抽蓄機組無空氣圍帶式主軸密封施工技術

施庭東

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 工程概況

工程位于福建省福州市永泰縣白云鄉境內，共布置4 臺單機容量300 MW 的立軸單級混流可逆式水泵水輪發電機組，機組額定轉速428.6 r/min，額定水頭416 m。電站建成后主要承擔福建電網調峰、填谷、調頻、調相等任務，平均年發電量12 億kW·h，平均年抽水電量16 億kW·h，上水庫正常蓄水位657.00 m，下水庫正常蓄水位225.00 m，地下廠房機組安裝高程為136 m，地下廠房與下水庫落差89 m，主軸密封承受的靜水壓力約0.89 MPa。

2 主軸密封結構及工作原理簡述

2.1 主軸密封結構分析

抽水蓄能電站主軸密封設計在水導軸承下部，轉輪上部。主軸密封部件通常由檢修密封和工作密封組成，檢修密封又稱空氣圍帶，內部空氣圍帶布置于工作密封下部，作為第一道封水設備，只有在機組檢修或拆卸工作密封時投入使用。空氣圍帶采用橡膠材料制成，內部設計有空氣腔體，配置壓縮空氣管路，使用時從空氣圍帶的氣嘴端充入一定壓力的空氣，使空氣圍帶膨脹，抱緊大軸，起到密封壓力水的作用。使用完畢后，通過自動化系統控制泄掉氣體，空氣圍帶恢復原狀，恢復與主軸的間隙。受水庫水質和投退方式影響，空氣圍帶常出現投退不靈活、本體老化斷裂、氣密性不好等狀況，實用性不大的同時存在安全風險，故在福建永泰抽蓄電站設計時取消空氣圍帶，主軸密封僅有工作密封，下文提到的主軸密封專指工作密封。此種結構中若工作密封漏水量過大則存在頂蓋水位持續上漲，淹沒水導軸承，造成機組非計劃停運的風險，故對于工作密封的安裝質量和工藝要求極高。

圖1 無空氣圍帶式主軸密封剖面圖

工作密封主要部件包括抗磨板、密封環、浮動環、自動復位裝置、儲水裝置、自動化監測裝置以及附屬管路等。主軸密封安裝位置空間狹小，且搬運時只能通過頂蓋上部預留孔運輸，故制作時多采用分瓣結構，組合面處設置定位銷釘，現場圍繞水輪機主軸組裝成整體后裝入定位銷釘，最后預緊組合面把合螺栓，組裝后直徑1 855 mm。

表1 主軸密封主要部件參數統計表

2.2 主軸密封工作原理簡述

工作密封主要有接觸式密封和非接觸式密封，本文針對最為常見的接觸式密封展開介紹。工作密封既要避免與轉動部件產生機械摩擦，又需要密封住頂蓋下部水源。故采用硬質橡膠或尼龍材質制成U 型密封環，通過螺栓固定在浮動環底部，與上表面精加工的抗磨板相配合，浮動環與支持環間設置多組彈簧柱，通過彈簧柱給密封環施加一個向下的作用力，保證停機狀態下工作密封環緊貼抗磨板表面，以此封鎖頂蓋下部壓力水。

U 型密封環U 型腔內連接高壓軟管，通入外部壓力水。在機組啟動前，首先啟動水系統增壓設備，高壓水通入密封腔內，給予密封環一個向上的作用力，且該作用力稍大于彈簧柱向下的作用力，以此將工作密封環抬離抗磨板表面，使得抗磨板間與密封環產生微小間隙，保證轉動部件與固定部件不發生摩擦。同時供入的壓力水在密封環和抗磨板間形成水膜，起到潤滑作用，并封住間隙，減小漏水量。機組停運后關閉壓力水源，工作密封環則在彈簧柱的作用下恢復原位，密封水流。

在此結構的密封之下仍有少量水流會通過密封環漏到頂蓋處，為此在主軸密封外圍設置水箱用于儲存泄漏水，水箱內安裝排水管自流引走積水，保證頂蓋內部無積水。

水箱蓋頂部設置有主軸密封環的磨損監測裝置，由磨損指示桿、刻度板、指針等組成，指示桿固定在浮動環上并伸出水箱蓋，頂部位置安裝刻度板，指針則安裝到水箱蓋上，并配有自動化監測探頭，隨著主軸密封環的磨損浮動環也隨之下沉，進而帶動磨損指示桿下移，自動化監測探頭即可感應到下移量，從而監測密封環的磨損情況，判斷其運行狀況是否正常。

3 主軸密封安裝技術

3.1 施工順序

主軸密封安裝在機組軸線調整和定中心后進行，其安裝順序為：抗磨板安裝→浮動環與密封環預裝→浮動環與密封環安裝→支持環安裝→彈簧安裝→限位銷安裝→主軸擋水環安裝→水箱安裝→供水管路安裝→主軸密封頂起試驗→水箱蓋安裝→磨損指示裝置安裝。

3.2 抗磨板安裝

抗磨板安裝在水機軸與轉輪聯軸后進行。將水機軸抗磨板安裝面清理干凈，檢查該法蘭面和抗磨板組合面無毛刺，若有高點則作出標記，測量并記錄各瓣抗磨板的厚度，根據測量結果確定分瓣抗磨板相對位置。將抗磨板就位，調整螺栓孔基本不錯牙，且與頂蓋徑向間隙均勻，符合要求后安裝固定螺栓。調整抗磨板各瓣組合縫間隙，應不大于0.10 mm，并在分瓣面涂抹密封膠，密封膠涂裝時注意密封膠不能進入抗磨板與主軸之間，否則會影響抗磨板水平度。

