李佳楠，蔣巍巍，魏世全，李 宇

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

枕頭壩一級水電站位于四川省樂山市金口河區(qū)，電站裝機(jī)4臺立軸半傘式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，型號為ZZ519.3-LH-875，單機(jī)容量180 MW，額定水頭30 m，額定轉(zhuǎn)速83.3 r/min，于2014年底投產(chǎn)發(fā)電[1]。2019年汛期，該站1號機(jī)組在滿負(fù)荷工況下均出現(xiàn)主軸密封漏水量大的問題，威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，檢修公司組織人員對此進(jìn)行深入分析，找出了問題所在，對浮動(dòng)環(huán)密封裝置進(jìn)行現(xiàn)場處理，解決了滿負(fù)荷工況下主軸密封漏水問題，提高了設(shè)備可靠性。

1 主軸密封裝置介紹

該機(jī)組主軸密封型式為浮動(dòng)環(huán)密封，由抗磨環(huán)、密封塊、浮動(dòng)環(huán)及彈簧組成，如圖1所示。此類密封裝置是利用密封介質(zhì)壓力，使浮動(dòng)環(huán)下方的密封塊貼緊抗磨環(huán)，并在貼合面形成一種極薄的液膜，而達(dá)到密封效果。與傳統(tǒng)的橡膠活塞式端面密封相比，這種密封結(jié)構(gòu)具有運(yùn)行穩(wěn)定、受潤滑水壓力波動(dòng)影響較小、安裝調(diào)整方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，近年在大中型電站應(yīng)用較多[2-4]。

圖1 主軸密封結(jié)構(gòu)圖

2 缺陷現(xiàn)象及原因分析

2.1 缺陷現(xiàn)象及初期分析

2019年汛期，枕頭壩水電站1號機(jī)組在帶滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，頂蓋漏水量明顯增大，頂蓋排水泵啟運(yùn)時(shí)間較長，啟泵間隔時(shí)間明顯縮短。通過調(diào)研電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，1號機(jī)組在170 MW負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)，頂蓋排水泵啟動(dòng)間隔時(shí)間約為12 min一次，主軸密封水壓約為0.36 MPa，與其他機(jī)組水壓接近，且主軸密封漏水量正常。當(dāng)在170 MW負(fù)荷以上運(yùn)行時(shí)，頂蓋排水泵啟動(dòng)間隔時(shí)間縮短為5 min一次，主軸密封水壓約為0.34 MPa，同時(shí)檢查主軸密封運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)漏水量明顯增大，如表1所示。

表1 滿負(fù)荷及非滿負(fù)荷工況下主軸密封漏水情況表

2.2 初期探究

枕頭壩電站主軸密封是利用“壓力水膜”封水，若主軸密封水壓過低，則不足以封住頂蓋漏水。檢修人員分析后提出的解決思路是通過對潤滑水孔進(jìn)行增壓改造，縮小其孔徑，增大出水壓力。經(jīng)過試運(yùn)行，滿負(fù)荷下主軸密封漏水量大的問題仍然未得到有效解決，如表2所示。

表2 不同水壓下主軸密封漏水情況表

結(jié)合表2可知，此時(shí)主軸密封漏水量已經(jīng)與潤滑水壓無直接聯(lián)系，極有可能是由于內(nèi)嵌于浮動(dòng)環(huán)下方的密封塊與抗磨環(huán)之間的貼合面距離過大。推斷密封塊與抗磨環(huán)貼合面距離過大的原因可能是浮動(dòng)環(huán)彈簧壓緊力不夠，通過給浮動(dòng)環(huán)彈簧加裝墊片，如圖2所示，增加其壓緊力，經(jīng)過試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，問題仍然存在。

圖2 浮動(dòng)環(huán)彈簧加裝墊片圖

經(jīng)過上述兩種方案試驗(yàn)后，采用特性要因排除法，結(jié)合漏水現(xiàn)象和拆下的主軸密封檢查情況，基本可以判定在滿負(fù)荷時(shí)，浮動(dòng)環(huán)軸向運(yùn)動(dòng)存在一定卡阻且無法自行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致浮動(dòng)環(huán)下方的密封塊和抗磨環(huán)之間的間隙過大，從而“封不住水”。

