清蓄电站径向式主轴密封分析

陈泓宇，何少润，季怀杰（.中国南方电网调峰调频发电公司清远抽水蓄能建设管理局，广东清远5853；.中国南方电网调峰调频发电公司，广东广州50630）



清蓄电站径向式主轴密封分析

陈泓宇1，何少润2，季怀杰1
（1.中国南方电网调峰调频发电公司清远抽水蓄能建设管理局，广东清远511853；2.中国南方电网调峰调频发电公司，广东广州510630）

摘要：双向旋转的水泵水轮机一般具有安装高程低、主轴密封压力高的特点,目前多采用机械型平衡式轴向平面密封。由于设计、制造、材质选用及安装精度等方面原因，主轴密封烧损和故障困扰着诸多抽水蓄能电站的运行人员，尽管采取了多种相对应的积极措施，但面对机组复杂多变的运行工况，密封件的自动调整能力还存在一定的局限性，密封件的强度、耐磨蚀能力及密封性能均难以达到至少运行18 000耀20 000 h密封件无需更换的合同要求。清远抽水蓄能电站采用"东芝水电"设计的多层扇形块式自补偿径向接触型机械密封，由于设计漏水量为180耀220 L/min，远大于机械型平衡式轴向平面密封的20 L/min而屡遭质疑。笔者认为，有必要对这种类型的主轴密封进行深入分析和全面评价。

关键词：抽水蓄能；水泵水轮机；主轴密封

中图分类号：TK730.3+25

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）03-0003-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.002

1主轴密封结构特点

主轴密封的密封块布置为轴向3层（上层/中层为碳精密封，下层为树脂密封），每层周向由12块高分子材料扇形块组成封闭圆环（搭接方式参见图1），环抱衬套1 050 mm不锈钢（1Cr13）的旋转轴颈。密封块外径设计为斜面结构（上层和中层密封斜面向上，下层密封斜面向下），上密封环为抗大气密封，下密封环为抗水压力密封，大气压力、水压力与密封块外周向拉伸弹簧的机械压力共同维持对密封件合适的径向力和轴向力。

主轴密封冷却水分两路通入3层密封环所形成的空腔，一路通过下环通孔注入起到润滑、冷却的效果，完成循环后的冷却水经过密封腔后从上环通孔流出；另一路注入顶环下部通孔，保持顶环内压力，有效的阻止了空气进入密封腔内，同时冷却水进入上密封块循环润滑、冷却，经顶环上部通孔流出和顶环盖溢出。

机组运行时，主轴密封端面将形成一层30～40μm的稳定的水膜，当密封间有渗漏时，由于密封环内外径的压差促使水流流动，而流体通过缝隙受到密封面水膜的粘性力作用，产生节流效果，压力逐步降低而达到密封的效果。当工作密封块磨损后，通过弹簧的弹力使工作密封块沿着固定环径向移动，起到密封自补偿的作用。

图1　主轴密封结构示意图

2密封压力平衡剖析

径向主轴密封承受的密封压力是指扇形密封块应获得的用于克服其与轴颈间的漏水压力而实现密封作用的径向力，由冷却水压力和弹簧力组成。引至扇形块背侧清洁压力水的压力是起主导作用的，弹簧力只占密封压力的很小比例。

（1）密封水分为主辅2路，如下页图2所示。其中：

式中：P1—引入密封装置的冷却水压力，MPa；

P2—密封装置前被密封的水压力，MPa；

（2）设置弹簧的目的主要用于提供安装、停机时径向抱紧轴颈的初始“抱紧力”，使密封块能够正确就位，并克服机组运行中的主轴振动，从而保证冷却水能够始终建立起稳定的密封压力。

扇形密封块达到最大补偿量时作用于单块扇形块上的弹簧径向力T：

式中：θ—弹簧力与主轴轴线间的锐角角度值，（°）；

K—系数，推荐K取1.2～1.5；

Ms—单块扇形块质量，kg；

G—重力加速度，m/s2。

亦即，当扇形密封块达到最大补偿量时，弹簧径向力的最小值对扇形块形成的轴向分力能够克服扇形块重力（忽略浮力作用）并略有裕量。

3密封内流向及流量分析

（1）如图2所示，供水量Q=排水量Q1+排水量Q5，其中：Q1—顶盖排水量；

Q2—上部密封之间间隙处漏水量；

Q3—上部密封滑动面处漏水量；

Q4—上部密封背面漏水量；

Q5—向密封下方的排出水量；

Q6—下部密封之间间隙处漏水量；

Q7—下部密封滑动面处漏水量；

Q8—下部密封背面漏水量。

且：

图2　冷却水的流向和压力

（2）通过主轴密封装置模型试验进行换算，并考虑模型与真机运行状态的差异，参考同类型主轴密封装置的日本神流川电站的计算和实测数据，“东芝水电”计算清蓄机组的供水量为362.0 L/min，顶盖排水量为192.3L/min；经估算余量后主轴密封供水量暂定为400 L/min，则其时顶盖排水量约为210～220 L/min；而当机组停机主辅供水均停止时，主轴密封漏水量约为180 L/min。这就意味着，即便主轴密封冷却水中断，也不致出现即断即烧损密封块的现象（“东芝水电”的保证值是：正常工况可安全运行15 min，压水工况时为3 min）。

