横山庙电站水轮机主轴密封改造

余正猛，刘 宇，余建军

(1.四川玉溪河管理处横山庙电站，四川 雅安 625100；2.四川水利职业技术学院，四川 都江堰 611830)

1 概 述

横山庙电站位于四川省雅安市名山区境内，是玉溪河引水干渠配套工裎，是利用渠道落差发电的径流式水电站。电站装有2台4 000 kW的立式混流式发电机组，设计水头40 m，设计流量11.9 m3/s，额定转速375 r/min。

2 改造前主轴密封状况

2.1 原主轴密封结构特点

电站水轮机组原主轴密封结构如下所示(见图1)，为立式水轮机组主轴密封的典型结构。

主轴密封座固定在顶盖上静止不动，其U型槽内装有橡胶活塞，不锈钢抗磨环固定于水机轴法兰上端面。机组运行时，抗磨环随主轴一起旋转，主轴密封座上进水管工作水压约为0.2 MPa，在该水压作用下，橡胶活塞在U型槽内向下移动，其下端面与抗磨环上端面接触形成一对摩擦副阻止漏水通过。在理想状态下，橡胶活塞与旋转的抗磨环间有薄薄的水膜起润滑作用，两者磨损较小，能较长时间起到密封止水的作用。

图1原主轴密封结构

2.2 原主轴密封运行中存在的问题

(1)在电站实际运行中，该主轴密封常常出现密封失效的情况，特别是在丰水期，水流浑浊，泥沙含量较重，主轴密封漏水越来越严重；加之顶盖自流排水不畅，曾因漏水大造成水导轴承油盆进水，被迫停机抢修。

(2)在拆出抗磨环时，发现其端面磨损严重，有较深的沟槽出现；同时还发现橡胶活塞端面也磨削成R形状，必须更换抗磨环和橡胶活塞。

(3)出于安全运行的考虑，当水流太浑浊时，采用减小导叶开度，降低机组出力，漏水也就减小；但这样只能延缓密封的磨损，当流量减小可以单机运行时再进行主轴密封的检修维护。

(4)在丰水期机组不能满负荷运行，或是停机抢修更换部件造成较大的发电损失。同时，由于水导轴承采用旋转式上下结构，主轴密封检修维护工作量大，每次耗时需1周左右，检修维护费用也较高。总之，主轴密封漏水的问题严重影响了转动油盆中水导轴承的安全运行，也给电站造成较大经济损失。

3 主轴密封改造方案

3.1 间隙式主轴密封结构特点

为了彻底解决接触止水密封易失效问题，经多方面考察了解，完全弃用原接触式橡胶活塞密封，采用间隙式主轴密封(见图2)。根据原主轴密封的空间位置，其径向尺寸较小，轴向尺寸较大。新主轴密封主要由四大部分组合而成：转动密封座与转动密封圈构成转动部分，与水轮机主轴和法兰连接；固定在密封座与固定密封圈构成固定部分，固定在水轮机顶盖上。间隙式主轴密封的每一部分又采用两半组合结构。

图2间隙式主轴密封

新主轴密封最大的特点是：

(1)在它们的内圆或外圆上装焊有左旋的不锈钢叶片。

(2)这四大部分组合装配成梳齿交错配合的形式，径向配合间隙单边为1 mm，轴向配合间隙为15 mm。为了减小停机时漏水,主轴密封增设有1套平板密封结构，包括抗磨环、橡胶平板密封圈及压板(见图3)。

图3已安装完转动密封座、转动密封圈和固定密封座

3.2 间隙式主轴密封止水原理

间隙式主轴密封四大部分中，转动密封座与转动密封圈固定在主轴与法兰上，机组运行时随主轴一起顺时针旋转，与它们有内外圆配合关系的固定密封座、固定密封圈固定在顶盖上，交错配合的梳齿结构，有效地利用轴向空间，使得配合间隙的总长度达500 mm，这个配合间隙被称为密封通道。这个密封通道也是漏水通道，停机时顶盖上的漏水会通过这个间隙流出，靠平板密封可以减小漏水量。设计主轴密封时，漏水的进口直径大于漏水的出口直径，机组运行时转动密封座与转动密封圈随主轴一起顺时针旋转，间隙两侧的左旋叶片有阻止漏水通过的作用，阻止漏水通过间隙流出的作用大小用密封水压来表示。同时，间隙中的漏水也随主轴顺时针旋转，旋转的离心作用也有阻止漏水通过的作用。密封水压的大小与间隙的参数有关，还与左旋叶片的参数有关。由于密封间隙只能大于水导轴承的间隙，为安装方便通常将间隙设计为1 mm。密封水压的大小只能靠间隙的长度和左旋叶片的参数来确定。当密封水压大于顶盖漏水水压时，漏水轴承间隙不能通过密封圈的间隙，这种间隙式主轴密封就起到主轴密封的作用。

4 主轴密封改造的实施与效果

4.1 间隙式主轴密封加工与安装

间隙式主轴密封采用几部分组合结构，每一部分由两半把合以减轻重量，使得加工制造简易。左旋叶片采用焊接方式，经过退火处理以消除应力。间隙式结构又使得现场安装也方便。横山庙电站1号新主轴密封的转动密封座抱紧于主轴，转动密封圈固定在原抗磨环的位置上，在原来固定主轴密封座的顶盖位置上固定新密封的固定密封座，固定密封圈又与固定密封座把合在一起。安装顺序一般为：转动密封座，固定密封座，转动密封圈，固定密封圈，最后再安装平板密封，现场安装过程中不需要其他辅助设备。

4.2 间隙式主轴密封使用效果

间隙式主轴密封的密封水压可根据电站水头高低以及顶盖漏水压力来确定，通常设定为顶盖压力的1.5倍，通过综合设计密封间隙的长度和左旋叶片的参数来达到该设定值。左旋叶片采用不锈钢板，可确保密封间隙长时间保持不变，这样就使得间隙式主轴密封使用周期长，通常可达到4 a左右。新主轴密封靠水机主轴自身旋转的动力带动密封转动部分旋转，不需要投入其他设备，在使用过程中免于维护，为电站的长期安全运行提供了保障。横山庙电站1号机主轴密封改造安装完毕后即投入运行，使用效果很好，开机前一段时间机组转速低有少量漏水，转速到100 r/min后就没有漏水了，在额定转速下机组满负荷运行为零泄漏，1号机组主轴密封改造达到了预期的效果。