2.3 原因分析

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，受到軸向水推力的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)部件存在一定的軸向下沉，導(dǎo)致固定在主軸上的抗磨環(huán)隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件一起下移，因此主軸密封的浮動(dòng)環(huán)要求能夠靈活地軸向移動(dòng)，使密封塊與抗磨環(huán)之間的貼合面水膜趨于穩(wěn)定。

正常情況(非滿負(fù)荷)，軸向水推力引起的下沉量較小，浮動(dòng)環(huán)能夠正常軸向移動(dòng)，使得密封塊和抗磨環(huán)之間的間隙滿足設(shè)計(jì)要求，因此主軸密封漏水量趨于正常。

滿負(fù)荷下，機(jī)組導(dǎo)葉和槳葉通過協(xié)聯(lián)作用，輸出一個(gè)大的流量沖擊轉(zhuǎn)輪，而當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速一定時(shí)，流量越大，軸向水推力也越大，轉(zhuǎn)動(dòng)部件及固定在主軸上的抗磨環(huán)的下移量也隨之增大。當(dāng)下移量超過浮動(dòng)環(huán)的固有移動(dòng)行程，使得浮動(dòng)環(huán)無法繼續(xù)伴隨抗磨環(huán)一起同步下移，密封塊與抗磨環(huán)之間的間隙就會(huì)突然變大，導(dǎo)致主軸密封漏水量在滿負(fù)荷工況下較大[5]。

3 問題處理

枕頭壩電站主軸密封浮動(dòng)環(huán)上方設(shè)有顯示密封塊磨損量的導(dǎo)向板，如圖3所示。通過測量其刻度線，可判斷密封塊磨損量，從而在密封塊磨損失效之前及時(shí)更換。

圖3 導(dǎo)向板圖

檢修人員推斷是該導(dǎo)向板限制了滿負(fù)荷下浮動(dòng)環(huán)的軸向下移。為了印證推斷，檢修人員在主軸及浮動(dòng)環(huán)上分別獨(dú)立加裝了測量軸向位移的表計(jì)，如圖4所示，通過試運(yùn)行，測量得出主軸的下沉量超出浮動(dòng)環(huán)的下移量接近5 mm。

圖4 裝設(shè)測量軸向位移的表計(jì)圖

導(dǎo)向板除了顯示密封塊磨損量，還有限制浮動(dòng)環(huán)徑向運(yùn)動(dòng)的作用，不能輕易拆除。因此，檢修人員經(jīng)過充分考慮，在滿足經(jīng)濟(jì)及安全的前提下，在導(dǎo)向板下方加裝了7 mm的墊片，增加了浮動(dòng)環(huán)下移的固有行程，預(yù)期到達(dá)在滿負(fù)荷下浮動(dòng)環(huán)不被導(dǎo)向板限制軸向位移，使得密封塊與抗磨環(huán)之間的間隙滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過試運(yùn)行，在滿負(fù)荷下，頂蓋排水泵啟動(dòng)間隔時(shí)間恢復(fù)到約為12 min一次，主軸密封水壓約為0.35 MPa，主軸密封漏水量正常。

4 結(jié) 語

本文探究了水輪機(jī)浮動(dòng)式主軸密封的設(shè)計(jì)和工作原理，對枕頭壩一級水電站滿負(fù)荷工況下主軸密封漏水問題進(jìn)行分析處理，通過檢修現(xiàn)場增加潤滑水壓并延長浮動(dòng)環(huán)動(dòng)作行程，有效解決了主軸密封漏水量大的問題，切實(shí)提升了設(shè)備可靠性。后續(xù)可結(jié)合機(jī)組潤滑水壓力、流量，水泵運(yùn)行特性曲線等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步量化主軸密封漏水量與潤滑水壓力及流量的關(guān)系，為今后設(shè)計(jì)制造及密封改型提供參考。