清蓄電站徑向式主軸密封分析

陳泓宇，何少潤，季懷杰（.中國南方電網調峰調頻發電公司清遠抽水蓄能建設管理局，廣東清遠5853；.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東廣州50630）

?

清蓄電站徑向式主軸密封分析

陳泓宇1，何少潤2，季懷杰1
（1.中國南方電網調峰調頻發電公司清遠抽水蓄能建設管理局，廣東清遠511853；2.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東廣州510630）

摘要：雙向旋轉的水泵水輪機一般具有安裝高程低、主軸密封壓力高的特點,目前多采用機械型平衡式軸向平面密封。由于設計、制造、材質選用及安裝精度等方面原因，主軸密封燒損和故障困擾著諸多抽水蓄能電站的運行人員，盡管采取了多種相對應的積極措施，但面對機組復雜多變的運行工況，密封件的自動調整能力還存在一定的局限性，密封件的強度、耐磨蝕能力及密封性能均難以達到至少運行18 000耀20 000 h密封件無需更換的合同要求。清遠抽水蓄能電站采用"東芝水電"設計的多層扇形塊式自補償徑向接觸型機械密封，由于設計漏水量為180耀220 L/min，遠大于機械型平衡式軸向平面密封的20 L/min而屢遭質疑。筆者認為，有必要對這種類型的主軸密封進行深入分析和全面評價。

關鍵詞：抽水蓄能；水泵水輪機；主軸密封

中圖分類號：TK730.3+25

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0003-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.002

1主軸密封結構特點

主軸密封的密封塊布置為軸向3層（上層/中層為碳精密封，下層為樹脂密封），每層周向由12塊高分子材料扇形塊組成封閉圓環（搭接方式參見圖1），環抱襯套1 050 mm不銹鋼（1Cr13）的旋轉軸頸。密封塊外徑設計為斜面結構（上層和中層密封斜面向上，下層密封斜面向下），上密封環為抗大氣密封，下密封環為抗水壓力密封，大氣壓力、水壓力與密封塊外周向拉伸彈簧的機械壓力共同維持對密封件合適的徑向力和軸向力。

主軸密封冷卻水分兩路通入3層密封環所形成的空腔，一路通過下環通孔注入起到潤滑、冷卻的效果，完成循環后的冷卻水經過密封腔后從上環通孔流出；另一路注入頂環下部通孔，保持頂環內壓力，有效的阻止了空氣進入密封腔內，同時冷卻水進入上密封塊循環潤滑、冷卻，經頂環上部通孔流出和頂環蓋溢出。

機組運行時，主軸密封端面將形成一層30～40μm的穩定的水膜，當密封間有滲漏時，由于密封環內外徑的壓差促使水流流動，而流體通過縫隙受到密封面水膜的粘性力作用，產生節流效果，壓力逐步降低而達到密封的效果。當工作密封塊磨損后，通過彈簧的彈力使工作密封塊沿著固定環徑向移動，起到密封自補償的作用。

圖1　主軸密封結構示意圖

2密封壓力平衡剖析

徑向主軸密封承受的密封壓力是指扇形密封塊應獲得的用于克服其與軸頸間的漏水壓力而實現密封作用的徑向力，由冷卻水壓力和彈簧力組成。引至扇形塊背側清潔壓力水的壓力是起主導作用的，彈簧力只占密封壓力的很小比例。

（1）密封水分為主輔2路，如下頁圖2所示。其中：

式中：P1—引入密封裝置的冷卻水壓力，MPa；

P2—密封裝置前被密封的水壓力，MPa；

（2）設置彈簧的目的主要用于提供安裝、停機時徑向抱緊軸頸的初始“抱緊力”，使密封塊能夠正確就位，并克服機組運行中的主軸振動，從而保證冷卻水能夠始終建立起穩定的密封壓力。

扇形密封塊達到最大補償量時作用于單塊扇形塊上的彈簧徑向力T：

式中：θ—彈簧力與主軸軸線間的銳角角度值，（°）；

K—系數，推薦K取1.2～1.5；

Ms—單塊扇形塊質量，kg；

G—重力加速度，m/s2。

亦即，當扇形密封塊達到最大補償量時，彈簧徑向力的最小值對扇形塊形成的軸向分力能夠克服扇形塊重力（忽略浮力作用）并略有裕量。

3密封內流向及流量分析

（1）如圖2所示，供水量Q=排水量Q1+排水量Q5，其中：Q1—頂蓋排水量；

Q2—上部密封之間間隙處漏水量；

Q3—上部密封滑動面處漏水量；

Q4—上部密封背面漏水量；

Q5—向密封下方的排出水量；

Q6—下部密封之間間隙處漏水量；

Q7—下部密封滑動面處漏水量；

Q8—下部密封背面漏水量。

且：

圖2　冷卻水的流向和壓力

（2）通過主軸密封裝置模型試驗進行換算，并考慮模型與真機運行狀態的差異，參考同類型主軸密封裝置的日本神流川電站的計算和實測數據，“東芝水電”計算清蓄機組的供水量為362.0 L/min，頂蓋排水量為192.3L/min；經估算余量后主軸密封供水量暫定為400 L/min，則其時頂蓋排水量約為210～220 L/min；而當機組停機主輔供水均停止時，主軸密封漏水量約為180 L/min。這就意味著，即便主軸密封冷卻水中斷，也不致出現即斷即燒損密封塊的現象（“東芝水電”的保證值是：正常工況可安全運行15 min，壓水工況時為3 min）。

