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水輪機主軸密封結構的優化改造
2010-02-25
黃海平，歐陽瑞宏
(葛洲壩水力發電廠，湖北 宜昌443002)
關鍵詞：水輪機；主軸密封；優化；改造；葛洲壩水電廠
摘 要：由于葛洲壩水電廠水輪機主軸密封裝置在運行過程中暴露出一些問題，因此有針對性地對主軸密封裝置進行了結構優化改造，并列入1999年科研課題。采取的主要措施是對主軸密封供水系統進行改造和采用VSH主軸衡壓密封裝置。改造后，水壓穩定，運行可靠，既滿足了生產的需要，又提高了機組運行可靠性。
葛洲壩水力發電廠21臺軸流轉槳式水輪機，原主軸密封結構有兩種形式。其中，2臺ZZ560水輪機采用可調水壓的環形活塞式端面密封結構，其“П”型密封塊為耐油耐磨橡膠，固定在環形活塞上組成環形密封圈，利用壓力清潔水在活塞上、下腔形成水壓差，使密封圈與在主軸法蘭上的不銹鋼抗磨環形成端面密封狀態。密封圈可軸向移動，與抗磨環平面保持貼合。其余19臺ZZ500水輪機則采用雙層橡膠平板密封結構，兩密封平板之間的水箱通壓力清潔水，在水壓的作用下，使上、下橡膠平板與固定在主軸上的轉環和水箱座抗磨環平面貼合，起到止水密封作用。
1 原密封裝置運行情況
活塞式端面密封裝置自1980年10月投產以來，空載運行時水壓調整極為困難，帶負荷運行不足26 h，密封裝置即出現大量漏水，兩臺頂蓋排水泵難以排除漏水，造成水淹水導事故。運行112 h后，檢查發現端面密封塊磨損量達50 mm。維持運行兩年后，發現轉動環磨損量達7mm。該密封裝置投運的2年時間內，發生過5次因密封失效嚴重漏水，被迫停機搶修時間達584 h，損失電量約5 300萬kW·h。經多次檢修和一系列的改進，暫時能維持運行，但密封漏水量大，頂蓋泵啟動頻繁，而且汛期有大量泥沙進入頂蓋，因泥沙淤塞，使頂蓋泵無法運行，并曾多次清淤處理。同時，環形活塞易發卡、失效。由于該密封結構復雜，維護檢修極為困難，于是，根據ZZ500水輪機雙層平板密封的運行經驗，于1983年8月將兩臺ZZ560水輪機的主軸端面密封改為雙層平板密封。
雙層平板密封的特點是：上密封平板靜止，下密封平板隨大軸轉動，該結構一般在多泥沙的電站采用。雙層平板密封裝置自1982年投入運行，運行期間，水壓極不穩定，壓力表有時出現2.67×104 Pa(200 mmHg)的真空，有時出現0.2～0 MPa的壓力，甚至密封裝置有時冒煙和散發出燒焦的橡膠臭味，并經常出現密封失效而漏水的情況，運行不到2 000 h就發生過4次平板密封磨損而被迫停機檢修。特別嚴重的是1983年3月份因密封燒損磨穿，造成密封大量漏水，3臺頂蓋泵全部啟動也難以排除漏水，造成水淹水導軸承事故。分析其原因，其一是橡膠平板固定結構不盡合理。從該密封裝置的結構來看，上平板外側是大氣壓，只要密封水箱建立一定的水壓，平板橡皮就產生變形(如圖1所示)。水壓越大平板橡皮變形越大，橡皮板與抗磨環貼得越緊，當無水滲出，就造成橡皮板燒損或損壞。如果水壓減少（即管道壓力真空值）到一定值時，上平板橡皮與抗磨環就會脫開，漏水量變大，水箱壓力就無法建立。下密封平板與輪葉前水壓相通，其運行條件要比上平板密封好些，即使輪葉前有時可能出現真空值，因下密封板是轉動的，能調節運行條件。實踐證明，下密封平板每次檢查總比上平板磨損輕一些。其二是原設計中只重視了“密封”，認為只要密封得越嚴、止水效果就越好。但忽視了封得太嚴密會導致兩磨擦面之間無法形成冷卻潤滑條件。雙層平板密封系采用中硬耐磨橡皮，在干磨擦的情況下極易磨損。根據運行實踐研究了密封改進方案。首先在上下密封平板上開24個楔形槽，在平板圓周均勻分布，楔形槽呈三角形，沿順水流方向槽深逐漸變淺，且不將平板徑向開通，Z大深度約2.5 mm，以便密封水箱的水進入平板進行冷卻和潤滑(見圖2)。當水箱水壓建立以后，由于平板橡膠工作面上開溝槽，實現了在運行中能保持良好的潤滑條件，由于密封平面上有溝槽，壓力水可以從溝槽射出，密封平板上下面形成水壓差，使密封平板與抗磨環在水壓作用下緊緊貼合。溝槽形狀，由深漸淺，由大變小，在抗磨環旋轉時有利于流動的水帶入密封平板的工作表面，并在離心力的作用下甩出，將磨擦產生的熱量帶走，同時起到潤滑作用，克服了在運行中出現干磨損。經過一段時間運行情況證明，改進是有效的，后來為了避免每次檢修時，須在橡膠板上開槽，而直接在金屬抗磨環上均布8個三角形溝槽。另外，在橡膠板下面增設托板，使橡膠板只懸出20 mm，保證橡膠板不因自重而變形下沉。此改進方案在全廠21臺水輪機主軸密封上實施運行至今，效果良好。
