清遠抽水蓄能電站水泵水輪機主軸密封設計探討

劉 旸，宋 翔，熊建平

[東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310016]

0 引言

水泵水輪機主軸密封是保障抽水蓄能機組連續安全運轉的關鍵部件之一，應有良好的封水性和封氣性。一方面，發電和抽水工況時，主軸密封用以減少或防止流道水從主軸與頂蓋之間間隙泄漏到機坑內，防止水淹水導的事故發生；另一方面，水泵壓水啟動和調相運行時，主軸密封用以防止密封腔內的壓縮空氣直接從主軸與頂蓋之間間隙泄漏到機坑內，保證工況之間的正常轉換。主軸密封的好壞直接關系到機組的運行安全、檢修周期及電站經濟效益。因此，水泵水輪機主軸密封的設計、制造及安裝等各個環節都需要非常重視。

目前抽水蓄能電站水泵水輪機常用的主軸密封形式有自補償端面密封和自補償徑向密封兩種，考慮了水泵水輪機主軸密封的運行條件復雜，為了保證密封面在各種復雜工況變化時具有良好配合，結合清遠抽水蓄能電站高水頭（高揚程）、高轉速、密封線速度較高的特點，東芝水電在清遠抽水蓄能電站選用了東芝公司在抽蓄電站有豐富運行業績及經驗的自補償徑向主軸密封結構形式。

1 水泵水輪機基本參數及密封基本條件

水輪機工況：最大水頭502.7m；額定水頭470m；最小水頭440.4m；額定轉速428.6r/min；飛逸轉速690r/min；額定出力326.5MW；額定流量77.65m3/s。水泵工況：最高揚程509.1m；最低揚程450.7m；最大輸入功率331.0MW；最大流量51.76m3/s。

被密封介質：水或空氣；被密封介質壓力：0.75～1.10MPa；主軸密封供水壓力：0.85～1.20MPa；額定轉速時密封處線速度：23.56m/s；飛逸時密封處線速度 ：37.93m/s。

2 主軸密封工作原理

清遠抽水蓄能電站水泵水輪機自補償型徑向密封由主軸抗磨環、三道工作密封環及彈簧組成，第一道密封環為樹脂密封環，之后兩道密封環為碳精密封環，如圖1所示。

圖1 徑向密封三維圖Fig.1 Radial main shaft seal three-dimensional modeling

其工作原理是：機組運行時，三道密封環在彈簧力作用下與主軸抗磨環之間保持一定的徑向壓力，密封潤滑清潔水在三道密封環與主軸抗磨環之間形成一層均勻的水膜，保持“非接觸式”密封，有效地阻止流道被密封水壓腔的壓力水或壓縮空氣流入頂蓋中，達到良好的封水、封氣效果。

具體描述如下，流道內的壓力水通過轉輪上止漏環間隙進入轉輪上冠與頂蓋之間形成的空腔內，然后通過主軸和頂蓋之間的間隙流到主軸密封支撐座下方被密封水壓腔。樹脂密封環及兩道碳精密封環在彈簧力的作用下，始終受到一個指向軸心的徑向力，壓在主軸抗磨環上。當在密封箱內注入帶壓力的潤滑清潔水時，清潔水通過密封環的密封腔進入密封環和抗磨環之間。當機組運行時，兩者之間形成水膜潤滑的摩擦副，水膜厚度一般在0.04～0.10mm之間比較適宜。由于彈簧力作用，潤滑水膜的厚度不隨密封磨損而變化，這樣一方面保證了密封環與主軸抗磨環不直接接觸，避免密封環快速磨損。另一方面，潤滑清潔水的壓力要求始終保證略大于被密封水壓腔水壓力，使清潔水一部分通過密封間隙流入頂蓋，并使得流入頂蓋的漏水量處于一個合適的水平；另一部分清潔水流入被密封水壓腔，以確保泥沙不會進入密封環與抗磨環的摩擦面。潤滑清潔水同時用于冷卻摩擦面，減小密封環發熱導致的磨損。

為了保證密封環受力平衡，保持潤滑水壓力與彈簧力平衡，彈簧設置的工作范圍在最優彈性區間內，同時在每瓣密封環與主軸抗磨環配合的工作面設置了一個合適的角度。該處受力如圖2所示。密封腔與密封工作面傾角示意如圖3所示。

