貫流式水輪發電機主軸密封改造

彭育斌

（湖南省安化縣株溪口水電廠，湖南 安化 413599）

1 前言

由于燈泡貫流式機組在低水頭電站具有投資成本低，效率高等特點，近20多年來，在國內已開發建設大量燈泡貫機組，數量和單機容量均遙居世界第一。燈泡貫流式機組由于其結構的復雜性，其檢修、維護的方便性遠不如立式機組，其中主軸密封的使用效果是影響電站檢修、維護工作量大小的一個關鍵因素。國內有不少燈炮貫流式電站由于主軸密封的可靠性不高，存在頻繁檢修主軸密封的情況，有些電站檢修主軸密封時間長達一個月之久，維護工作量極大，給電站工作人員帶來了較大的困擾。

主軸密封是燈泡貫機組的關鍵部件，由于機組水平布置的特點，主軸密封的安全性更加重要。一旦漏水量過大不能及時排走，可能造成嚴重的水淹機組的事故。同時，由于貫流機組內的空間小，對于主軸密封的設計、安裝、檢修維護的方便性等提出了更高的要求。我們在檢修、維護多個燈泡貫流式電站過程中，分析了燈泡貫機組主軸密封應用實踐中碰到的各種問題，近年來在主軸密封的技術改進和優化方面積累了豐富的經驗。也為系統內燈泡貫電站實施主軸密封技術改造提供了技術建議方案，為提高機組運行安全穩定性，減輕電站檢修維護工作量做出了一點成績。該文分析了系統內一燈泡貫機組的主軸密封特點、存在的問題及其改造實施過程。

2 主軸密封結構及密封原理

該電站原主軸密封采用傳統的填料結構，填料密封結構的特點是結構簡單，調整簡單，但運行可靠性和密封性能較差，在低轉速低水頭機組上大量使用，但由于各種原因，有不少機組出現了漏水量大、抗磨環磨損嚴重等問題。主軸密封結構如圖1所示。

圖1 主軸密封結構圖

主軸密封結構主要由抗磨環、水封座、水封壓蓋、甩水環等組成，通過水封壓蓋壓緊四道密封盤根與抗磨環外徑接觸而形成密封效果，盤根中間有一工字環，工字環的功能是使得潤滑水能均勻的進入盤根與抗磨環的接觸面，從而起到潤滑冷卻的作用。

填料密封是使用最早的密封結構，它能適用于各種轉動機械設備密封，該結構的關鍵部件為編織盤根。盤根是由碳纖維等編織而成，在纖維的空隙填有PTFE類潤滑材料，當水通過主軸與盤根間的間隙時，由于盤根表面有無數的微小空隙起到迷宮效應，使得滲漏水的流動受阻達到減小漏水量的目的。當盤根磨損后，由于盤根自身的彈性補償作用，加上壓蓋的彈簧作用，使得盤根與主軸表面間始終保持較小間隙，從而實現密封效果。

盤根與抗磨環和水封座間的壓緊配合對密封效果十分重要，壓緊力過小則漏水大，壓緊力過大則抗磨環發生嚴重磨損，使用壽命縮短。控制合適的壓緊力對于這種密封結構是很困難的也是十分關鍵的。

3 主軸密封存在的問題

原主軸密封結構上主要存在以下幾個方面的問題。

3.1 盤根徑向壓力分布不均

盤根受到軸向壓緊后，使其徑向與抗磨環緊貼并產生一定的壓緊力。如圖2所示，盤根的徑向壓緊力由外側向內側是逐漸減小的，而被密封的水的壓力則由內側向外側逐漸增加，盤根的徑向壓力與水壓力的分布是相反的。內側水壓力大但徑向壓緊力反而是最小的，這種壓緊力的分布不能使盤根發揮較好的密封作用。實際使用中，為了增加密封效果，會將盤根壓的過緊，則會導致抗磨環快速磨損，減短使用壽命。

圖2 填料密封示意圖和壓力分布圖

3.2 盤根散熱較差

由于盤根與抗磨環接觸面積大，該電站采用4道盤根，盤根與抗磨環的總接觸面積達0.25 m2，雖供有潤滑水，實際上由于壓緊力的不均勻使得局部并沒有潤滑水通過，從潤滑水流量開關經常斷流報警來看，潤滑水量是很小的，盤根本身的傳熱性能都較差，摩擦產生的熱量不能被帶走，導致局部發熱，抗磨環異常磨損，使用壽命顯著下降。