（3）排到頂蓋的漏水依次經過中層密封和上層密封，分2個階段減壓，理想的狀態是：

P4／P3=0.5

式中：P4—上層密封背壓；

P3—中層密封背壓。一般，由于密封效果的不同會產生不平衡，其范圍是P4／P3=0.1～0.9。清蓄電站為了保持并調整該范圍，采用了可以向上層密封箱輔助供水并排水的設計。當上層、中層的密封背壓范圍超差（這種情況較多），即P4／P3＞0.9時可以采取打開上層排水閥或關閉上層供水閥的方式排出上層密封的壓力進行調整。同時，如若出現P4／P3＜0.1的情況（一般不會發生），則可以通過打開上層供水閥門或關閉上層排水閥門的方式進行調整。總之，在密封背壓超差時會產生供水量偏少或是漏水偏少的情況，而應調整背壓而不是提高供水量。

在實施壓力調整之后到壓力逐漸穩定約需1～2周的監控、調整，達到扇形密封塊與軸頸摩擦副總漏水量大于摩擦副冷卻所需過水流量，這樣就能帶走摩擦損耗產生的熱量，保持運行穩定、可靠。

4密封塊補償量及實際磨損量監測的完善

為保證扇形塊磨損后的自動補償，扇形塊之間的搭接需留有允許其徑向補償的“補償間隙B”：

式中：a—單邊徑向補償量，m；

Z—扇形塊數量。

“東芝水電”設計各密封塊間有6.0mm（參見圖2）的相等間距以確保密封塊均勻的直徑磨損，并形成清潔壓力水的適當泄漏，以提高潤滑和冷卻效果。

由于清蓄設備合同僅提出設置密封塊磨損量測量裝置的要求，“東芝水電”的設計如圖3所示，即：在密封塊背面以螺紋連接的形式安裝一根檢測棒伸出到密封箱外部，通過測量檢測棒的位移量來實現密封磨損量的監測，其測量值和初次測量值的差值即為磨損量（密封塊的最大磨損量為10 mm）。必須注意的是，測量后應將磨損檢測棒的螺桿外部長度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損速度或是引起破損。

圖3　密封塊磨損量監測

這就意味著，該徑向主軸密封未設置和密封扇形環一起徑向移動的磨損量檢測器，密封磨損量的測量須在機組停機或檢修時進行，而在運行中缺乏密封塊實際磨損量的監測。顯然，這對無人值班、少人值守的機組而言是很不協調的。

在設計聯絡階段，清蓄電站曾多次要求“東芝水電”采取相應措施使之具備能夠自動報警的功能，但都由于東芝方面以已滿足合同條款要求和缺乏自動監測業績為由而未果。

據悉，諸如瀑布溝水電站（GE公司設計）等工程項目的徑向式密封所采用的磨損量指示器裝置，就是可在機組運行中進行機械、電氣雙項指標檢測的成功方式（如圖4所示）。

圖4　瀑布溝電站主軸密封檢測磨損裝置

5結語

徑向式主軸密封結構相對簡單、布置緊湊、便于運行維護及更換密封件，具有軸向自由度大、徑向補償量大及對旋轉軸的振動、偏擺以及水輪機軸對密封腔的偏斜敏感度不高的特點。目前該密封形式已應用于加拿大GE公司設計的清江隔河巖電站、哈電設計的回龍抽水蓄能電站，效果較好。日本東芝公司設計制造的日本神流川、奧清津水電站等機組也采用了該密封形式，其中神流川電站為抽水蓄能水電站，水頭為675 m，揚程為728 m，其主軸密封性能、運行情況均良好。徑向式主軸密封不失為一種在可逆式機組中使用壽命長、應用前景可瞻的主軸密封結構。

當然該主軸密封形式也存在不足之處：

1）增設了主軸抗磨不銹鋼襯套（表面硬度260～300 HB），在其發生較大磨損時不易修復或更換。

2）扇形密封塊的材料對耐磨性、硬度及剛度、摩擦系數、加工性能及水中尺寸穩定性等要求較高，制造成本也較高。

因此，主軸密封結構形式的選擇需要綜合考慮，依據各個電站的實際情況選用適合于本電站的結構，以達到電站的可靠、經濟運行。

作者簡介：陳泓宇（1975-），男，工程師，從事電力系統運行檢修和基建工作。

收稿日期：2015-08-28