高水頭抽水蓄能機組主軸密封型式對比分析

王志楠，沈華哲，劉功亮，陳萬里，蔣玉林

（南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗分公司，廣東 廣州511400）

0 前言

高水頭抽水蓄能機組主要有五種穩定工況，分別是停機穩態、發電工況、發電調相工況、泵工況、抽水調相工況，期間還伴隨著各種工況轉換，這就需要主軸密封應具有良好的封水性和封氣性[1]。在發電和抽水工況時，密封介質是水，主軸密封用以控制從主軸與頂蓋間隙泄漏到機坑內流道的水量在合理范圍內，以免發生水導軸承甚至廠房被淹事故；其次在泵工況壓水啟動和機組調相運行時，密封介質是壓縮空氣，主軸密封要避免密封腔內的壓縮空氣直接從主軸與頂蓋之間的間隙泄露到機坑內，從而保證各個工況之間的轉換快捷有序[1]。因此主軸密封的運行好壞直接影響到機組運行安全及經濟效益。目前，高水頭抽水蓄能機組主軸密封常見型式有自補償式軸向密封和自補償式徑向密封兩種。

1 自補償式軸向主軸密封

1.1 自補償式軸向主軸密封結構特點及工作原理

某蓄能機組的主軸密封布置在水導軸承下方，整體由內頂蓋支撐。采用的型式是彈簧復位式流體靜壓平衡軸向密封，無水腔結構，主要由固定環、活動環、抗磨環、密封環、彈簧及供排水系統組成，如圖1所示。

固定環通過M24×100 mm的螺栓及錐度為2%的錐銷與密封支座連接固定；而密封支座通過M24×76 mm的螺栓及2個錐度為2%的錐銷與內頂蓋連接，對整個主軸密封起到支撐限位作用。

圖1 某機組自補償式軸向主軸密封結構

抗磨環直接與水輪機主軸下法蘭端面把合。抗磨環裝配時表面水平度須滿足0.02 mm/m的要求，內、外環最大波浪度不得超過0.10 mm，兩瓣結合縫間隙不得大于0.03 mm。密封環按照廠家建議采用了合成耐磨樹脂材料（CEDTIDUR賽思德爾），與抗磨環接觸表面上間隔均勻分布炭精小圓面，用來提高密封材料的潤滑作用[2]。

主軸密封工作原理是：活動環在上端壓緊彈簧的彈力、自身重力、水膜壓力、尾水壓力的綜合作用下，能夠在軸向上下移動，動態的維持抗磨環與密封環間的水膜厚度在設計范圍內。當機組運行時，尾水壓力將會變大，活動環受到向下的水壓力也會變大，從而使得活動環下移，造成抗磨環與密封環間的水膜厚度減小，于此同時水膜壓力也會對應升高，從而水膜厚度又保持在一個新的平衡點上。相反，機組停機時，尾水壓力會降低，活動環受到向下的水壓力減小，活動環便會上浮，水膜厚度會相應增大，同時水膜壓力便會減低，活動環又會動態取得新的平衡[3]。起密封作用的壓力水一部分經外環自抗磨環與密封支座間隙排入尾水（因供水壓力大于尾水）；另一部分由內環溢過密封上方進入水槽，經水槽側壁排水管排出（見圖2）。停機時，一方面彈簧具有預緊力，而且由于活動環上部面積大于下部面積，故機組在停機中斷主軸密封供水的情況下，由于尾水壓力的作用，密封環還是能夠起到密封作用，因此機組停機時，原則上不需要借助水冷卻。但實際中為了避免尾水中雜質進入密封面，機組停機時冷卻水還是不中斷的，但是時間久了，可能會導致抗磨環會被主軸密封供水沖刷成點狀的小坑，造成抗磨環與密封環之間局部間隙不均。張河灣蓄能電站大修時已經發現此類現象。

