水电站混流式机组随动自调整主轴密封应用研究

黄万虎 沈顺云 张续光

(华能甘肃水电开发有限公司，甘肃 兰州 730070)

水电站水轮机主轴密封是水轮机组的重要构件，起着水轮机转动部分与固定部分的承接作用。水电站机组运行过程中，为了防止压力水从转动部件和固定部件之间泄漏，通常在水轮机水导轴承和转轮之间设置水轮机的主轴密封部件[1]。如果主轴密封失效，就会出现水淹机坑、水导轴承烧坏等事故，造成电站被迫进行非计划停机检修[2]，直接影响到电站的安全以及电站的经济效益[3]。

1 工程概况

白龙江喜儿沟水电站位于甘肃省舟曲县境内的白龙江干流上游，电站为径流式水电站，额定水头57.8m，设计引用流量141m3/s，电站装有3台混流式机组，总装机容量72MW，年设计发电量2.85亿kW·h，年设计利用小时数3955h。电站水轮机转轮直径2.35m，主轴密封体外径1.25m、内径1.15 m，为间隙式迷宫密封。

2 原主轴密封结构及密封原理

喜儿沟水电站原水轮机主轴密封位于转动油盆外侧，水导轴承安装于转动油盆内，主轴密封作用是防止水轮机上冠间隙漏水通过上冠流道后沿着主轴上溢。主轴密封由密封体、密封座、密封盖、支撑体、止水环等组成。为防止损坏内侧转动油盆，在间隙式迷宫密封体内壁镶嵌巴氏合金，密封体依靠比较长的迷宫逐步减压，通过固定密封体内壁的巴氏合金与转动油盆外壁之间较小的间隙达到封水的效果。在密封体和转动油盆间通过0.35MPa压力清洁水，形成水封和润滑水膜，保证摩擦面良好的密封效果。这种形式的主轴密封结构，一方面要有少量水流入，起到润滑水封的作用，另一方面水量过大又会造成排水不及时的问题。间隙值的大小是影响密封效果的主要因素。

3 间隙式迷宫密封的缺点

喜儿沟电站原水轮机主轴密封体内壁镶嵌硬度较小的巴氏合金，这种密封体构造适用于泥沙含量较小水质的水电站。喜儿沟电站水轮机顶盖与转轮的上冠只有一道梳齿减压，导叶后转轮前的压力水经这一道梳齿直接进入主轴密封，使密封体前水压力达到0.35MPa，由于压力较大，密封间隙稍微增加，漏水量将大量增多。若过机水流含泥沙量大，流经主轴密封间隙时，主轴密封与转动油盆面存在液体摩擦、干摩擦及混合摩擦[4]，使得密封体巴氏合金磨损加快，间隙增大，漏水量加大。在机组投产发电初期，运行工况与设计阶段相符，水轮机主轴密封封水效果良好，但是随着运行年限的增加，机组各个部件不同程度发生磨损，尤其是随着上游河道水流泥沙含量的增多，主轴密封磨损严重，密封效果大打折扣，漏水加剧，影响电站的正常运行[1]。机组负荷增加，导叶开度加大，水轮机上止漏环漏水处水压增加，水轮机漏水量增大。机组负荷与密封体间隙直接决定机组轴向水推力，随着密封间隙和机组负荷的增大，轴向水推力都会随之增大，使机组振动加剧[5]，从而使机组整体稳定性受到影响。

4 随动自调整主轴密封应用

4.1 改造原则

主轴密封体改造的核心是有效解决运行过程中主轴密封的磨损问题和减少密封体的漏水问题。主轴密封改造可选择的结构形式多种多样，具体的形式必须根据现有设备的结构特点和尺寸来进行布置设计[6]。

喜儿沟水电站水轮机工作密封改造，以尽可能节约改造成本、尽量减少对水轮机本体结构的修改以及厂房整体布局的协调为总体要求，根据已有的主轴密封布置空间，在不更改水导轴承及转动油盆的条件下，以机组转动油盆外圆为基准，保持连接螺栓和定位止口尺寸不变，设计一种结构合理、适用于泥沙含量较大水质、使用寿命较长的新型密封结构。

4.2 随动自调整主轴密封结构设计

随动自调整主轴密封主要由空气围带盖、密封座、密封压盖、密封环、弹簧、橡皮条密封、压板及固定压紧螺栓等组成。空气围带盖套接在水轮机主轴外壁，密封座套接在水轮机主轴外壁上且安装在空气围带盖上，多个密封压盖依次拼合套接在水轮机主轴外壁上且安装在密封座上，在密封座和密封压盖内侧设计有密封腔，密封腔内设置有密封环，密封环与密封腔内壁之间安装有弹簧，密封环另一侧直接与水轮机主轴接触，由弹簧给密封环提供径向压力，压力大小由密封水的压力计算而定，向上密封环的弹簧力逐层减小，密封水逐次通过每一层密封环后压力降低为零。