3.3 盤根補償能力差

水封座與抗磨環間的盤根安裝槽寬為25 mm，寬度較寬，當盤根磨損后徑向的補償量是很有限的，一般不超過其自身寬度的20%。由于徑向壓緊的不均勻導致壓蓋及彈簧的壓力不足以彌補盤根磨損后對其的壓緊跟蹤，須頻繁的壓緊壓蓋螺栓。

同時由于抗磨環的運行擺度一般均有0.2 mm~0.3 mm以上，盤根與抗磨環的間隙隨著主軸的轉動而發生周期性的變化，實際使用中的現象是進一步加快了磨損，漏水經常性變的很大。因此該結構并不能保證安全穩定運行，并且維護工作量大。

4 改造方案的選擇

主軸密封改造可選擇的結構形式多種多樣，具體的形式必須根據現有設備的結構特點和尺寸來進行布置設計，每個電站的改造方案都有較大的差別。我們在項目實施前期也咨詢了多家專業廠家的改造方案，根據我們的實踐經驗和綜合各廠家的意見，最終選擇了專業從事貫流機技改的浙研公司來實施該改造方案。

根據該電站特點和現有水封存在的問題，經過與浙研公司一起進行反復比較分析，最終采用了如圖3結構所示密封形式。改造結構由轉動環、迷宮密封齒、水封支撐、水封座、水封罩、檢修密封、調整環等部件組成。

圖3 改造方案結構圖

在轉動環外圓上依次排列四組環形迷宮密封齒，迷宮在內徑側和外徑側的深度盡可能大，根據經驗應該大于10 mm，達到15 mm時效果最好。水流經過迷宮齒后形成較大的水流損耗，經過迷宮密封齒后水壓大大降低，從而起到節流降壓的作用，以減少后面的密封環密封的水壓力，降低摩擦力，以免密封快速磨損，確保有足夠的使用壽命。同時迷宮密封齒也起到分離泥沙，清潔水流的作用。

在迷宮密封齒后設有密封環，密封環固定在主軸上隨主軸同時轉動，根據經驗，這樣布置遠好于密封布置在水封座固定的方式，使用壽命較長。但有時由于受布置空間的限制，只能將密封布置在水封座上，這樣布置的話必須引起足夠的重視，使用壽命可能會降低，有時需要通過設置潤滑水來延長使用壽命。轉動密封環與抗磨環間需要有一定的預壓量，使得密封與抗磨環貼合。機組運行過程中流道中的少量水會對密封板的摩擦面起到潤滑冷卻的作用，以防密封磨損嚴重。

密封環與抗磨環間留有一定間隙，一般間隙在2 mm左右，由于此處的漏水相對較少，容易發生干摩擦，較大的間隙可保證它不發生嚴重磨損。調整抗磨環上設有調整措施，可在現場方便調整與平板密封的間隙大小，調整間隙的大小需考慮機組在空載、滿負荷等不同工況下的竄動量，使二者相匹配。經過密封后仍有少量的漏水通過水封罩收集，在水封罩上游側設有甩水環，防止漏水沿主軸漏出。

5 主軸密封的制造安裝

考慮到改造項目尺寸匹配問題，設備制造時需先進行粗加工，留有足夠的余量，設備精加工前需在現場對相關的主軸、內錐體等主要部件的配合尺寸進行核對測量，然后根據實際測量結果后再進行精加工，以確保尺寸正確。對于改造項目來說這一環節很重要。

設備到現場后利用機組檢修期間進行更換安裝，由于轉動環是抱緊于主軸上的，與主軸的尺寸配合較精密，現場測量尺寸相對精度不夠，安裝后發現轉動環分半面仍有較大間隙，外圓擺度將達不到要求，后將轉動環返回加工廠進行再次加工以達到要求。最終轉動環的盤車盤度為20道左右，滿足設計要求。主軸密封設備全部安裝后，先做靜態試驗，然后做空載、滿負荷試驗，試驗通過后投入正式運行。

6 結語

根據主軸密封改造過程中的安裝來看，改造后結構比原結構在安裝、檢修等方面有較大改善，結構設計充分考慮到了電站現有特點。該電站主軸密封改造已投入運行三年多，漏水僅是原填料密封的三分之一左右，密封的磨損量很小，運行可靠，設備檢修維護方便。表明此次主軸密封改造的思路正確、措施得當，達到了改造的目的，可供其它貫流式電站借鑒。