圖2 某機組自補償式軸向主軸密封供排水示意圖

1.2 自補償式徑向主軸密封結構特點及工作原理

某蓄能機組水泵水輪機采用自補償式徑向密封，共設有3層密封，各層密封均有12塊，安放于由碳鋼主軸密封支撐座、鑄鋼密封箱和不銹鋼密封箱蓋板組成的箱體內。如圖3所示。各層密封外徑側傾斜，傾斜面用分塊式密封壓環配合之后再在外側安上彈簧，密封周圍壓力所產生的分力將密封塊緊緊頂到大軸抗磨環上，起密封作用。因樹脂材料具有較好的韌性和抗泥沙能力，不易產生直接破壞，運行穩定；炭精屬脆性材料，具有較高的硬度，但易碎，抗泥沙磨蝕能力非常弱。而下層密封與尾水來水直接接觸，故該電站主軸密封上、中2層密封為碳精材料，下層為樹脂材料。下層樹脂材料密封能夠起到很好的抗泥沙磨損和抗腐蝕性功能，在主軸密封供水壓力降低或者中斷時最大可能的避免下游尾水中的泥沙、雜質進入上部密封導致炭精密封環磨損。

圖3 某機組自補償式徑向主軸密封結構

主軸密封抗磨環由2塊組成，2塊抗磨環抱軸后通過6顆M16 A的定扭矩螺栓固定，分瓣面處設置坡口焊接?？鼓キh外表面是抱軸固定、焊接后再機加工的。其材質為1Cr13（410馬氏體不銹鋼），強度高、耐磨性好。硬度明顯高于炭精密封環和樹脂密封環（硬度260～300 HB），如果抗磨環與密封環之間水膜破壞發生磨損時會優先磨損密封環，從而延長抗磨環的使用壽命。

主軸密封供水取自機組技術供水，經過濾器過濾后引至頂蓋內主軸密封供水集水器。主供水直接注入中層密封腔，再分別向上、下密封腔流動，輔助供水則通過上層密封箱上設有的2個輔助供水口，來保持上層密封箱內壓力。主軸密封主、輔供水分兩路排水：一路沿水輪機軸向下排至尾水；一路沿水輪機軸向上經甩水環與主軸密封蓋改變流向至頂蓋，經頂蓋背部開孔流向機坑，最終經頂蓋自流排水至集水廊道，詳見圖4。

圖4 某機組自補償式徑向主軸密封供排水示意圖

主軸密封工作原理：上、中、下三層密封在扇形密封塊背側主軸密封供水壓力及彈簧彈力共同作用下，一直受到一個指向軸心的徑向力，壓在主軸抗磨環上，機組運行時，主軸密封供水在密封環與抗磨環之間形成0.04～0.10 mm厚的水膜。由于彈簧力的補償作用，潤滑水膜厚度不隨著密封環磨損變化而變化，從而避免密封環快速磨損。

2 對比分析

通過對自補償式軸向主軸密封和自補償式徑向主軸密封結構及工作原理介紹，不難看出兩種主軸密封在設計上的差異及各自的長處與不足。

2.1 自補償式軸向主軸密封優點

（1）活動環為軸向浮動型結構，能夠靈活的隨著尾水壓力、水膜壓力的變化在軸向方向移動，從而避免機組事故抬機造成的損害，尤其對于尾水壓力脈動較大的水泵水輪機組，能較好適應蓄能機組起動頻繁、工況變換時震動大的特點。

（2）主軸密封對過渡過程中軸系的徑向振動沒有特別要求，即密封有較強的抗振性[3]。

（3）活動環采用“L”形設計，充分利用尾水自身的水壓力進行止水密封，停機時頂蓋漏水量減少，減少水資源浪費（泄漏量＜120 L/min），且制造成本低。

2.2 自補償式軸向主軸密封不足

（1）軸向密封結構較復雜，安裝工藝要求較高，尤其對抗磨環內、外環波浪度要求較高（最大波浪度不超過0.10 mm）。

（3）活動環材料剛性不足，可能變形，造成活動環隨動性變差，甚至出現卡阻現象，可能導致因密封面水膜遭到破壞而出現密封環與抗磨環損壞或漏水量變大的可能。

2.3 自補償式徑向主軸密封優點

（1）主軸密封不設漏水箱，漏水直接排到頂蓋，能夠一定程度上減少主軸密封的安裝高度，因此使水導軸承的設計可以更靠近轉輪，整體結構緊湊，相對增加機組運行的穩定性[4]。

