水輪機主軸密封抗磨環水平調整方法淺析

羅前林，劉騰彬,陶吉全，黃 雄，趙世昊

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 引言

葛洲壩電站自建成以來其水輪發電機組已穩定運行30余年，機組的部分主要部件已出現老化，影響機組安全穩定運行；隨著三峽電站全面投產，汛期三峽機組滿負荷發電同時葛洲壩機組被迫棄水，降低了水利資源合理利用率，影響經濟效益。鑒于以上原因，葛洲壩電站自2013年開始實施水輪發電機組改造增容工作。葛洲壩電站水輪發電機組改造增容包括主軸密封改造，由雙層橡膠平板密封結構改為自補償型軸向端面密封。

改造后機組主軸密封為自補償型軸向端面密封結構，如圖1所示。機組運行時，壓力為0.15～0.25MPa的清潔水通過供水環管進入浮動環與密封圈，在密封圈與抗磨環間形成大于此處江水壓力的有壓水腔，將浮動環頂起，在密封圈與抗磨環間形成0.05～0.10 mm厚水膜，達到阻止江水進入水箱的效果。一部分清潔水通過水腔內徑側流入集水槽，經頂蓋泵抽走。在浮動環自身重力及彈簧彈力作用下，當密封圈發生磨損時會自行調整其位置，使其與抗磨環間水膜厚度保持不變，達到自行調整的效果[1]。

根據葛洲壩歷年的維護記錄，雙層橡膠平板密封的平均更換周期為2～3年，在汛期搶修更換密封時機組須停機，影響經濟效益。根據三峽機組同類型主軸密封運行情況來看，自補償式主軸密封的維護工作量低，甚至10年內無須維護，自補償式主軸密封的安全運行穩定性較高。

圖1 改造后自補償型主軸密封結構

新主軸密封安裝要求抗磨環整體水平值小于0.02 mm/m，跳動值小于0.05 mm。因主軸螺栓護蓋為分瓣組圓結構，安裝后其抗磨環安裝面的平面度無法滿足跳動值小于0.05 mm/m要求。抗磨環安裝和調平的難度較高。如采用傳統的卡耶里方法測量調整[2]，因抗磨環的徑向水平值經常超過0.40 mm/m，周向水平測量值會因水平儀擺放角度的不同多有變化，測量數據的準確性較差。在葛洲壩6F機組初次運用此方法時，合像水平儀讀數多達4 000多次，工作效率低下，安裝質量無法保證。因此，安裝人員嘗試運用基于盤車調整抗磨環的方法。

2 基于盤車調整抗磨環水平的原理和方法

葛洲壩水力發電機組為半傘式低水頭機組，從上至下依次有上導軸承、推力軸承和水導軸承三主軸承，其中推力軸承為彈性油箱結構，機組軸線通過上導軸承和水導軸承分別抱緊確定[3]。為了保證機組運行時處于最優工況，需要進行機組修后盤車，使機組旋轉中心和幾何中心重合，并保證機組鏡板水平小于0.02 mm/m。根據機組盤車的特點，在抗磨環處架百分表測量，修后盤車完成時，只要百分表水平跳動值小于0.05 mm，即可認為抗磨環調整合格。

采用盤車法測量并調整抗磨環水平伴隨著機組修后盤車過程同時進行，盤車前對抗磨環內外側各劃分N個測點，并在抗磨環上表面內、外側分別架設一個百分表，兩測量百分表針間距為d，具體位置如圖2所示。機組盤車過程及時記錄8個方向上導軸承、水導軸承處百分表讀數和推力軸承合像水平儀讀數，以及抗磨環各測點處百分表讀數。上導軸承和水導軸承處百分表讀數表示盤車時主軸的絕對擺度，推力軸承處合像水平儀讀數代表鏡板水平值，要求各部軸承擺度值小于0.05 mm，鏡板水平值小于0.02 mm/m。

由于百分表表座安放于機組固定部分，抗磨環安裝在轉動部件上，盤車時抗磨環跟隨主軸做圓周運動時，兩個百分表分別記錄內、外側各測點處讀數，內側讀數記為外側讀數記為，其中 k 取 1、2、…、N。

據盤車過程推力軸承處合像水平儀讀數計算出板水平值b1和與X軸夾角α，在抗磨環百分表初始測量點處使用合像水平儀測量內、外側水平值b2，則抗磨環在此位置內、外側高差Δg：

外側測點高程Gwk：

3 誤差分析及應用

3.1 盤車測量并調整抗磨環水平方法誤差分析

1)盤車過程中上導軸承和水導軸承處主軸擺動值均要求小于0.05 mm，機組水導軸承和上導軸承百分表架設處高程差值為13.23 m，因此主軸擺度對抗磨環內、外側水平可能最大影響值為0.008 mm/m，此誤差可通過優化盤車工藝減小。

2)測量和讀數誤差。包括推力軸承處合像水平儀誤差，抗磨環處百分表誤差和合像水平儀誤差。減小此誤差方法為使用高精度、檢驗合格的測量工器具；由熟練人員測量、記錄；保證合像水平儀放置平穩，接觸面無高點和毛刺；百分表架設過程中盡量保證表座穩固。

3)抗磨環剛性不足，導致抗磨環各測點加墊銅皮后影響鄰近測點高程，此誤差雖然無法消除，但其對整體水平值影響較小。

4)抗磨環各分半面有錯牙導致盤車時抗磨環上百分表跳動，盤車一圈后百分表無法回零，需要在盤車前處理錯牙，并對數據進行處理，從而減小此項誤差的影響。

3.2 盤車測量并調整抗磨環水平方法應用

盤車測量并調整抗磨環水平方法在葛洲壩電站水輪發電機組改造增容項目主軸密封安裝過程中廣泛應用，表1為6臺機組改造后主軸密封充水試驗浮動環四個方向的浮動量，其中4F、7F、11F、16F為哈爾濱電機廠設計、制造（簡稱哈電機組），12F和21F為東方電機廠設計、制造（簡稱東電機組）。由于改造后哈電機組主軸密封中彈簧彈性系數大于東電機組彈簧，導致哈電機組浮動環浮動量相對東電機組普遍偏小，但各機組浮動環均正常浮起，各方向浮動量較均勻，均能形成水膜，在機組正常運行時提供工作密封作用。這說明盤車測量并調整抗磨環水平法成功應用于水輪機自補償型軸向端面主軸密封的安裝。

表1 盤車測量并調整抗磨環水平方法應用葛洲壩電站機組主軸密封改造結果

4 結語

葛洲壩電站水輪發電機組水輪機改造增容將主軸密封中工作密封由雙層平板橡膠密封結構改造為自補償型軸向端面密封結構，主軸密封抗磨環安裝中創新性采用盤車測量并調整水平方法解決抗磨環調平工作量大，精度低的難題，大大縮短檢修工期，安裝后充水試驗浮動環上浮正常，機組運行期間主軸密封工作正常，改造后密封圈磨損量需要在機組后續運行過程中持續監測。

[1]秦巖平，陶吉全，馬明.葛洲壩電站水輪機主軸密封改造及運行情況分析[J].水電與新能源，2015（1）：66-68.

[2]牟官華.應用卡耶里（CAYERE）方法測量聯接法蘭面水平[J].水電站機電技術，2006（3）：5-7.

[3]肖剛，祁英明.淺談水輪發電機盤車調水平技術[J].中國高新技術企業，2012（25）：101-102.