水轮机水压式端面工作密封的改造分析

马艳丽，周 强，任江涛

(1.杨凌职业技术学院机电工程分院，陕西 杨凌 712100 )(2.西安水务(集团)黑河水力发电责任有限公司，陕西 西安 710401)(3.西安水务(集团)引乾济石管理有限公司，陕西 商洛 711400)

水轮机主轴密封失效问题是水电站运行中普遍存在的技术难题。不同的水电站因为水头、流量、转速、泥沙含量、安装方式、密封结构和材料的不同，密封失效状况也不尽相同。近年来，随着电站监测、控制、运行、维护等环节设计水平的提高，对水轮发电机组的各项性能指标的考核要求也越来越高，对主轴密封的性能评定也是如此。中小机型方面，主轴密封设计已系列化、规范化。欧美等国有专门从事水轮机主轴密封设计制造的公司(如PROCO公司、STAELING公司等)，密封制造公司按给定的边界条件设计、供货。大型机组方面，国外水电设备一直占据着一定的垄断优势，对于各自的“专利密封”能够明确给出各项指标数据，但不提供技术转让。我国水电行业发展的几十年，不断对水轮机主轴的设计进行摸索，积累了不少的经验，并已完善出多种密封型式应用于各电站。有些密封结构虽几经优化，仍不尽人意[1-2]。水轮机水压式端面工作密封结构简单，运行方便，成本低，在中低水头混流式水轮机中应用广泛，但是随着运行年限的增加，机组磨损导致漏水加剧，造成水淹机坑、导轴承进水等事故。目前一些学者提出了水压式端面工作密封改造的建议。翟建平等[3]提出了水轮机漏水的故障分析及处理方案，通过改造原密封管路，调整密封体和密封座的间隙，改善了工作密封的漏水问题；孙波[4]采用橡胶本体和抗磨环开槽改善了密封润滑状况；郭军[5]提出泵板改造方案改善多泥沙电站工作密封的磨损问题。这些改造措施只是针对特定电站提出的改造方案，不具备通用性。本文针对水压式端面工作密封存在的问题进行深入探讨和分析，总结出常见的机组改造措施，希望能给水轮机主轴工作密封的改造提出合理化建议。

1 水轮机水压式端面工作密封的特点

水轮机水压式端面工作密封也称为活塞式密封,主要由不锈钢密封抗磨环、密封橡胶环、橡皮条辅助密封、密封挡环及密封支座等构成。其工作原理是洁净的润滑水通过布置在密封橡胶圈的进水孔流至内腔，橡胶密封块在均布水压力的作用下被顶起，将顶盖和转轮之间的漏水密封在不锈钢抗磨环和橡胶密封环接触面之间并形成密封水膜。少部分漏水在离心力的作用下从密封副两侧流出，带走因摩擦产生的热量，并起到对密封面的润滑和冷却效果。水压式端面工作密封结构有两种型式：一种是润滑水压将密封橡胶活塞向上密封，抗磨环装在水轮机大轴上方；另一种是密封活塞倒置，润滑水将密封橡胶活塞向下密封，这种结构的检修密封位置降低安装到大轴法兰侧面，在水轮机护罩下法兰位置增加不锈钢抗磨板。水压式端面工作密封的两种结构工作原理大同小异，主要区别是抗磨环和检修密封安装的位置不同。最常用的是密封橡胶活塞向上密封的结构。如图1所示。

图1 水压端面式工作密封示意图

2 水压式端面工作密封的受力分析

2.1 水压式端面工作密封的受力分析

以密封橡胶活塞向上密封的水压式端面工作密封结构为例进行受力分析，如图2所示。密封环分别受抗磨环的压力F1、被密封水产生的水压力F2、润滑水向上的压力F4、密封辅助橡胶圈产生的摩擦力F3以及受力件自身的重力G，密封件在这些外力的作用下达到平衡[6]，其受力方程式为

F1×2+F2+G+F3×2-F4=0

(1)

图2 密封环受力分析示意图

2.2 水压式端面工作密封常见的故障

水压式端面工作密封常见的故障现象是机组漏水严重或者橡胶环烧焦现象，这两种现象取决于密封润滑水供水和被密封水两者的压力关系。设计要求工作密封润滑水的压力必须略大于被密封水的压力。若密封润滑水的压力太大，造成橡胶密封环和抗磨环接触紧密,无法形成水膜，造成干摩擦,导致密封烧焦。若润滑水的压力小于被密封水的压力，漏水加剧，密封失效。