（2）可靠性高：設置兩道炭精密封環，即使其中一道出現異常，剩余一道炭精密封環依然可以起到密封作用，不至于馬上出現漏水過大現象。

（3）結構簡單緊湊，所以安裝工藝較簡單，便于日常維護及更換密封件，更換某層密封環時不必全部解體。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傾斜敏感度不高的特點[4]。

2.4 自補償式徑向主軸密封不足

（1）因為抗磨環抱軸固定（表面硬度 260～300 HB），如果發生比較嚴重的磨損時，其修復及更換工作量較大，技術難度也很大。

（2）扇形密封塊材料對耐磨性、硬度、剛度、摩擦系數、加工性能及水中尺寸穩定性要求較高，制造成本也較高[5]。

（3）泄漏量較大（180～220 L/min），增加頂蓋排水壓力。

（4）主軸密封供水直接注入中層密封腔，再分別向上、下密封腔流動，通過調整供水管路上閥門開度的方式，能夠使得各層密封腔壓力符合設計要求，從而延長密封環使用壽命。如果閥門開度調整不合理或者疏忽各層密封腔背壓監測比值，這將可能造成各層密封腔壓力不理想，封水效果太好造成漏水量減少，容易造成密封溫度過高燒毀密封塊。

3 運行維護注意事項

根據設計理論及檢修經驗，對上述兩種主軸密封型式檢修維護工作建議如下：

（1）采用自補償徑向密封機組，在平時維護中，運行維護人員應多關注并重視中、上層密封背壓比，并根據比值變化采取相應措施（詳見圖5）。理想狀態是：

式中：P4-上層密封背壓；P3-中層密封背壓。

圖5 中、上層背壓監測示意圖

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。為了保持并調整該范圍，可采用操作輔助供排水閥門來實現。當上述比值大于0.9時（發生概率較大），可以采用打開上層排水閥或者關閉上層供水閥的方式對上層壓力進行調整。避免封水效果太好造成漏水量減少，容易造成上層密封塊溫度過高，嚴重時燒毀上層碳精密封塊。比值小于0.1時（發生概率較?。胧┡c上述相反，可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[5]。

主軸密封密封塊更換時，需整層更換。安裝時需保證每個密封塊的水腔開口朝向供水口出水側。并且三層主軸密封塊材質不可顛倒混淆，要與每層密封塊的設計材質一一對應。

（2）采用自補償式軸向密封的機組，檢修過程中如果遇到缺陷需要頂轉子操作，頂轉子過程中，主軸密封活動環連同密封環都會有一定上抬量且可能不均勻，為了避免因為上抬量不均勻，密封環與抗磨環間隙變大，漏水量迅速增大，甚至活動環發生“發卡”現象，轉子完全落下后，需要用千斤頂均勻下壓活動環，下壓后復測彈簧高度，并與檢修前測量值對比，必要時可打開主軸密封供水閥（不充尾水進行），在+Y、+X、-Y、-X 4個方向架設百分表測量密封環與抗磨環間水膜厚度是否均勻，從而判斷活動環是否動作靈活，確保密封環與抗磨環間隙均勻。

4 總結

上述兩種結構型式的主軸密封均已在大型抽水蓄能機組應用，代表著生產廠家當前最成熟的技術。自補償軸向密封已應用于張河灣電站、惠州蓄能電廠、廣州蓄能電廠等，自補償徑向密封型式已應用于日本神流川、奧清津水電站以及國內回龍抽水蓄能、西龍池抽水蓄能及清遠抽水蓄能等電站。目前兩種型式密封使用期間運行效果、密封性能各有所長。高水頭蓄能電廠主軸密封選型時也要根據電站自身水頭、轉速、密封處線速度等因素綜合考慮。希望上述對比分析及建議對以后抽水蓄能電站主軸密封結構設計、選型及檢修維護有所幫助。