皂市水电站主轴密封漏水分析及处理方法

◎张旭杰 澧水公司江垭水电站

1.引言

水轮机进行主轴密封最关键的部分在于，确保转环和密封胶条可以顺利结合，根据水轮机的密封原理来看，主轴密封主要是依靠机组内转轮和其他组件的配合，以达到水轮机的密封效果。通过对水轮机主轴密封的故障原因进行分析，明确影响水轮机主轴密封的因素。

目前，在我国立式水轮机的应用中，大部分的主轴密封采用的都是平面交锋式的原理，水轮机经过长时间的运转，供水管道内很可能会被异物堵塞，导致主轴密封的效果减弱，从而导致水轮机出现漏水的情况，漏水情况较严重的话，很有可能到导致水轮机的轴承被水浸透，这样会影响到机组的正常运转，导致水电站的非计划停运[1]。本文分析了可能导致主轴密封漏水的因素，对主轴密封进行受力分析，明确了导致主轴密封漏水的因素。针对漏水因素，对主轴密封进行改造，通过观察改造后的机组运转情况，得出结论，本文的改造方案是合理的。

2.皂市水电站概述

皂城水电站地处洞庭湖河系中澧水下游的I型支流渫水运输，距湖南石门县19公里，距皂城镇2公里。枢纽工作以防洪为主，兼有发电、航运、供电、灌溉、旅游等综合利用。皂市水电厂内建有二个混流式水轮发电机组,每台单机容量为60MW,总装机120MW；最高水头65.6米，最低水头36.4米，额定水头50米；采用天津阿尔斯通型号为HLF161A0-LJ-400的半伞式混流发电机组。

3.机组运行情况及初步分析

3.1 主轴密封漏水情况

皂市水电站自2008年投产发电以来，运行值班人员发现渗漏集水井水泵启动频繁。根据运行日志统计：2台机停机时水泵平均10分钟启动一次，运行50分钟；1台机开机时水泵平均15分钟启动一次，运行22分钟；2台机开机时水泵平均30分钟启动一次，运行12分钟。从上述统计数据可以分析出：停机时水泵启动频繁且运行时间较长，开机后间隔时间变长且运行时间变短。说明渗漏集水井水位的变化来自于机组，与机组状态有关。由此可以初步推断为主轴密封漏水量较大。在2018年大修过程中发现，转环无任何磨损痕迹，说明主轴密封橡胶活塞与转环无接触，是造成渗漏集水井漏水量大的主要原因。

3.2 主轴密封漏水偏大造成的不良后果

（1）如果机组的运转的情况下，主轴密封突然损坏，将会导致水轮机出现大量漏水的情况，失去了主轴密封对水道内水的约束作用，导致水无法正常进入集水井内，如果水量较大还有可能出现喷射情况，从而烧毁水车室内的电子元件。

（2）机组如果在运行过程中出现水流喷射的情况，很有可能导致水珠溅射到水导轴承油盆内，机组内的润滑油如果遇见水将会发生乳化现象，会对轴承的润滑效果和散热效果造成一定程度上的影响，很可能导致机组出现烧瓦的情况。

（3）如果主轴密封装置的损坏情况比较严重，机组的漏水情况比较严重，无法采取一定的措施来控制，导致机组停机，不仅会导致经济受到一定程度的影响，还很有可能导致其他安全事故的发生。

机组停机后，很多设备无法正常运转，会导致主轴密封彻底失效，水道内的水失去了主轴密封的约束后，无法顺利流到集水井内，集水井的水泵启停次数将会增多。如果情况比较严重的话，将会导致集水井内的水位不断上升，水位溢出后，将会导致厂房被水淹。

3.3 主轴密封漏水的原故解析

根据水轮机密封装置的结构特点，水轮机的密封效果主要与密封块和转动抗磨片有关，如果两者间存在间隙，将会导致密封装置出现漏水的情况，以下几点将会导致密封装置漏水。

（1）由于水轮机供水管道的管径都比较小，水流受到密封块的影响，管道内的水流速度会更小，如果水流的压力较小，不能将密封块顶起，密封块和转环之间就会存在间隙，这样就会导致主轴密封出现漏水的情况。

（2）机组在正常运行的情况下，一般不会出现密封块和转换之间存在间隙的情况，但是如果供水管道内有异物，导致密封块无法在水压的作用下被顶起，使密封块和转环无法正常结合，都会导致主轴密封装置失效。

（3）在转动环上每一个速率方位都是在绕圈运动的和圆相切的直线角度，但是这物体接触和移动的方位是相反的，密封块在运作中的受力和重力、水压力、摩擦力有关，这样不停工作，因为定位销的束缚，常常会出现密封块的定位销孔和定位销合体，从而使得密封块损坏。

4.主轴密封的结构及运行原理

水轮机设计主轴密封是水轮机的一个重要保护，布置在水导轴承的底部。水轮机转轮止漏环会产生少量渗漏，这种漏水会顺着主轴部分和固定元件间的缝隙渗漏进机坑，淹没水导轴承，损害水导轴承的工作，阻碍其他装置的正常工作，危害发电机的运转，所以需要在主轴部分上设有止漏密封装置，简称主轴部件密封[2]。

