混流式水輪機傳統H 型主軸密封結構改進

何興民，彭賽文

（五凌電力有限公司碗米坡水電廠，湖南 湘西 416500）

某水電廠為立式混流式機組，其水輪機包括引水部件、導水部件、工作部件以及泄水部件，其中導水部件由頂蓋、底環以及導葉等組成，工作部件由轉輪、主軸等組成，頂蓋作為導水部件是靜止的，主軸作為工作部件是旋轉的，二者之間存在間隙，為了阻止水流從轉輪處上溢淹沒頂蓋和水導軸承，設置了主軸密封裝置。

正常情況下，水流經過端面密封時，已經被阻擋了大部分，小部分水流經過摩擦面起到潤滑的作用，然后被平板密封阻擋，最終溢出來的水會通過頂蓋自流排水孔或頂蓋排水泵排出，從而保證機組安全穩定運行。然而，在機組日常運行過程中可能因為水質變化、機組工況變化等原因造成密封件過度磨損，失去止水效果，導致頂蓋和水導軸承被淹，因此主軸密封有待進一步改造。本文通過分析目前該水電廠主軸密封存在的問題及原因，尋找解決問題的方案，以達到加強主軸密封效果、保障機組安全穩定運行的目的。

1 主軸工作密封結構及原理

某水電廠主軸工作密封包括端面密封和平板密封，如圖1 所示，端面密封采用水壓活塞式結構，主要由抗磨環、H 型密封、水封壓蓋及密封支座組成。抗磨環采用不銹鋼材料，通過螺釘與主軸螺栓保護罩固定；H 型密封采用丁苯橡膠材料，通過導向桿與水封壓蓋連接；水封壓蓋固定在密封支座上，密封支座固定在頂蓋上，二者的內外圓構成一個活塞腔可供H 型密封上下移動。水封壓蓋含有注水孔，供水壓力為0.05～0.15 MPa，H 型密封在水壓的作用下與抗磨環壓緊，達到阻止轉輪室水流通過的效果，因為抗磨環是轉動的，接觸面干磨會損壞H 型密封，所以通過注水孔進入H 型密封上腔的水經過H 型密封供水孔進入H 型密封下端面起潤滑作用。

端面密封不能完全阻止水流通過，還是會有大量的水流向頂蓋，所以在H 型主密封上方設置輔助平板密封，如圖1 所示，平板密封裝置由丁苯橡膠密封、托板、調整墊、壓環以及上環組成。平板密封的主要功能是在安裝于主軸上的上環與丁苯橡膠密封相互作用下，可以緩解漏水壓力及漏水方位從主軸徑向排出，確保水導軸承正常運行。托板對丁苯橡膠密封起到支撐作用，在停機狀態下，丁苯橡膠密封與上環的設計間隙為1 mm，為補償安裝誤差在平板密封底部設置紫銅調整墊，通過不同厚度的紫銅墊調整丁苯橡膠密封與上環間隙至1 mm 設計值，壓環通過螺栓與水封壓蓋連接，其作用是將丁苯橡膠密封、調整墊、托板壓緊防止漏水。

H 型橡膠密封與抗磨環的壓緊程度取決于技術供水壓力和轉輪室水流壓力的差值，差值過大會使H 型橡膠密封與抗磨環貼合過于緊密，導致進入二者中的潤滑水大量減少，出現干磨現象，差值過小會使H 型橡膠密封與抗磨環產生間隙，導致漏水量增加。轉輪室水壓根據上游水位而變化，那么為了防止出現H 型橡膠密封干磨和漏水量增加，要根據水位對技術供水的壓力進行調整，保證二者壓差在合適的范圍內。H 型橡膠密封在上下移動過程中以及抗磨環的摩擦下成為了一種易磨損部件，特別是在機組工況以及水質發生變化的情況下，容易發生過度磨損或偏磨失去封水效果，此時必須對H 型橡膠密封進行及時更換。

