角木塘水电站水轮机主轴密封漏水分析与处理

(贵州大唐国际道真水电开发有限公司，贵州 道真县，563500)

1 概述

角木塘水电站装有2台35MW立轴悬型轴流转桨式水轮发电机组，于2017年底先后投产发电。该机组的水轮机主轴密封是由弹簧、浮动环(含高分子材料密封件)、导向环、抗磨环等组成的端面密封(见图1、图2)。与传统的橡胶活塞式端面密封相比，这种密封结构具有运行稳定、受润滑水压力波动影响较小、安装调整方便、使用寿命长等优点，因此，这种密封近年在大中型电站应用较多。但角木塘电站两台机组在启动试运行阶段均出现了主轴密封漏水大的现象，1#机是第一台投运机组，漏水过大甚至影响到启动试验无法带上额定负荷。经电站业主牵头组织，电站、主机厂、密封专业厂家共同分析原因和研究处理方案，对处理前后的运行情况进行详细统计分析，通过几次循序渐进的处理和优化，使主轴密封漏水大的问题得到了妥善解决。

图1 主轴密封总图

1 抗磨环 2 密封件 3 弹簧 4 浮动环 5 调节螺钉 6 润滑水进水管

图2工作密封结构图

2 现象及初期处理

角木塘电站1#机组于2017年12月2日启动，在后续试验启停机过程中发现主轴密封漏水量大，表现为机组启动前检修密封围带气压撤出后顶盖水位上涨快，原设计配置的2台顶盖排水泵(流量10m3/h)启动抽水较频繁。机组空转后漏水量减小，排水泵不需启动。负荷增至9MW及以上时漏水量开始缓慢增加，排水泵需启动抽水。在负荷接近30MW时漏水量增加较快，需投入另外2台临时水泵(流量60m3/h)同时抽水，负荷大于33MW时漏水量明显增大，4台水泵同时抽水仍不能满足排水，需降负荷运行。1#机主轴密封出现问题时2#机正在总装，恰好准备安装主轴密封，业主方暂停了2#机主轴密封安装工作，将情况通报给主机厂，并要求针对1#机主轴密封漏水大的情况，分析改进，对2#机主轴密封进行处理，处理后再安装以免2#机发生相同问题。

2017年12月5日主机厂设计人员到现场观察1#机组主轴密封漏水情况，对不同工况下漏水情况进行了记录(见表1、表2)。

对2#机主轴密封浮动环配合尺寸进行了检测，根据1#机漏水情况和2#机实测数据，厂家判断漏水原因为浮动环配合尺寸不合理造成浮动环动作不灵活，封水面存在间隙造成漏水量偏大。2017年12月5日～7日对2#机主轴密封浮动环进行了返厂加工处理(配合段单侧间隙增加0.20mm)。

表1 密封供水水压0.22MPa时漏水情况 (时间：12月27日晚上)

表2 密封供水水压0.2MPa时漏水情况 (时间：12月28日上午)

2#机启动后，通过2#机空转、带负荷等试验过程观察，漏水量较1#机小，在30MW及以上漏水量有增大趋势，增加的速度比1#机显著降低(短时间内可不启动备用临时水泵抽水)。12月27日设计人员到电站后，在各负荷段对2#机主轴密封漏水情况进行了观察和记录。

3 原因分析

3.1 直接原因

机组运行时转动部件有一定轴向位移，主轴密封的浮动环要求轴向移动灵活，当固定在主轴上的抗磨环随转动部件一起下移时，浮动环也能及时跟随下移，使密封件与抗磨环之间形成较稳定的平面动密封。从漏水的现象和拆下的主轴密封检查情况，可以判断浮动环存在卡阻情况，导致浮动环没有与转动部件一起下移，密封件与抗磨环之间间隙增大。从表1、表2可见，转动部件在带负荷后有2mm左右下沉量，如果浮动环发卡，仍在原位置，则密封件与抗磨环之间就会有2mm左右的间隙，漏水就是从这个间隙流出到顶盖上。

3.2 间接原因

(1)主机厂第一次应用这种主轴密封，对该类型密封设计缺乏经验，配合尺寸和密封件参照液压活塞设计，摩擦阻力较大。这与密封外协厂的常规设计理念不一致，而双方在设计过程中没有统一。

(2)厂内加工时浮动环与导向环间隙比设计下限值略小，密封件压缩量偏大，进一步增加了摩擦阻力，导致浮动环动作不灵活。

(3)主机厂提供给主轴密封外协厂家的密封件摩擦力、水压等边界条件与实际的不一致，导致理论计算与实际情况偏差较大。

(4)厂内装配时没有做试验。现场安装人员也是第一次接触这种密封，对原理不熟悉，没能及时发现间隙偏小等异常情况。

4 处理过程

2#机初步处理后漏水有明显改善，说明浮动环发卡的问题已基本消除，但摩擦阻力还是偏大，导致浮动环还是不够灵活。如果采用加大润滑水压力来增加浮动环向下的力，一方面电站是低水头，技术供水为自流供水，需要另外设置加压装置，实施起来比较复杂。另一方面，润滑水在密封机组内部漏水的同时其本身也存在外漏，润滑水加压后存在漏水增大的可能性，需要机组运行时试验观察，漏水量能否改善不确定性较大。经反复讨论，采用增加弹簧压缩量的方案，这是最易实现的方案。第一次在弹簧处加垫4mm(增加压缩量4mm)，运行后观察，两台顶盖排水泵同时抽水基本能满足抽水，但水泵运行时间长，运行间隔时间短，这种情况对水泵寿命影响较大，且一台水泵故障，顶盖水位就会失控。第二次在弹簧处加垫10mm(增加压缩量10mm)，同时根据业主建议，主机厂将顶盖排水泵启停水位区间加大(调整为80mm～450mm区间)，采取以上措施后，开机带负荷观察2#机主轴密封漏水量明显减小，带额定负荷时顶盖排水泵单台泵启动抽水可满足要求，启泵间隔时间为18min，抽水时间5min，已达到主机厂初始设计要求。

在总结2#机处理经验的基础上，确定在1#机集中消缺期间对1#机主轴密封进行处理。除了应用在2#机上的处理措施，根据密封外协厂建议，对浮动环动密封进行调整，将矩形圈由外侧改到内侧，现场回装时在弹簧处加垫将弹簧压缩量再增加4mm。1#机消缺完毕，开机带负荷观察主轴密封漏水情况，漏水量明显减小，带额定负荷时顶盖排水泵单台泵启动抽水可满足要求，启泵间隔时间为20min，抽水时间5min。

处理结束到目前已有半年左右时间，从近期运行情况观察，处理后两台机组的主轴密封漏水量达到设计预期效果，原设计配置的顶盖排水泵抽水能满足要求。后续将由主机厂协调外协厂家复核弹簧受力情况，对弹簧重新选型并择机更换。电站将结合检修对主轴密封的密封件磨损情况进行检查，以确定密封使用寿命和检修周期。结合机组运行水头和润滑水压力、流量，水泵运行时间统计数据，进一步分析主轴密封漏水量与润滑水压力及流量的关系，总结运行规律，并将信息反馈给主机厂，可作为今后设计制造参考。

5 结语

该主轴密封结构是近年大中型水轮机上采用较多的结构，密封效果好，密封件损耗小，基本上没有发生密封失效的问题。角木塘电站主轴密封出现的问题及处理过程，使主机厂和电站有机会对密封的设计原理有更深入的认识，通过本电站实际应用，也证实了该型密封在设计、制造、装配、安装得当的前提下，是较好的一种密封结构，可以在其他水电项目水轮机上推广使用。