圖2 密封環受力簡圖Fig.2 Force diagram of seal ring

圖3 密封腔與密封工作面傾角示意Fig.3 Inclination angle diagram of seal chamber and seal face

主軸密封潤滑清潔水取自尾水肘管頂部，經過離心泵加壓和濾水器過濾，直通主軸密封箱內。由于廠房海拔低于最低尾水位，所以進水球閥關閉、機組不運行時，主軸密封依然能得到來自尾水壓力的潤滑水，只有在機組運行時才需要啟動離心泵投入加壓后的潤滑水。

主軸密封潤滑清潔水從中層密封腔進入，向上、下密封腔流動。通過調整主軸密封供水管路上的閥門開度，使得最上層密封腔壓力最小；中層密封腔（即主軸密封供水腔）壓力最大；下層密封腔（即被密封水）壓力中等，略大于被密封水壓力，這也是這種自補償型徑向主軸密封結構最理想的工作狀態，可以延長密封環使用壽命。

3 主軸密封結構特點

主軸密封主體采用不銹鋼整鑄而成，結構緊湊，不設置排水箱，密封漏水直接排至頂蓋，并通過固定導葉自流排水孔及排水管排至集水井。主軸密封有三道密封環與抗磨環構成摩擦副。主軸密封結構簡圖如圖4所示。

圖4 主軸密封結構簡圖Fig.4 Main shaft seal structure diagram

3.1 摩擦副材料選擇

密封摩擦副作為密封結構的關鍵，材料的選用及可靠性是關注的重點。

主軸抗磨環安裝在主軸上，采用強度高、耐磨蝕性能良好的馬氏體不銹鋼板制造，其硬度高于樹脂密封環及碳精密封環，所以優先磨損的是密封環，能有效延長抗磨環的使用壽命，當主軸密封使用磨損到一定程度時，僅需對密封環進行更換，方便檢修。

清遠抽水蓄能電站主軸密封額定轉速時密封處線速度為23.56m/s，屬于一個較高水平，非正常工作條件下容易導致密封環磨損快的情況發生。合同規定工作密封至少運行18000h不用更換，為了延長碳精密封環使用壽命，在兩道碳精密封環前設置了一道樹脂密封環，可以起到良好抗腐蝕和抗泥沙磨損的作用，在密封清潔水壓異常時盡可能避免泥沙進入碳精密封環，有效地保護碳精密封環，延緩碳精密封環磨損。

碳精具有良好的導電、導熱、耐高溫、耐腐蝕、自潤滑性能，并且具有熱膨脹系數低、化學穩定性好、硬度較低的特點，是一種良好的密封環材料。

碳精密封在清水中的損耗非常少，但抗泥沙磨蝕的能力非常弱，所以保證摩擦副的潤滑水質也是至關重要的，因此需要選擇高精度濾網。采用兩道碳精密封環的目的是為了提高主軸密封可靠性，即使一道碳精密封環出現異常狀態，剩余的一道碳精密封環還可以起到密封作用，不會發生因密封失效而突然漏水量過大的情況，使電站有足夠的時間可以對密封進行處理。

3.2 密封環相關設計

為了方便密封環制造和安裝，并使密封環運行過程中及時得到冷卻、密封環磨損后具有自補償能力，碳精密封環和樹脂密封環分為多瓣制造，每瓣密封環之間安裝了止動塊止動，止動塊與每瓣密封環之間單邊留有1mm的間隙，機組運行時每瓣密封環的周向轉動就限制在1mm范圍內，密封環1mm間隙中通過的清潔水能帶走密封環產生的熱量，達到冷卻、散熱目的。通過彈簧的作用力確保密封環徑向受力均勻的同時，不會因機組工況的突然變化而產生較大的位移造成漏水量突然增大，同時又給密封環磨損后自動向內調整留了足夠的余量，達到自補償的效果。

4 主軸密封制造、安裝及調試要點

工廠內制造精度和現場安裝質量是保證主軸密封工作良好的關鍵。

為保證主軸密封的安全、穩定運行，防止密封塊與抗磨環發生偏磨，工廠制造時需要對主軸密封的加工面的垂直度和平行度進行精確控制。現場進行軸系盤車時，需保證軸系盤車數據在設計規定的擺度范圍內，防止機組運轉時主軸密封部位軸擺過大造成密封環偏磨。