該電廠主軸工作密封已投入使用超10 年，期間曾數次更換H 型橡膠密封，但與H 型橡膠密封環配合的其他部件已經出現嚴重銹蝕、老化等現象，極大的增加了主軸密封的日常維護工作量、非計劃停機時間，影響生產發電效益及機組的穩定運行。

2 發現問題并分析原因

2020 年4 月，在進行現場安全巡查時，發現該電廠1 號機主軸密封部位漏水量明顯偏大，對比其他機組，1 號機頂蓋內水位明顯偏高。當時的處理辦法是在1 號機頂蓋上增設臨時排水泵，緊急備用，增強頂蓋排水能力，后期利用機組檢修機會對1 號機主軸密封漏水偏大問題進行修復。觀察發現，在汛期高水位機組滿發運行時，1 號機主軸密封不能有效阻擋水流從主軸與頂蓋之間間隙上溢，主軸密封部位漏水量將進一步增大，若漏水量超出頂蓋排水泵與頂蓋自流排水能力的總和，頂蓋水位將不斷雍高，致使水導軸承被淹或水淹水車室，造成機組非計劃停運。為了確保機組安全穩定運行，減小檢修維護的成本和難度，文中根據實際情況對主軸密封現有結構進行分析，發現存在以下幾個問題。

（1）水封壓蓋工作面銹蝕和磨損

主軸密封布置于水導軸承下方的頂蓋內部，安裝位置空間狹小，為方便H 型密封更換時拆裝水封壓蓋，水封壓蓋采用質量較輕的ZL102 鋁合金鑄造，雖然該材料鑄造性能優良，但是力學性能較差。因為水電站生產用水取自自然河流，不可避免地包含泥沙等雜質，所以在這些雜質的長期侵蝕、磨損作用下，水封壓蓋外圓表面即工作面出現了嚴重的銹蝕、磨損現象，如圖2 所示。主軸密封設計階段為了保證H 型橡膠密封上下移動過程中不發生卡澀并且與水封壓蓋外圓能充分、有效接觸發揮良好的密封作用，其外圓設計有較高的表面光潔度及圓度要求。現水封壓蓋工作面出現較為嚴重的銹蝕及磨損情況，表面粗糙度及圓度超出圖紙設計要求，導致H型密封的封水效果大大降低，發生局部嚴重偏磨現象，主軸密封漏水量大幅增加。

圖2 磨損、銹蝕的水封壓蓋

（2）水封壓蓋拆裝困難

水封壓蓋設計為兩瓣結構，在不拆卸水導軸承的前提下無法由頂蓋內部拆出，若出現水封壓蓋銹蝕、磨損嚴重而必須更換時只能臨時停機并拆除水導軸承進行更換，這將影響正常的生產、發電工作，增加日常維護工作量。

（3）水封壓蓋螺紋孔螺牙滑絲

更換H 型橡膠密封時需要拆裝平板密封壓環與鋁合金水封壓蓋的連接螺栓，由于鋁合金材料強度較低，多次拆裝與其連接的螺栓導致螺紋孔出現嚴重的螺牙滑絲現象，螺牙滑絲后無法處理，影響平板密封壓環與水封壓蓋的固定及壓緊，并最終導致此處漏水量增加。

（4）平板密封底部噴水

平板密封底部為紫銅材料的調整墊和Q235A鍍鋅材料的托板，調整墊及托板都為金屬材料且直徑較大，二者通過直接壓緊的方式連接很容易出現局部壓緊不充分而出現漏水問題。并且起壓緊作用的平板密封壓環與水封壓蓋之間的連接螺孔分布圓直徑為1 410 mm，但是螺孔設計數量只有12 個，螺栓數量設計偏少，也不利于平板密封的壓緊，所以導致平板密封結合面間出現噴水現象。

上述這些問題都將影響主軸密封的正常運行和密封作用，增加日常維護工作量，增加停機時間，影響發電效益，同時對機組的安全、穩定運行也有影響。為保證機組的安全穩定運行需要對主軸密封壓蓋及平板密封壓環處進行結構優化改造。