（3）排到顶盖的漏水依次经过中层密封和上层密封，分2个阶段减压，理想的状态是：

P4／P3=0.5

式中：P4—上层密封背压；

P3—中层密封背压。一般，由于密封效果的不同会产生不平衡，其范围是P4／P3=0.1～0.9。清蓄电站为了保持并调整该范围，采用了可以向上层密封箱辅助供水并排水的设计。当上层、中层的密封背压范围超差（这种情况较多），即P4／P3＞0.9时可以采取打开上层排水阀或关闭上层供水阀的方式排出上层密封的压力进行调整。同时，如若出现P4／P3＜0.1的情况（一般不会发生），则可以通过打开上层供水阀门或关闭上层排水阀门的方式进行调整。总之，在密封背压超差时会产生供水量偏少或是漏水偏少的情况，而应调整背压而不是提高供水量。

在实施压力调整之后到压力逐渐稳定约需1～2周的监控、调整，达到扇形密封块与轴颈摩擦副总漏水量大于摩擦副冷却所需过水流量，这样就能带走摩擦损耗产生的热量，保持运行稳定、可靠。

4密封块补偿量及实际磨损量监测的完善

为保证扇形块磨损后的自动补偿，扇形块之间的搭接需留有允许其径向补偿的“补偿间隙B”：

式中：a—单边径向补偿量，m；

Z—扇形块数量。

“东芝水电”设计各密封块间有6.0mm（参见图2）的相等间距以确保密封块均匀的直径磨损，并形成清洁压力水的适当泄漏，以提高润滑和冷却效果。

由于清蓄设备合同仅提出设置密封块磨损量测量装置的要求，“东芝水电”的设计如图3所示，即：在密封块背面以螺纹连接的形式安装一根检测棒伸出到密封箱外部，通过测量检测棒的位移量来实现密封磨损量的监测，其测量值和初次测量值的差值即为磨损量（密封块的最大磨损量为10 mm）。必须注意的是，测量后应将磨损检测棒的螺杆外部长度L拉到80 mm以上的位置用螺母固定，以免加速碳精密封的磨损速度或是引起破损。

图3　密封块磨损量监测

这就意味着，该径向主轴密封未设置和密封扇形环一起径向移动的磨损量检测器，密封磨损量的测量须在机组停机或检修时进行，而在运行中缺乏密封块实际磨损量的监测。显然，这对无人值班、少人值守的机组而言是很不协调的。

在设计联络阶段，清蓄电站曾多次要求“东芝水电”采取相应措施使之具备能够自动报警的功能，但都由于东芝方面以已满足合同条款要求和缺乏自动监测业绩为由而未果。

据悉，诸如瀑布沟水电站（GE公司设计）等工程项目的径向式密封所采用的磨损量指示器装置，就是可在机组运行中进行机械、电气双项指标检测的成功方式（如图4所示）。

图4　瀑布沟电站主轴密封检测磨损装置

5结语

径向式主轴密封结构相对简单、布置紧凑、便于运行维护及更换密封件，具有轴向自由度大、径向补偿量大及对旋转轴的振动、偏摆以及水轮机轴对密封腔的偏斜敏感度不高的特点。目前该密封形式已应用于加拿大GE公司设计的清江隔河岩电站、哈电设计的回龙抽水蓄能电站，效果较好。日本东芝公司设计制造的日本神流川、奥清津水电站等机组也采用了该密封形式，其中神流川电站为抽水蓄能水电站，水头为675 m，扬程为728 m，其主轴密封性能、运行情况均良好。径向式主轴密封不失为一种在可逆式机组中使用寿命长、应用前景可瞻的主轴密封结构。

当然该主轴密封形式也存在不足之处：

1）增设了主轴抗磨不锈钢衬套（表面硬度260～300 HB），在其发生较大磨损时不易修复或更换。

2）扇形密封块的材料对耐磨性、硬度及刚度、摩擦系数、加工性能及水中尺寸稳定性等要求较高，制造成本也较高。

因此，主轴密封结构形式的选择需要综合考虑，依据各个电站的实际情况选用适合于本电站的结构，以达到电站的可靠、经济运行。

作者简介：陈泓宇（1975-），男，工程师，从事电力系统运行检修和基建工作。

收稿日期：2015-08-28