完成后一邊檢查抗磨板與主軸法蘭面之間的間隙，一邊把緊抗磨板固定螺栓，直至抗磨板與主軸法蘭面無間隙為止，預緊后檢查螺栓螺釘頭不能凸出抗磨板工作面，避免主軸密封工作時快速磨損。檢查抗磨板分瓣面間無錯牙，抗磨板工作面水平不大于0.02 mm/m。最后逐個旋松螺栓涂抹螺紋鎖固劑，注意鎖固劑不得進入抗磨板與主軸間。再次檢查抗磨板分瓣面間無錯牙，工作面水平不大于0.02 mm/m。

機組軸線調整時架設百分表檢查抗磨板工作面端跳，端跳應不大于0.05 mm，以保證密封環與抗磨板能緊密貼合，達到封水效果。

3.3 密封環與浮動環安裝

在機組軸線調整定中心完成后逐一進行各部件安裝。清掃檢查后預組裝密封環與浮動環，檢查浮動環上密封環安裝槽平面度，合格后環繞主軸組裝成整體，預緊鎖固密封環與浮動環固定螺栓。清掃干凈后將組裝好的密封環和浮動環落到抗磨板上平面，初步調整位置后檢查密封環與抗磨板間無間隙。最終將分瓣浮動環組合面銷釘做圈焊處理，防止脫落。

3.4 支持環安裝

首先預組裝分瓣支持環，檢查組合面間隙和錯牙應符合要求。在機坑內環繞主軸將其組裝成整體，與浮動環預組合檢查徑向間隙為0.45~0.60 mm，符合要求后安裝密封圈，將浮動環與支持環正式組合，調節對稱間隙均勻后預緊支持環與頂蓋固定螺栓，保證浮動環能自由上下浮動。再次檢查抗磨板與密封環間無間隙，浮動環與支持環徑向間隙應符合要求，完成后鉆絞支持環與頂蓋定位銷。

3.5 彈簧等自動復位裝置安裝

將彈簧安裝孔清掃干凈，檢查無毛刺，測量彈簧孔深度應一致。對稱安裝彈簧并旋緊彈簧螺塞，注意檢查螺塞旋入深度應一致，保證各方向彈簧對密封環的作用力一致。

安裝止推塊、止動銷等限位件，調整止推塊與止動銷單邊間隙0.1~0.15 mm 后預緊螺栓。測量止推塊到支持環間的距離，將該測量值與密封環凸出浮動環的值做比較，保證此距離值比密封環凸出浮動環的值小1.5~2 mm，確保限位裝置能很好的發揮作用，不滿足要求時可對止推塊進行打磨或加墊處理。

3.6 主軸密封水箱及附件安裝

將兩瓣主軸擋水環環繞著主軸組成整體，調整位置后預緊組合螺栓，檢查擋水環與主軸間應無間隙，符合要求后對螺栓進行防松動固定。將分瓣水箱組合面檢查清洗完畢后圍繞主軸密封組裝成整體，檢查組合面無間隙并涂抹平面密封膠，符合要求后先預緊組合面螺栓，再預緊水箱與頂蓋固定螺栓。

3.7 密封環與浮動環頂起試驗

在附屬管路及潤滑水增壓設備安裝調試完成并且尾水流道已充水后進行浮動環頂起試驗，檢測浮動環浮動靈活性和密封環脫離抗磨板的距離，確保機組運行時不會燒毀工作密封環。在關閉潤滑水時架設百分表，4 個方向上均勻布置，架設完成后開啟潤滑水，觀測浮動環的抬升量，4 個觀測點應基本一致，且為0.05~0.1 mm，檢查時要求多次測量確認。潤滑水供水管道上設置有節流板，抬升量不滿足要求時則通過改變節流板孔的大小調節潤滑水的壓力和流量。

3.8 水箱蓋及磨損指示裝置安裝

頂起試驗完成后檢查水箱內無遺留物，將分瓣水箱蓋環繞主軸組裝成整體，檢查組合面錯牙及間隙符合要求后預緊螺栓，首先預緊組合面把合螺栓，再預緊水箱蓋與水箱固定螺栓。主軸擋水環抱緊在水輪機大軸上，跟隨大軸一起轉動，安裝時要控制水箱蓋與主軸擋水環之間徑向間隙，水箱蓋應高于擋水環，且兩者徑向間隙為5 mm，對稱方向間隙均勻，避免轉動時產生機械摩擦。

表2 浮動環頂起量與密封水壓力測量統計

依次安裝磨損指示桿、指針及刻度板，安裝時固定螺栓涂抹螺紋鎖固膠，避免產生松動后影響監測結果準確性。最后安裝自動化監測探頭并設定初始值。

4 結語

常規主軸密封在工作密封出現故障時，可立即投入空氣圍帶，防止下水庫存水涌入頂蓋，避免水淹廠房事故，多一道保護措施。本文介紹的無空氣圍帶式主軸密封結構，在抽水蓄能電站中首次使用，安裝時要求極高。主要控制項為抗磨板與主軸密封環的配合情況，抗磨板水平度、彈簧螺塞旋入深度以及潤滑水壓力大小等，既要保證主軸密封漏水量符合要求，又要保證機組運行時密封環不被燒毀。針對此類新型結構，施工過程中嚴控施工質量，機組運行前多次測量浮動環應浮動靈活，鑄造精品抽蓄。