楊希華，龔芹炬

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 電站簡(jiǎn)介

某水電站位于湖南省洪江市，電站裝機(jī)830 MW，其中生態(tài)機(jī)組裝機(jī)30 MW。生態(tài)機(jī)組于2014 年3月投產(chǎn)。

電站主要上下游水位：

上游正常水位： 250.00 m

正常尾水位： 214.41 m

最低尾水位： 195.60 m

生態(tài)機(jī)組水輪機(jī)基本參數(shù)[1]

水輪機(jī)型號(hào)： HL(FF133)-LJ-195

最大水頭： 56 m

額定水頭： 49 m

最小水頭： 34 m

加權(quán)平均水頭： 50 m

轉(zhuǎn)輪直徑： 1.95 m

額定轉(zhuǎn)速： 300 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速： 537 r/min

額定流量： 35.08 m3/s

額定出力： 15.5 MW

水輪機(jī)安裝高程： 192.80 m

旋轉(zhuǎn)方向： 俯視順時(shí)針

2 優(yōu)化改造的必要性

2.1 原主軸密封與水導(dǎo)軸承的特殊組合結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)主軸密封與水導(dǎo)軸承通常為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，相互不影響。該機(jī)組主軸密封與水導(dǎo)軸承為特殊的組合結(jié)構(gòu)，主軸密封布置在水導(dǎo)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)油盆外側(cè)，轉(zhuǎn)動(dòng)油盆既用于水導(dǎo)軸承又用于主軸密封，如圖1 所示。

圖1 原主軸密封和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

水導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)滑筒式瓦軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)油盆為不分瓣的整體結(jié)構(gòu)。機(jī)組停機(jī)時(shí)，潤(rùn)滑油全部在轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi)，軸瓦下部浸在油中。機(jī)組啟動(dòng)后，潤(rùn)滑油自轉(zhuǎn)動(dòng)油盆經(jīng)水導(dǎo)軸瓦下部法蘭外側(cè)進(jìn)油孔進(jìn)入上油箱，經(jīng)布置在上油箱的冷卻器冷卻后，通過(guò)軸瓦內(nèi)圓上的數(shù)道斜槽進(jìn)入軸瓦表面并形成油膜，之后返回轉(zhuǎn)動(dòng)油盆，如此往復(fù)循環(huán)。

主軸密封布置在水導(dǎo)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)油盆外側(cè)，設(shè)一道L 型工作密封和一道檢修密封，L 型密封件材料為丁腈橡膠。為增加工作密封的耐磨性，轉(zhuǎn)動(dòng)油盆接觸面鑲嵌40 mm×7 mm 不銹鋼環(huán)，作為抗磨環(huán)。

2.2 原主軸密封與水導(dǎo)軸承存在的問(wèn)題

該生態(tài)機(jī)組主軸密封存在的以下問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[2，3]：

（1）原轉(zhuǎn)動(dòng)油盆鑲嵌的不銹鋼抗磨環(huán)材質(zhì)耐磨性較差，經(jīng)過(guò)近5 年時(shí)間運(yùn)行，已磨出一道寬度約15 mm、深度約3 mm 溝槽。

（2）原轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的磨損加速了L 型密封件的磨損，導(dǎo)致L 型接觸式密封壽命小于C 級(jí)檢修周期。

（3）L 型密封失效后，導(dǎo)致主軸密封漏水量大。因漏水來(lái)不及排出，水進(jìn)入軸承油槽，導(dǎo)致水導(dǎo)軸承內(nèi)潤(rùn)滑油乳化變質(zhì)，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)為整體結(jié)構(gòu)，電站檢修轉(zhuǎn)動(dòng)油盆時(shí)需拆除發(fā)電機(jī)上機(jī)架、吊出轉(zhuǎn)子、拆除推力軸承、發(fā)導(dǎo)軸承、下機(jī)架等，因此轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的檢修只有在機(jī)組大修時(shí)才能實(shí)施，檢修工作量大[4]。

3 主軸密封優(yōu)化改造方案研究及實(shí)施

針對(duì)主軸密封存在的問(wèn)題，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆、轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板、主軸密封結(jié)構(gòu)、L 型密封材料進(jìn)行了一系列優(yōu)化改造。改造后的主軸密封和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)如圖2 所示[5]。

圖2 優(yōu)化改造后主軸密封和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)油盆優(yōu)化改造方案

（1）采用分瓣式結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)原整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為原整體式轉(zhuǎn)動(dòng)油盆完全可以改造成分瓣結(jié)構(gòu)。根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)各制造廠在設(shè)計(jì)、制造稀油潤(rùn)滑筒式瓦軸承方面有豐富的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，可以保證轉(zhuǎn)動(dòng)油盆在任何工況下不漏油。改造為分瓣結(jié)構(gòu)后，檢修轉(zhuǎn)動(dòng)油盆時(shí)只需拆除水導(dǎo)軸承的上部分部件，檢修工作量將明顯減小。