皂市水电站水轮机运行的时候，橡胶密封条上腔通0.1MPa～0.2MPa的压力水，然后克服密封条的摩擦力和重量后将密封条压下去，把其压到主轴上的转环上止水流。橡胶密封条则是安装在活塞运动密封座里，该密封座安装有四个长度为十九毫米的定位销和二个长度为二十毫米供水销，这样使得密封条只能够左右活动，而不能够作环绕运行方向和按零点五径范围内的横向移动。密封条上有二个直径为二十四毫米的冷却及润滑孔[3]。工作密封供水管由Ø32mm变径为Ø20mm的环管供水。供水环管布置在顶盖外圆处，长9米。工作密封水滤网为油过滤器形式。具体结构如图1所示。

图1 主轴密封装置结构图

5.皂市水电站主轴密封的改造方案设计

为了改善水轮机主轴密封漏水的情况，本章对主轴密封装置进行受力分析，计算目前水轮机供水管道内的水压，对主轴密封的水量进行计算，计算内容包括，四个导向孔的漏水面积，两个冷却孔和润滑水孔的排水面积，两个供水孔的供水面积，从而分析导致水轮机主轴密封漏水的原因。针对目前的主轴密封提出改造方案，对改造后的主轴密封进行计算。

5.1 改造前受力分析

主轴密封动作需要克服橡胶密封条自身的重力和摩擦力：橡胶对不锈钢最大的干摩擦因数是1.50～0.75，主轴密封主要是因为水摩擦，其因数是0.20～0.25。

对主轴密封在自身重力下产生的压强进行计算：

P=(22.18×9.8）÷686.88÷10

=3.2KPa

因为想要保证密封块被顶起，必须对密封块施加足够的压强，按照正常情况来说，想要将密封块顶起需要施加9.5KPa的压强。

5.2 主轴密封的水量计算

（1）工作密封4个导向孔漏水面积（3.14×122-3.14×9.52）×4=675.1mm2。

（2）工作密封2个冷却、润滑水孔排水面积3.14×122×2=904.32mm2。

（3）2个Ø20mm供水孔供水面积3.14×102×2=628mm2。

（4）供水管路长，沿途流量损失大。

（5）工作密封水滤器精度过高，易堵塞，造成供水量减小。

可得结论：675.1mm2+904.32mm2＞628mm2加上沿途流量损失大，造成排水量大于供水量，主轴密封内无法建压推动橡胶密封条向下运动止水密封。

5.3 改造处理方法及理论计算

根据以上计算可知橡胶密封条的开孔尺寸造成漏水量大，导致主轴密封无法正常工作，因此对橡胶密封条孔洞封堵并重新开孔。即封堵橡胶密封条上6个Ø24mm通孔并钻4个Ø21mm导向孔和4个Ø8mm冷却、润滑水孔。

原设计主轴密封供水管管径为Ø32mm变径为Ø20mm长达9米的环管供水，管径偏小且距离长沿程损失较大。因此将主轴密封供水管由Ø32mm变径为Ø25mm的环管供水。供水环管布置在工作密封座内圆处，长2米。

图2 主轴密封过滤器

原主轴密封水过滤器为油过滤器型式，过滤精度过高容易造成堵塞，水流阻力大。为了改善管道的过滤条件，解决供水管道容易堵塞的问题，本文设计重新更换为水过滤器，为了保证过滤器的过滤效果，并加装Ø32的调节球阀。

改造后如图3所示。

图3 主轴密封供水管

5.3.1 受力分析

因未改变主轴密封的工作原理及结构，其受力未变化。

5.3.2 主轴密封的水量计算

①工作密封4个导向孔漏水面积（3.14×10.52-3.14×9.52）×4=251.2mm2。

②工作密封4个冷却、润滑水孔排水面积3.14×42×4=200.96mm2。

③2个Ø20 mm供水孔供水面积3.14×102×2=628mm2。

可得结论：251.2mm2+200.96mm2＜628mm2排水量小于供水量，进行主轴密封试压试验证明可以建立水压正常推动橡胶密封条。

6.改造后机组运行情况

主轴密封2018年改造完成后，现主轴密封装置运行正常。厂房渗漏集水井的水源主要来自#1、#2机组顶盖处的渗漏水，而顶盖渗漏水量的大小直接反应出主轴密封装置的好坏。于2019年7月份对厂房渗漏排水泵的运行情况进行了统计，数据如表1所示。

表1 主轴密封改造前后效果对比

根据表1数据可知：顶盖漏水量较以往减小1/2以上，改造效果显著，经济效益明显。通过数据可以证明，本文所设计的改造方案是合理的，可以有效的改善主轴密封的漏水情况。

7.结论

水轮机的主轴密封效果对整个水电站的运转来说，都是至关重要的，提高水轮机主轴密封的效果，不仅可以在极大程度上降低水电站的后期维护工作，还能保证水电站在长时间内保持安全稳定的运转[4]。本文对皂市水电站主轴密封漏水的因素进行了分析，明确了影响水轮机主轴密封的因素，为了改善水轮机主轴密封效果，针对主轴密封装置进行了改造，通过改变密封胶条的孔洞，改善供水管道的管径和长度，来提升水轮机主轴密封的效果。根据试验数据、试运行数据分析，本次主轴工作密封改造成功，主轴密封在改造后，极大程度上改善了轴密封漏水的现象，但是还是存在一定的漏水现象，没有实现主轴密封完全不漏水的效果，本文的改造方案还需要进一步完善[5]。