3 水压式端面工作密封改造措施

3.1 工作密封体结构故障排查和改造

工作密封体结构的改造是不改变水压端面式密封的结构型式，对影响密封压力的密封系统进行故障排查和改造。水压端面式工作密封的结构简图和实物图如图3和图4所示。在图4中从上到下依次装配有抗磨环、橡胶密封环、密封支座。在密封支座上有橡胶密封环定位的导向杆。密封体改造主要针对引起工作密封水压变大造成的橡胶环烧毁现象进行原因分析和改造，以及由于被密封水的水压增大而造成机组漏水情况的改造[7]。

图3 密封装配示意图

图4 水压式端面工作密封体装配实物图

3.1.1橡胶密封环烧毁的原因和处理

当机组在低负荷运行时，或者是密封环更换后的首次试运行，由于密封环和转动环配合紧密，造成密封环烧损。在运行过程中，如果主轴润滑水管路堵塞，顶盖漏水不能及时从减压孔排走，会造成密封润滑水系统水压增大，橡胶环和抗磨环间隙减小也会造成橡胶环烧毁[8]。因此密封体改造应检查：

1)密封橡胶环尺寸是否偏大，密封座和密封盖是否锈蚀。虽然在机组安装试运行前已调整好润滑水压的大小，但如果密封橡胶环的阻力大于密封橡胶环的自重和外界水压力，则造成密封环不能正常回落，密封副表面形成干摩擦，橡胶密封环烧损。

2)排查密封增压泵、调节阀、供水电磁阀故障以及供水管路是否堵塞等原因造成的润滑水压降低造成密封橡胶环烧毁的事故。

通常改造的措施有：

1)初次运行或者密封块更换后要进行充压力水试验，检验橡胶密封环回落性能。要求橡胶密封环靠自重可以沿导向杆自由回落，在使用过程中保证密封块移动灵活，在密封副磨损时能够提供补偿。

1.认知是涉及身体的，也即不能脱离具体的身体。正因为人类有特定的身体机构，才决定了人类特有的认知和思维方式［3］。另外，Gallagher（2005）认为，身体在认知活动中发挥作用与身体图式（body schema）和身体意象（bodyimage）有关［4］，身体图式是身体的感觉——运动能力系统，而身体意象是身体知觉的伪像，不管是低水平的认知还是包括判断、隐喻等在内的高水平认知都通过身体图式和身体意象系统的功能来实现［5］。显然，在认知过程中，身体是不可或缺的。

2)核算橡胶密封环导向孔尺寸，将主轴密封滤水器清扫、供水管路疏通纳入机组的小修项目。当压力表调节困难或者误差较大时可以在管路上安装压力传感器，在密封管路调节阀处电子显示压力，确保机组密封供水的压力可以调节，并保持和漏水压力相适应。

3.1.2密封漏水的原因和处理措施

在汛期区，由于负荷增大，被密封水的压力增大，机组漏水比较明显。特别是在多泥沙电站，由于浑水进入摩擦面，导致密封环表面磨损加剧，造成主轴密封漏水过大,严重时水轮机顶盖汇集的水位上升到转动油盆底，出现水导油盆打水、导轴承进水等事故[9]。工作密封体结构的改造主要是排查以下几点并进行修复：

1)橡胶密封环是否变形或者损坏。

密封抗磨环在随主轴转动的过程中，其摩擦力的方向与其任意一点圆周运动切线方向相反，因此橡胶密封块有随抗磨环转动的趋势，但由于受到导向杆的约束，会出现橡胶密封环和导向杆粘贴紧密的现象，也会出现导向杆弯曲变形、橡胶环撕裂等现象造成机组漏水加剧。

2)检查技术供水压力。

3)检查润滑孔是否合适。

润滑孔太大则造成橡胶密封环上、下腔压差太小，起不到密封效果；太小则造成橡胶密封环上、下腔压差太大，使橡胶密封环过紧贴附在转动抗磨板上，不能形成水膜，造成干摩擦，从而烧毁橡胶密封圈。

4)检查橡胶密封环和橡胶密封支座的间隙、橡皮条辅助密封的间隙以及橡胶密封环和抗磨环部件结合面状况及间隙。

橡胶密封环与密封支座的间隙要合适，机组运行前要进行橡胶密封环顶起压力试验，橡胶密封环应能上下灵活移动；橡胶密封环和抗磨环安装要符合技术装配的要求，当橡胶密封环和抗磨环错位、或者间隙过大、或者辅助密封圈和密封槽的配合间隙过大等情况都将造成机组漏水；水轮机连轴螺栓保护帽和法兰间的橡皮条密封的间隙过大导致密封水箱漏水[10]。