2 需進一步改造的原因
雙層平板密封經改進后，對保證機組安全運行的作用顯著。但經過多年的運行和機組的某些結構優化后，也暴露了一些問題。
(1)二江電站水輪機的主軸密封供水改由廠內120 m3蓄水池的自流供水。這種供水方式難以滿足主軸密封在運行中對水壓的要求，尤其在汛期中尾水位抬高時，密封水壓無法作相應的增加，難以達到止水效果，致使泥沙及濁水進入密封工作面，造成平板密封橡皮板磨損嚴重。特別是近幾年汛期，因密封磨損增加了停機檢修的次數，如1998～1999年汛期中，5、6號機因水封失效連續停機搶修3次。該密封裝置由原來只是橡膠平板磨損失效發展到轉動環的不銹鋼工作面也嚴重磨損，磨損深度達3～4 mm。
2)雙層平板結構也存在不足。該密封裝置的結構為：上密封平板不動，而下密封平板隨固定于大軸的轉環一同轉動，轉環的防護靠圍板，圍板則長期浸泡在水中，經多年的運行圍板嚴重銹蝕，一旦圍板失效、后果較為嚴重。
(3)該密封裝置的特點是空氣圍帶設置在雙層橡皮平板之下空氣圍帶在運行中容易損壞。
(4)主軸密封裝置位于水導軸承之下，檢修場地及空間狹小，難以提高檢修質量及工效。
3 密封裝置的優化及改造
2000年將密封裝置的優化改造列入了科研課題，提出了以下幾項改造建議。
(1)對主軸密封供水系統進行改造。原來，二江電廠7臺水輪發電機組的主軸密封供水加壓和推力軸承冷卻水的加壓共用一套技術清潔水系統。自機組推力軸承改為復合彈性塑料瓦后，取消了清潔水泵加壓系統，并將主軸密封的供水方式改為取自廠內120 m3蓄水池的自流供水。120 m3蓄水池蓄水高程為59.5 m，主軸密封上平板的高程為40.52 m，總落差為18.98 m，扣除沿途管路損失壓降，實際供給運行中的密封水壓不足0.12 MPa。而該密封裝置的設計要求及運行的實際需要，密封水壓應在0.15～0.20 MPa范圍內進行調整，故密封水壓無法滿足。于是，對原系統布置提出了改造方案。①在120 m3蓄水池的總進水管路及總出水管路之間加裝一根連通管，密封壓力水直接取自西壩水廠0.6 MPa的自來水系統；②在連通管兩端安裝調節閥門，以初步調節供水閥門水壓力；③在閥門出口處安裝壓力表，便于調節水壓時進行監視；④在調節閥及出口閥門之間再分支出一備用水管并安裝常閉閥門，作為備用水源；⑤在各臺機組水車室加裝調節閥和壓力表，用于精確調節水封壓力。該項改進方案于2001年4月30日實施后，密封供水水壓一直穩定在0.15～0.20 MPa之間，為機組的安全運行提供了保證。
(2)采用VSH主軸衡壓密封裝置。VSH主軸衡壓密封系對主軸進行軸間密封，潤滑水注入兩個密封表面間的環形空腔內，并形成一個分離旋轉滑環和密封環間的水膜，密封環由彈簧緊壓在護環上，保證了在機組靜止且潤滑水關閉后仍具有密封功能。其結構見圖3。設計特點為密封環和轉環之間沒有直接接觸，其間僅有潤滑水，由潤滑水形成一層水膜，因此密封環的磨損率極低。在機組瞬時負荷下，對主軸所產生的徑向振動也不會敏感。
密封環的直徑設計成能承受作用在密封環上的壓力。并通過密封環側腔的水壓力，對水力旋流器的壓力起反饋作用，使得密封環內腔和兩側的水壓力始終保持動態平衡，維持在0.2 MPa左右，從而保障密封環對水壓的變化不會敏感，這對尾水壓力變化較大的水輪機來說尤其有利。
因為機組潤滑水是直接進入密封體的，所以也可以在機組調相運行時使用。因為密封環能軸向運動，所以水輪機的旋轉與固定部分之間的任何相對軸向運動，密封環都能隨之進行補償。VSH主軸衡壓密封的密封水工作原理見圖4。
據該裝置對元器件和密封水的要求，采用部分德國進口元件，如，工作密封的密封件、密封壓緊彈簧、衡壓式水力旋流器；并保證進水水壓不小于0.6 MPa，粗濾精度為0.5 mm。
4 結語
葛洲壩水電廠水輪機主軸密封裝置進行優化改造后，投運一年來，水壓穩定，運行可靠，表明改造方案思路正確，措施有效，既解決了生產中的實際問題，又滿足了安全生產的需要。
參考文獻
［1］賈鶴泉等.運行與管理［M］.北京：中國水利水電出版社，1998
［2］盧進玉.葛洲壩水電站水機設備改造綜述［J］.中國三峽建設，2000，(11)
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