工况最小流量：35.7m3/s，旋转方向：水轮机工况俯视为顺时针，水泵工况俯视为逆时针。

2、主轴密封的主要参数及工作原理

主轴密封整体为ZG15CR2MO1不锈钢铸造，各部件加工尺寸精度高，并在接合面采用“O”型密封圈密封、“丁”字型密封圈粘接、三角形沟槽，该密封按结构可分为固定部分和转动部分，转动部分为主轴护套和转动环，主轴护套分两瓣用精制销钉固定在主轴上并牢固焊接，转动环用精致销钉螺栓连接，固定部分采用不锈钢螺栓固定在顶盖上。

（1）主轴密封工作原理及结构分析。主轴密封按其使用的状态可分为工作密封和检修密封，采用上下结构。

检修密封：检修密封为端面密橡胶密封，在机组停机或检修时，充入小于0.7MP的压缩空气，使空气围带橡皮膨胀，抱紧主轴，防止水进入；当开机时，将空气围带里的压缩气体排除，使其收缩，让空气围带与主轴之间保持1.5～2mm的间隙。该检修密封结构简单，操作容易，密封效果好。

工作密封：工作密封属于径向密封，共三层。上、中两层是碳素密封，下层是树脂密封。固定在转轴转动环上形成环状密封面，由12块碳素密封组合而成，碳素密封、树脂密封有横、竖各两道减压进水小槽和五个准5mm进水小孔，减压进水小槽起到迷宫式密封的作用，耐磨，散热，耐腐蚀及润滑性能好。转动环表面由高强度、高光洁的合金钢构成。

（2）主轴密封工作流程：当机组发出开机令后，由LCU控制→主轴密封清水投入（压力为1.2MPa）→检修密封退出（气压消失）→清水由径向密封的进水管进入，通入对面的排水管调整压力与流量（使压力控制在大于1.2MPa，流量大于20L/min）→清水压力远大于顶盖涌入的尾水压力→尾水的水始终不能窜入各级密封，同时清水在各级密封间供水使主密封内侧润滑冷却→水轮机进入连续运转。

三、主轴密封安装工艺分析

1、主轴密封安装工艺流程

主轴密封安装是水轮机安装中极其重要的一环，必须严格按照相关工艺要求安装，以保证其良好的使用及运行。

检修密封安装→密封盒安装→检修密封供气装置安装→树枝密封安装→上、下碳素密封安装→密封盒盖安装→挡水环安装→主轴密封冷却、润滑水管安装→主轴密封附件安装。

2、不同的主轴密封其密封性能也不相同

主轴的密封有各种各样的方法，如何选用，需要与具体实际情况结合起来。对于镗、铣类主轴，由于线速度非常高，宜采用GMN密封圈密封，既保证了密封效果，又不会引起高的温升，但其缺点是价格相对较贵，而且需要进口，周期较长。对于钻、扩、铰和攻丝类主轴，就可以采用双层密封圈和气密封结合使用，其优点是价格便宜，易于实现，密封效果也比较好。如果在一个主轴箱中使用了两种润滑脂（油和油脂），就可以考虑使用V形密封圈来密封。这几种密封形式都已经具体应用在实践中，并能够很好的满足使用要求

通过对机组的运行情况进行分析，水轮机在停机后空气围带投入，顶盖水位恢复正常，通过此现象可判断橡胶空气围带能正常密封，由此可判断故障点在橡胶平板密封，而引起橡胶平板密封漏水有三种的情况。

3、主轴密封反应结构运行维护技术分析

（1）上下密封橡胶板安装时切口方向错误

一般情况下上、下密封的橡胶板都是圆形的结构，是使用过程中需要进行切割处理，在切口处因进行斜面处理，这样能保证切口部位的粘合能力，使切口的斜面与机组的转动方向一致，这样能避免切口在使用过程中出现开裂现象。如果切口倾斜方向逆着机组转动方向，机组运行过程中切口位置受力，会引起切口撕裂，达不到密封效果，造成主轴密封漏水。

（2）上下密封板要和密封橡胶板之间有合适的缝隙，要符合设计的要求，一般情况下上下密封板和密封橡胶之间的间隙控制在2毫米以内。如果上下密封板和橡胶板之间的间隙过大会出现主轴密封不严，产生漏水现象；如果上下密封板和橡胶密封板之间的间隙过小会产生一定的摩擦，造成密封设备的损坏，降低设备的使用寿命，随着使用时间的延长会出现密封故障。

4、主轴密封工作注意事项

在主轴密封安装过程中注意事项：不能敲击和碰撞碳素密封圈和树脂密封圈。安装前保持碳密封圈在水中，室内温度应恒定。

四、结束语

目前国内已投运的混流式水轮机较多，实际运行经验也证实了混流式水轮机的运行特 性很好。其应用前景广阔。虽然混流式水轮机有其很好的性能，但是也必须要对混流式机组主轴密封的性能进行分析，并做好其运行维护工作。只有这样，才能提高机组的启动成功率、从而确保电站的生产目标能够顺利完成。

参考文献：

[1]赵志文，游光华.高水头水泵水轮机组通流部件密封运行特点及改进[J].水电站机电技术，2010，（05）.

[2]邓隐北，张忠辉.水轮机的性能改进技术[J].水利电力科技，2012（02）.