鉴于以上机组漏水原因的分析，在设计密封改造方案时应同时考虑压力、水量等方面的变化因素，因此改造时,对主轴工作密封进行受力的相关测量和核算,根据核算结果调整密封供水管路以及管路的水压和水量；对密封副材料变形部位进行处理，确保整个摩擦面平整；根据图纸设计尺寸校核密封环和密封座的间隙、橡胶密封环和抗磨环的间隙，正确选择辅助密封条的尺寸，防止由于密封条老化、磨损等造成密封水箱的漏水。

3.2 选择密封环材料

福建古田溪水电站采用德国泰佛迪公司制作泰迪材料和PU材料代替传统的丁腈橡胶材料作为密封，不但保证了密封活塞活动自如，还能很大程度提高密封活塞的抗磨性能，延长了密封环的使用寿命[11]。湖北水利勘测设计院选择广州宝力特液压密封公司生产的高性能耐水聚氨酯密封材料，在当地的水电站应用中取得较丁腈橡胶更好的密封效果[12]。

3.3 抗磨环表面开槽处理

为了改善密封副间隙的润滑条件，表面开槽技术是比较有效的途径。目前比较常见的表面处理措施是在摩擦面设有矩形、环形、圆形或者其他形状的小槽。这些槽在端面上形成压力楔，在抗磨环转动时有利于在密封副之间形成水膜，带走摩擦面的热量，起到润滑和冷却的效果。西安水务集团黑河水电站是以供水为主兼顾发电的水电站，工作密封采用水压式端面密封。电站发电受供水的牵制，负荷变动较大，工作密封经常出现问题。2018年电站经过几次改造，3台机组均在抗磨环开了4条径向对称的矩形过水槽。槽深1.0 mm，宽1.0 mm，有效改善了端面工作密封运行状况，延长了机组大检修周期，避免了电站非计划运行停机现象的频繁发生。

3.4 泵板联合密封改造方案

在较高转速或者多泥沙的水电站，水压式端面工作密封存在密封件磨损快的缺陷。因此单从密封体的结构进行改造并不能有效解决密封漏水问题。泵板改造方案是拆除原来的水压式端面密封结构，将接触密封改为非接触式密封。该方案的工作原理是在水轮机转轮上冠顶部设有泵板装置， 漏水在泵板的旋转和搅拌产生的离心力作用下很快地从水轮机顶盖排出。轴与密封间不直接接触。泵板密封寿命长且密封无需清洁水，也不需要设置技术管道阀门及滤水器等部件。但是这种改造方案在转速小于200 r/min时，由于泵板产生离心力较小，顶盖排水效果会受到限制。图5所示为西安水务集团黑河水电站泵板联合密封改造设计方案，图中标记区域为水压端面式密封改造后的泵板改造设计方案[13]。

当机组转速低于额定转速或机组停机时，泵板不能发挥作用，大部分漏水可以通过检修围带密封，少量的漏水也会被迷宫式密封完全封住。通常泵板改造的适用范围如下：

图5 泵板联合密封改造示意图

1)工作水头H：40～150 m；

2)水轮机的额定转速nr≥214.3 r/min以上；

3)水轮机转轮直径D1>1.2 m；

4)水质不好的多泥沙电站。

泵板联合密封方案改造时需在转轮上冠上加工泵板，在和转轮上冠相对的顶盖下平面部分也需要进行少量的改造，在水轮机顶盖上方应增加排水管，排水管的管径以及排水泵是否改造应根据测算电站排水泵的排水能力来确定。改造方案设计时还应注意检查顶盖的压力、机组的摆动情况，检查基坑排水是否畅通，管路接口及法兰连接处、密封座与抗磨环间的密封间隙处是否有漏水等情况。

4 结束语

水压式端面密封是中高水头水电站常见的一种密封形式，随着运行年限的增长，大多数水电站都将面临着密封改造问题，在密封改造措施的选择方面，密封体结构改造、密封材料的更换以及抗磨环表面处理技术改造成本相对较低，适用于水质较好、转速相对较低的电站。对多泥沙的电站或者高水头、大容量的机组采用泵板联合密封改造方案虽然增加了成本，但可在较长运行年限内取得较好的密封效果。