現場安裝時需要對主軸密封相對于抗磨環的同心度進行控制，保證主軸密封與抗磨環的間隙均勻，間隙值在設計范圍內。

密封環安裝時需注意樹脂密封環和碳精密封環的安裝位置不能裝錯，同時各密封環的正、反不能顛倒，應嚴格按設計要求進行安裝。

調試過程中，需要及時記錄上、中、下三個密封腔壓力、主軸密封供水壓力及流量等數據，通過計算程序可以計算出當前流量、壓力下的主軸密封工作狀態，從而在調試過程中對主軸密封工作狀態進行評估并做出相應優化。

主軸密封投入運行后需特別注意以下幾點：

（1）潤滑水質：機組運行時主軸密封潤滑水必須投入，防止密封環與抗磨環產生干磨而導致密封環、抗磨環嚴重磨損；潤滑水過濾精度不小于100μm，避免水中混入大的泥沙顆粒而延長密封環使用壽命。

（2）潤滑水壓：潤滑水壓力必須大于被密封腔壓力，防止流道中不清潔水進入密封間隙而導致密封環、抗磨環快速磨損。

（3）水膜厚度：水膜厚度不應小于0.04mm，避免密封環與抗磨環直接接觸而磨損；同時密封清潔水壓不宜過大，以避免頂蓋漏水量偏大。

5 密封環磨損測量及更換條件

5.1 密封環與抗磨環的初期磨合

當機組首次運行時，由于現場安裝、主軸振動、擺度等原因，密封環在運行初期有個自適應調整過程，在此期間密封環會有少量的磨損，但在彈簧彈力的作用下，密封環會自動補償。自適應過后密封環就基本不會產生磨損。清遠抽水蓄能電站2號機碳精密封環磨損量如圖5所示，可以很清楚地看出運行初期有輕微磨損，運行一定時間后基本無磨損。

5.2 密封環磨損量測量

主軸密封對兩道碳精密封環設置了磨損量檢測裝置，如圖6所示。

碳精密封環的磨損量可以通過測量螺栓的擰入長度變化值得到，方法為測量兩次停機后的測長螺栓接觸密封壓環時露出密封箱的長度L，兩者差值即為碳精密封環磨損量。

圖5 清遠2號機碳精密封環磨損量（mm）Fig.5 Unit 2 of Qingyuan pumped storage power station carbon seal ring wear loss

圖6 碳精密封磨損量檢測裝置Fig.6 Wear loss detecting device of carbon seal ring

5.3 密封環更換判定標準

由于樹脂密封環設置位置的關系，無法直接設置磨損量測長螺栓。

實際上，密封環是否需要更換，需要通過漏入頂蓋的密封漏水量及碳精密封環的磨損量進行綜合判定。如果頂蓋漏水異常或者通過測長螺栓判定碳精密封環磨損量達到設計指定要求，則應考慮對主軸密封進行檢修，并根據實際情況確定是否需要更換碳精密封環及樹脂密封環。

6 主軸密封運行條件及效果

清遠抽水蓄能電站水泵水輪機主軸密封運行條件復雜：

（1）被密封水壓變幅大：電站發電運行水頭在440.4～502.7m范圍內變化，吸出高度達-66m，這使得主軸密封前被密封水壓腔壓力較高，并且壓力變化較大。

（2）工況轉換復雜：機組工況復雜、啟停頻繁。電站運行工況有發電、抽水、發電調相、抽水調相、停機等幾種工況，每天都要歷經約5次以上幾種工況，每種工況轉輪背壓側被密封腔壓力均會產生較大變化。在調相運行過程中主軸密封被密封腔為空氣，抽水及發電運行時主軸密封被密封腔為水。

