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(dǎo)水部件、工作部件以及泄水部件，其中導(dǎo)水部件由頂蓋、底環(huán)以及導(dǎo)葉等組成，工作部件由轉(zhuǎn)輪、主軸等組成，頂蓋作為導(dǎo)水部件是靜止的，主軸作為工作部件是旋轉(zhuǎn)的，二者之間存在間隙，為了阻止水流從轉(zhuǎn)輪處上溢淹沒頂蓋和水導(dǎo)軸承，設(shè)置了主軸密封裝置。

正常情況下，水流經(jīng)過端面密封時，已經(jīng)被阻擋了大部分，小部分水流經(jīng)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(wěn)定運行。然而，在機組日常運行過程中可能因為水質(zhì)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(dǎo)致頂蓋和水導(dǎo)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(wěn)定運行的目的。

1 主軸工作密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，主要由抗磨環(huán)、H 型密封、水封壓蓋及密封支座組成?？鼓キh(huán)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(dǎo)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(nèi)外圓構(gòu)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(huán)壓緊，達到阻止轉(zhuǎn)輪室水流通過的效果，因為抗磨環(huán)是轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)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(diào)整墊、壓環(huán)以及上環(huán)組成。平板密封的主要功能是在安裝于主軸上的上環(huán)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(dǎo)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(tài)下，丁苯橡膠密封與上環(huán)的設(shè)計間隙為1 mm，為補償安裝誤差在平板密封底部設(shè)置紫銅調(diào)整墊，通過不同厚度的紫銅墊調(diào)整丁苯橡膠密封與上環(huán)間隙至1 mm 設(shè)計值，壓環(huán)通過螺栓與水封壓蓋連接，其作用是將丁苯橡膠密封、調(diào)整墊、托板壓緊防止漏水。

H 型橡膠密封與抗磨環(huán)的壓緊程度取決于技術(shù)供水壓力和轉(zhuǎn)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(huán)貼合過于緊密，導(dǎo)致進入二者中的潤滑水大量減少，出現(xiàn)干磨現(xiàn)象，差值過小會使H 型橡膠密封與抗磨環(huán)產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致漏水量增加。轉(zhuǎn)輪室水壓根據(jù)上游水位而變化，那么為了防止出現(xiàn)H 型橡膠密封干磨和漏水量增加，要根據(jù)水位對技術(shù)供水的壓力進行調(diào)整，保證二者壓差在合適的范圍內(nèi)。H 型橡膠密封在上下移動過程中以及抗磨環(huán)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(zhì)發(fā)生變化的情況下，容易發(fā)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(shù)次更換H 型橡膠密封，但與H 型橡膠密封環(huán)配合的其他部件已經(jīng)出現(xiàn)嚴重銹蝕、老化等現(xiàn)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(chǎn)發(fā)電效益及機組的穩(wěn)定運行。

2 發(fā)現(xiàn)問題并分析原因

2020 年4 月，在進行現(xiàn)場安全巡查時，發(fā)現(xiàn)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(nèi)水位明顯偏高。當時的處理辦法是在1 號機頂蓋上增設(shè)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(fù)。觀察發(fā)現(xiàn)，在汛期高水位機組滿發(fā)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(dǎo)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(wěn)定運行，減小檢修維護的成本和難度，文中根據(jù)實際情況對主軸密封現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)軸承下方的頂蓋內(nèi)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(zhì)量較輕的ZL102 鋁合金鑄造，雖然該材料鑄造性能優(yōu)良，但是力學性能較差。因為水電站生產(chǎn)用水取自自然河流，不可避免地包含泥沙等雜質(zhì)，所以在這些雜質(zhì)的長期侵蝕、磨損作用下，水封壓蓋外圓表面即工作面出現(xiàn)了嚴重的銹蝕、磨損現(xiàn)象，如圖2 所示。主軸密封設(shè)計階段為了保證H 型橡膠密封上下移動過程中不發(fā)生卡澀并且與水封壓蓋外圓能充分、有效接觸發(fā)揮良好的密封作用，其外圓設(shè)計有較高的表面光潔度及圓度要求。現(xiàn)水封壓蓋工作面出現(xiàn)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(shè)計要求，導(dǎo)致H型密封的封水效果大大降低，發(fā)生局部嚴重偏磨現(xiàn)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(shè)計為兩瓣結(jié)構(gòu)，在不拆卸水導(dǎo)軸承的前提下無法由頂蓋內(nèi)部拆出，若出現(xiàn)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(dǎo)軸承進行更換，這將影響正常的生產(chǎn)、發(fā)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(huán)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(dǎo)致螺紋孔出現(xiàn)嚴重的螺牙滑絲現(xiàn)象，螺牙滑絲后無法處理，影響平板密封壓環(huán)與水封壓蓋的固定及壓緊，并最終導(dǎo)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(diào)整墊和Q235A鍍鋅材料的托板，調(diào)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(xiàn)局部壓緊不充分而出現(xiàn)漏水問題。并且起壓緊作用的平板密封壓環(huán)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(shè)計數(shù)量只有12 個，螺栓數(shù)量設(shè)計偏少，也不利于平板密封的壓緊，所以導(dǎo)致平板密封結(jié)合面間出現(xiàn)噴水現(xiàn)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(fā)電效益，同時對機組的安全、穩(wěn)定運行也有影響。為保證機組的安全穩(wěn)定運行需要對主軸密封壓蓋及平板密封壓環(huán)處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造。

3 改進方案

根據(jù)主軸工作密封現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(huán)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(jié)構(gòu)，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(nèi)進行組裝。經(jīng)復(fù)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(yōu)化后的水封壓蓋結(jié)構(gòu)示意圖1

圖4 優(yōu)化后的水封壓蓋結(jié)構(gòu)示意圖2

（2）改造平板密封壓環(huán)

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

（3）優(yōu)化平板密封連接方式

將平板密封壓環(huán)與水封壓蓋處的連接方式進行優(yōu)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(huán)分瓣面之間，托板、調(diào)整墊結(jié)合面之間涂樂泰密封膠增加輔助防漏水作用。

圖5 優(yōu)化后的平板密封壓環(huán)

4 改進后預(yù)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(chǎn)生螺紋滑絲現(xiàn)象，方便設(shè)備維護，減少因此處螺紋滑絲產(chǎn)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(huán)連接螺栓的數(shù)量增加至20個，顯著提升了平板密封壓環(huán)對調(diào)整墊和托板的壓緊效果，增加的O 型密封結(jié)構(gòu)又進一步防止噴水現(xiàn)象出現(xiàn)，平板密封底部漏水問題得到有效解決。

以上優(yōu)化改造未改變主軸密封現(xiàn)有的主體結(jié)構(gòu)，只是根據(jù)發(fā)生的問題進行局部優(yōu)化，所以對主軸密封的工作性質(zhì)、工作原理等都不會產(chǎn)生影響，具備充分的改造可行性。

5 結(jié)論

主軸密封作為水輪機最重要的部件之一，其結(jié)構(gòu)和工作原理并不復(fù)雜，但是由于其工作環(huán)境復(fù)雜多變，它需要承受轉(zhuǎn)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(huán)境的影響，其簡單的結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)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(fā)狀態(tài)，主軸密封面臨巨大的考驗，所以提升主軸密封的性能以應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境是至關(guān)重要的。強化元件材料以及優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)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(jié)約時間和經(jīng)濟成本。優(yōu)化改造雖然能夠解決當前存在的安全隱患，但不能消除復(fù)雜環(huán)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(guān)注才能保證機組運行的穩(wěn)定與安全。