3 改進方案

根據主軸工作密封現結構存在的問題，對其進行以下幾個方面的改進。

（1）重造水封壓蓋

因為頂蓋內部空間狹小，為了方便對水封壓蓋進行安裝、拆卸，不宜采用重量大的材料，所以仍然使用ZL102 鋁合金材料澆鑄，在水封壓蓋與平板密封壓環固定螺栓孔處嵌入不銹鋼座，并在不銹鋼座處加工M20 螺紋孔，如圖3 所示。水封壓蓋由原來的兩瓣改為四瓣結構，如圖4 所示，四瓣水封壓蓋安裝時由頂蓋筋板之間通道搬至主軸密封安裝處，并在頂蓋內進行組裝。經復核頂蓋徑向筋板之間通道空間尺寸可以滿足1/4 水封壓蓋通過要求。

圖3 優化后的水封壓蓋結構示意圖1

圖4 優化后的水封壓蓋結構示意圖2

（2）改造平板密封壓環

原平板密封壓環設計厚度為15 mm，材料為Q235A 碳鋼，與水封壓蓋的連接螺栓數量及規格為12-M20。為提高平板密封壓環的強度及與水封壓蓋連接的有效性，將平板密封壓環的厚度增加至18 mm，與水封壓蓋的連接螺孔數量增加至20 個。

（3）優化平板密封連接方式

將平板密封壓環與水封壓蓋處的連接方式進行優化處理，如圖5 所示，在水封壓蓋上平面增加O型密封槽并安裝O 型橡膠密封條，安裝時在平板密封壓環分瓣面之間，托板、調整墊結合面之間涂樂泰密封膠增加輔助防漏水作用。

圖5 優化后的平板密封壓環

4 改進后預期效果

采用ZL102 鋁合金制作的新水封壓蓋輕便好用，工作面的表面光潔度及圓度滿足設計要求，水封壓蓋與H 型密封的配合將更加緊密，密封效果大大提升。改為四瓣結構，當水封壓蓋因過度磨損和銹蝕而必須更換時，可以在不拆解水導軸承的情況下對其進行更換，極大地縮減了檢修維護的時間成本。水封壓蓋20-M20 螺孔處為不銹鋼材料，即使多次拆裝此處螺栓也不會產生螺紋滑絲現象，方便設備維護，減少因此處螺紋滑絲產生的停機處理時間，同時也加強了此處螺栓的連接強度，提高了平板密封的可靠性。平板密封壓環連接螺栓的數量增加至20個，顯著提升了平板密封壓環對調整墊和托板的壓緊效果，增加的O 型密封結構又進一步防止噴水現象出現，平板密封底部漏水問題得到有效解決。

以上優化改造未改變主軸密封現有的主體結構，只是根據發生的問題進行局部優化，所以對主軸密封的工作性質、工作原理等都不會產生影響，具備充分的改造可行性。

5 結論

主軸密封作為水輪機最重要的部件之一，其結構和工作原理并不復雜，但是由于其工作環境復雜多變，它需要承受轉輪的摩擦以及水流中泥沙的沖蝕，一旦主軸密封的元件承受不住外部環境的影響，其簡單的結構就會出現磨損、變形甚至斷裂等問題。摩擦、沖蝕等外部因素是不可避免的，特別是到了主汛期，河流中的泥沙含量成倍增長，機組又處于滿發狀態，主軸密封面臨巨大的考驗，所以提升主軸密封的性能以應對復雜多變的環境是至關重要的。強化元件材料以及優化密封結構是唯一的解決辦法，通過這種方式，一是能夠消除密封大量漏水的安全隱患，二是能夠給檢修維護節約時間和經濟成本。優化改造雖然能夠解決當前存在的安全隱患，但不能消除復雜環境損壞主軸密封的可能性，所以日常巡視加強對主軸密封的關注才能保證機組運行的穩定與安全。