（3）密封線速度高：機組順時針、逆時針雙向運轉，飛逸時密封處最大線速度可能高達37.93m/s。

（4）甩負荷調試要求高：調試階段機組經歷了一臺、兩臺乃至四臺機同時甩負荷，球閥動水關閉等機組振動較大的情況，對主軸密封的適應性要求高。

（5）綜合以上嚴峻的密封工作條件，主軸密封需要具有良好的封水、封氣性能，能在極短時間內適應被密封腔壓力的復雜變化，這對主軸密封設計是極大考驗。

清遠抽水蓄能電站采用的自補償型徑向密封，經歷了上述嚴峻工況的考驗，保證了良好的密封效果。例如：從1號機開始有水調試到四臺機全面投產，頂蓋側積水深度從未超過2cm，遠未達到頂蓋排水泵的最低起泵水位；機組調試階段在發電調相和抽水調相熱運行情況下，當轉輪室及尾水管充滿壓縮空氣時，保持尾水位的壓水供氣閥開啟次數屈指可數。尤其是4號機，在7小時的調相熱運行過程中，壓水供氣閥僅開啟了一次，證明了整臺機組的密閉性極其優秀。通過長時間的運行考驗表明，自補償型徑向主軸密封的封水、封氣效果良好，密封環磨損量小，能達到預期的使用壽命。

7 主軸密封設計探討

自補償型徑向主軸密封成功應用于高水頭、高轉速的清遠、西龍池[2]等抽水蓄能電站水泵水輪機主軸密封，這表明該形式主軸密封應用值得推廣，并可在下述方面進行探討：

（1）復雜工況轉換適應性。

針對水泵水輪機發電、抽水、調相、開停機各種復雜工況以及被密封腔壓力變幅大的特點，自補償型徑向主軸密封能具有良好的適應能力，能達到設計要求的封水、封氣性能，保證機組的安全穩定運行。

（2）密封環自補償能力及冷卻效果。

密封環最終磨損、更換是必然的，但如何有效達成密封環長久使用的要求，在自補償型徑向主軸密封的密封環結構設計時，一方面需要考慮密封環采用分塊瓦式結構，密封壓環在彈簧力作用下保持對密封環的壓緊力，使密封環磨損后能具備自補償功能，保證潤滑水膜變化相對穩定、均衡；另一方面，應充分考慮其運行時密封環的冷卻、散熱效果，及時帶走運行中產生的熱量，盡可能減緩密封環、抗磨環的燒損，延長密封環、抗磨環使用壽命。實踐表明，通過密封環及相關優化設計，可以實現密封環良好的自補償功能及預期的冷卻效果。

（3）密封潤滑水及漏水量調整。

密封潤滑水應保持清潔，并需實時監測潤滑水壓力及密封腔被密封水水壓，保證密封潤滑水壓力大于被密封水水壓。

由于密封潤滑水膜的厚度較難測定，很難保持在水膜厚度0.04mm的狀態，因此密封水壓實際設定可能比較高。這樣，主軸密封漏入頂蓋的漏水量可能較大，這應該是允許的。設計時應充分考慮漏水偏大情況時漏水排出措施，杜絕水淹水導情況的發生，保證機組的安全運行。

當然，在密封環磨損正常范圍內，如果漏水量異常偏大，可用調節密封潤滑水水壓的方式進行適當調整。

（4）結構緊湊及運行穩定性。

主軸密封不設置漏水箱而讓漏水直接排在頂蓋上，這樣可以減小主軸密封裝置的高度，從而可使水導軸承設置更靠近轉輪，結構緊湊，相對增強了機組運行的穩定性。

（5）制造及安裝調試控制。

在制造及安裝調試中嚴格把握設計目標也是非常重要的，可避免密封環處于異常工作狀態，延長密封環的使用壽命。

8 結束語

清遠抽水蓄能電站水泵水輪機主軸密封采用東芝公司成熟可靠的自補償型徑向主軸密封結構，密封結構緊湊，現場安裝、調試方便，能適應電站高水頭、高轉速、運行工況復雜、啟停頻繁等嚴峻的工作條件。電站機組投運后運行結果表明，主軸密封達到了設備運行要求的良好的封水、封氣效果，得到了設計院及業主的充分肯定。在今后高水頭、高轉速的抽水蓄能電站水泵水輪機設計中，可以推廣使用這種自補償型徑向主軸密封。

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劉 旸（1990—），男，助理工程師，主要研究方向：水輪機結構設計等。E-mail：liu.yang@toshiba-thpc.com