随动自调整主轴密封由六层盒式密封上下叠加而成，第一道为间隙密封，进入盒式密封座；第二道为由六层相同材质材料组成的接触式密封；六层采用添加碳纤维和石墨的高分子材料的密封环与主轴紧密接触，接触压力由外围的不锈钢弹簧提供，其大小由密封计算确定。

为便于安装，所有密封座、密封盖等可拆卸部件均为分半结构，各个密封座与密封盖通过相互错位的螺栓连接，并形成六道密封腔。六个密封环逐个安装在六道密封腔中，并通过外圆上的弹簧使密封块与水轮机大轴紧密接触。在水轮机运行过程中，密封环随主轴摆动而摆动，密封环因密封水的压力不同而径向摆动使得密封环有效地减小了密封水的压力，又不会随着主轴在密封腔里进行轴向转动。

单个的密封环由六个密封块组成，每一个密封块与密封腔内壁之间安装有两个弹簧，通过对密封环的切分，使得各个密封块独自面对密封水的压力，大大减小密封环的磨损；密封块采用摩擦系数低、耐高温、抗磨性能强的高分子材料，有效提升了主轴密封的抗磨损能力，大大延长了主轴密封的使用寿命(见图1)。

图1 新型水轮机主轴密封结构示意图

安装时，利用密封腔与密封环之间的间隙涂满抗水性、机械安定性、防锈性和氧化安定性好的锂基润滑油脂，可以有效阻止泥沙进入密封腔内，避免泥沙对密封腔内部表面的磨损破坏。密封座和空气围带盖固定在水轮机顶盖上，使得整个主轴密封结构与水轮机连接为一个整体，减少了由于摆动带来的不必要的磨损。

水轮机运行时，多个密封环随主轴摆动而摆动，密封环始终与大轴紧密接触，可以有效阻止水中的泥沙通过密封环与主轴的间隙进入密封，避免主轴与密封环的磨损破坏。密封圈随主轴同速旋转，形成旋转梳齿密封。当紧急停机，主轴向发电机方向移动时，密封圈与主轴相对移动，主轴复位时，再相对移动，同时复位。

4.3 随动自调整主轴密封优点

通过设计由多道接触式径向可调密封组成的旋转密封，使得密封水的压力逐层减小，直至为零，有效减少了漏水量；水轮机运行时，多道密封环通过密封压盖割开，密封环在各自的密封腔内上下、左右摆动，始终与主轴接触，密封效果非常好。根据运行情况分析，水轮机采用四道密封环已不再漏水，增加密封环数量会大大提高密封效果。

通过弹簧给密封块提供径向压力，结构简单，密封效果良好；密封块采用高分子材料，具有摩擦系数低、自润滑的特性，密封块为随动结构，在密封腔内上下、左右均有间隙，间隙内有少量水作为润滑剂，提高了密封块的磨损能力，增加了主轴密封结构的寿命。密封上下和左右均可调，密封块允许干摩擦，在没有任何密封润滑水的情况下也可正常运行。

根据电站的水质、水头、转速，采用相同材质材料(添加碳纤维和石墨的高分子材料)与不同布置的多层密封结构，并与主轴接触，结合动静间隙密封、旋转甩水密封与台阶式间隙的特点，抗磨损、防泥沙效果显著。

主轴密封可靠性高，价格低、运行维护经济性好，所有容易磨损的密封件均可在市场轻易采购。

5 随动自调整主轴密封实施效果评价

5.1 提升设备本质安全

随动自调整主轴密封封水效果得到显著提高，机组顶盖上水减小，提高了渗漏排水系统运行可靠性，消除了水淹机组事故、水淹厂房的风险，有效提升了设备本质安全水平。

5.2 提高经济效益

随动自调整主轴密封的使用，有效减小了机组运行过程中的顶盖排水量，减少了电站排水系统的运行时间，降低了综合厂用电量。原主轴密封维护时需要拆解后返厂，对主轴密封巴氏合金进行重新浇铸；随动自调整主轴密封可现场拆解、现场维护保养，维护方便、快捷，节约维护成本。随动自调整主轴密封抗磨损、防泥沙功能良好，可提高机组主轴的密封性能，延长维保时间，维护工作量小，节省人力资源。

6 结 语

随动自调整主轴密封的结构设计，充分考虑了电站水轮机尺寸和结构特点，随动自调整主轴密封使用三年来，漏水量仅为改造前的1/3左右，密封的磨损量很小，运行可靠。

根据随动自调整主轴密封改造过程与近几年运行维护情况分析，改造后结构比原结构在安装、检修等方面有较大改善，设备检修维护方便。随动自调整主轴密封结构，可根据不同水轮机密封漏水的压力和流量等参数，对主轴密封性能进行科学计算，采用不同数量的密封层和不同材质的密封环以适应不同工况。混流式机组随动自调整主轴密封的研究应用，提高了设备安全可靠性，减少了主轴密封装置更换、维护的人工投入，提升了水电站经济效益，可在轴流式和贯流式机组中普遍推广应用。