優(yōu)化改造后的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆為2 瓣結(jié)構(gòu)，分瓣面采用螺栓把合。轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的外徑保持不變，為布置螺栓和增加剛性，內(nèi)徑減小使筒體加厚。分瓣式轉(zhuǎn)動(dòng)油盆每個(gè)合縫面采用10 個(gè)M12 和2 個(gè)M16 螺栓連接。轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面合縫處采用局部凹下0.08~0.12 mm過(guò)渡設(shè)計(jì)，防止轉(zhuǎn)動(dòng)油盆旋轉(zhuǎn)時(shí)合縫面產(chǎn)生的錯(cuò)牙對(duì)L 型密封件的損壞[6-8]。

（2）摩擦部分采用高強(qiáng)度不銹鋼材料并進(jìn)行熱噴涂。原轉(zhuǎn)動(dòng)油盆本體材料為碳鋼，在主軸密封接觸面抗磨環(huán)處鑲嵌了耐磨性較差?yuàn)W氏體不銹鋼。新轉(zhuǎn)動(dòng)油盆中，與主軸密封接觸段材料采用04Cr13Ni5Mo 不銹鋼材料，強(qiáng)度和耐磨性較原設(shè)計(jì)有明顯提升。為延長(zhǎng)使用壽命，提高轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)段的抗磨性能，在轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)段表面采用高速火焰噴涂金屬碳化鎢抗磨涂層（HVOF）[9]。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板優(yōu)化改造方案

為防止主軸密封處漏水進(jìn)入水導(dǎo)軸承下油槽引起水導(dǎo)軸承潤(rùn)滑油乳化變質(zhì)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板優(yōu)化見(jiàn)圖3。

圖3 新轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板

(1)適當(dāng)加大蓋板外緣直徑，上表面采用內(nèi)高外低斜面設(shè)計(jì)，內(nèi)側(cè)設(shè)凸起5 mm 的擋水環(huán)。

(2)分瓣面螺栓連接部位的凹槽與外緣之間設(shè)斜向上的排水孔，以備凹槽內(nèi)有水時(shí)能夠及時(shí)排出。

（3）蓋板內(nèi)側(cè)密封部位設(shè)斜向下的回油孔。

3.3 主軸密封優(yōu)化改造方案

（1）增加L 型密封調(diào)整環(huán)

為了減小主軸密封的漏水，更換密封壓環(huán)，新密封壓環(huán)中與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆配合處堆焊奧氏體不銹鋼，減小密封壓環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面之間的間隙，從而減小主軸密封的漏水[10]。

為了盡可能延長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的使用壽命，在密封壓環(huán)和L 型密封件之間增設(shè)1 道用于調(diào)整L型密封件高度位置的調(diào)整環(huán)，調(diào)整環(huán)分2 瓣，分瓣面用螺栓把合。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)磨損嚴(yán)重不宜再繼續(xù)使用時(shí)，拆下調(diào)整環(huán)，僅安裝密封壓環(huán)和L 型密封件，此時(shí)L 型密封件與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面的配合位置避開(kāi)損壞區(qū)域，猶如更換了1 只新的抗磨環(huán)，可使轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的使用壽命在噴涂的基礎(chǔ)上再提高一倍。

（2）L 型密封材料優(yōu)化

原L 型密封材料為丁腈橡膠，為了提高主軸密封中的L 型密封件的使用壽命，延長(zhǎng)檢修周期，通過(guò)幾種水輪機(jī)常用密封件材料綜合性能對(duì)比，最終確定采用丁苯橡膠。丁苯橡膠耐油、耐水、耐磨、耐熱、耐老化及硫化速度等性能均優(yōu)于丁腈橡膠[11]。

4 結(jié)論

該電站生態(tài)機(jī)組主軸密封和水導(dǎo)軸承的優(yōu)化改造研究及創(chuàng)新應(yīng)用如下：

（1）將整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆改造成分瓣結(jié)構(gòu)，克服了檢修、更換轉(zhuǎn)動(dòng)油盆時(shí)必須大修才能實(shí)施的缺點(diǎn)，方便對(duì)主軸密封和水導(dǎo)軸承的檢修，從而大大縮短了檢修周期；

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板采用內(nèi)高外低、適當(dāng)加大蓋板的外緣直徑等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，防止主軸密封處的漏水進(jìn)入水導(dǎo)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi)，避免轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi)的潤(rùn)滑油乳化變質(zhì)；

（3）在密封壓環(huán)上與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的配合處堆焊奧氏體不銹鋼，減小密封壓環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面之間的間隙，從而減小主軸密封的漏水；

（4）密封壓環(huán)和L 型密封件之間增設(shè)1 道用于調(diào)整L 型密封件高度位置的調(diào)整環(huán)。安裝調(diào)整環(huán)，轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)可在不同高度位置，因而轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的使用壽命再延長(zhǎng)一倍；

（5）轉(zhuǎn)動(dòng)油盆本體材料選用高強(qiáng)度耐磨不銹鋼04Cr13Ni5Mo；

（6）L 型密封件采用耐水耐磨耐熱的丁苯橡膠；

（7）轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)表面采用先進(jìn)的高速火焰噴涂碳化鎢抗磨涂層（HVOF），使抗磨表面抗磨能力及使用壽命提高3~5 倍。

某電站生態(tài)機(jī)組主軸密封通過(guò)上述改造研究及技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，經(jīng)過(guò)近2 年的持續(xù)性觀察，轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)幾乎沒(méi)有磨損，解決了電站原主軸密封存在的問(wèn)題。主軸密封的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命均明顯提高，保證了機(jī)組安全持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。