贯流式水轮发电机主轴密封改造

彭育斌

（湖南省安化县株溪口水电厂，湖南 安化 413599）

1 前言

由于灯泡贯流式机组在低水头电站具有投资成本低，效率高等特点，近20多年来，在国内已开发建设大量灯泡贯机组，数量和单机容量均遥居世界第一。灯泡贯流式机组由于其结构的复杂性，其检修、维护的方便性远不如立式机组，其中主轴密封的使用效果是影响电站检修、维护工作量大小的一个关键因素。国内有不少灯炮贯流式电站由于主轴密封的可靠性不高，存在频繁检修主轴密封的情况，有些电站检修主轴密封时间长达一个月之久，维护工作量极大，给电站工作人员带来了较大的困扰。

主轴密封是灯泡贯机组的关键部件，由于机组水平布置的特点，主轴密封的安全性更加重要。一旦漏水量过大不能及时排走，可能造成严重的水淹机组的事故。同时，由于贯流机组内的空间小，对于主轴密封的设计、安装、检修维护的方便性等提出了更高的要求。我们在检修、维护多个灯泡贯流式电站过程中，分析了灯泡贯机组主轴密封应用实践中碰到的各种问题，近年来在主轴密封的技术改进和优化方面积累了丰富的经验。也为系统内灯泡贯电站实施主轴密封技术改造提供了技术建议方案，为提高机组运行安全稳定性，减轻电站检修维护工作量做出了一点成绩。该文分析了系统内一灯泡贯机组的主轴密封特点、存在的问题及其改造实施过程。

2 主轴密封结构及密封原理

该电站原主轴密封采用传统的填料结构，填料密封结构的特点是结构简单，调整简单，但运行可靠性和密封性能较差，在低转速低水头机组上大量使用，但由于各种原因，有不少机组出现了漏水量大、抗磨环磨损严重等问题。主轴密封结构如图1所示。

图1 主轴密封结构图

主轴密封结构主要由抗磨环、水封座、水封压盖、甩水环等组成，通过水封压盖压紧四道密封盘根与抗磨环外径接触而形成密封效果，盘根中间有一工字环，工字环的功能是使得润滑水能均匀的进入盘根与抗磨环的接触面，从而起到润滑冷却的作用。

填料密封是使用最早的密封结构，它能适用于各种转动机械设备密封，该结构的关键部件为编织盘根。盘根是由碳纤维等编织而成，在纤维的空隙填有PTFE类润滑材料，当水通过主轴与盘根间的间隙时，由于盘根表面有无数的微小空隙起到迷宫效应，使得渗漏水的流动受阻达到减小漏水量的目的。当盘根磨损后，由于盘根自身的弹性补偿作用，加上压盖的弹簧作用，使得盘根与主轴表面间始终保持较小间隙，从而实现密封效果。

盘根与抗磨环和水封座间的压紧配合对密封效果十分重要，压紧力过小则漏水大，压紧力过大则抗磨环发生严重磨损，使用寿命缩短。控制合适的压紧力对于这种密封结构是很困难的也是十分关键的。

3 主轴密封存在的问题

原主轴密封结构上主要存在以下几个方面的问题。

3.1 盘根径向压力分布不均

盘根受到轴向压紧后，使其径向与抗磨环紧贴并产生一定的压紧力。如图2所示，盘根的径向压紧力由外侧向内侧是逐渐减小的，而被密封的水的压力则由内侧向外侧逐渐增加，盘根的径向压力与水压力的分布是相反的。内侧水压力大但径向压紧力反而是最小的，这种压紧力的分布不能使盘根发挥较好的密封作用。实际使用中，为了增加密封效果，会将盘根压的过紧，则会导致抗磨环快速磨损，减短使用寿命。

图2 填料密封示意图和压力分布图

3.2 盘根散热较差

由于盘根与抗磨环接触面积大，该电站采用4道盘根，盘根与抗磨环的总接触面积达0.25 m2，虽供有润滑水，实际上由于压紧力的不均匀使得局部并没有润滑水通过，从润滑水流量开关经常断流报警来看，润滑水量是很小的，盘根本身的传热性能都较差，摩擦产生的热量不能被带走，导致局部发热，抗磨环异常磨损，使用寿命显著下降。

3.3 盘根补偿能力差

水封座与抗磨环间的盘根安装槽宽为25 mm，宽度较宽，当盘根磨损后径向的补偿量是很有限的，一般不超过其自身宽度的20%。由于径向压紧的不均匀导致压盖及弹簧的压力不足以弥补盘根磨损后对其的压紧跟踪，须频繁的压紧压盖螺栓。

同时由于抗磨环的运行摆度一般均有0.2 mm~0.3 mm以上，盘根与抗磨环的间隙随着主轴的转动而发生周期性的变化，实际使用中的现象是进一步加快了磨损，漏水经常性变的很大。因此该结构并不能保证安全稳定运行，并且维护工作量大。

4 改造方案的选择

主轴密封改造可选择的结构形式多种多样，具体的形式必须根据现有设备的结构特点和尺寸来进行布置设计，每个电站的改造方案都有较大的差别。我们在项目实施前期也咨询了多家专业厂家的改造方案，根据我们的实践经验和综合各厂家的意见，最终选择了专业从事贯流机技改的浙研公司来实施该改造方案。

根据该电站特点和现有水封存在的问题，经过与浙研公司一起进行反复比较分析，最终采用了如图3结构所示密封形式。改造结构由转动环、迷宫密封齿、水封支撑、水封座、水封罩、检修密封、调整环等部件组成。

图3 改造方案结构图

在转动环外圆上依次排列四组环形迷宫密封齿，迷宫在内径侧和外径侧的深度尽可能大，根据经验应该大于10 mm，达到15 mm时效果最好。水流经过迷宫齿后形成较大的水流损耗，经过迷宫密封齿后水压大大降低，从而起到节流降压的作用，以减少后面的密封环密封的水压力，降低摩擦力，以免密封快速磨损，确保有足够的使用寿命。同时迷宫密封齿也起到分离泥沙，清洁水流的作用。

在迷宫密封齿后设有密封环，密封环固定在主轴上随主轴同时转动，根据经验，这样布置远好于密封布置在水封座固定的方式，使用寿命较长。但有时由于受布置空间的限制，只能将密封布置在水封座上，这样布置的话必须引起足够的重视，使用寿命可能会降低，有时需要通过设置润滑水来延长使用寿命。转动密封环与抗磨环间需要有一定的预压量，使得密封与抗磨环贴合。机组运行过程中流道中的少量水会对密封板的摩擦面起到润滑冷却的作用，以防密封磨损严重。

密封环与抗磨环间留有一定间隙，一般间隙在2 mm左右，由于此处的漏水相对较少，容易发生干摩擦，较大的间隙可保证它不发生严重磨损。调整抗磨环上设有调整措施，可在现场方便调整与平板密封的间隙大小，调整间隙的大小需考虑机组在空载、满负荷等不同工况下的窜动量，使二者相匹配。经过密封后仍有少量的漏水通过水封罩收集，在水封罩上游侧设有甩水环，防止漏水沿主轴漏出。

5 主轴密封的制造安装

考虑到改造项目尺寸匹配问题，设备制造时需先进行粗加工，留有足够的余量，设备精加工前需在现场对相关的主轴、内锥体等主要部件的配合尺寸进行核对测量，然后根据实际测量结果后再进行精加工，以确保尺寸正确。对于改造项目来说这一环节很重要。

设备到现场后利用机组检修期间进行更换安装，由于转动环是抱紧于主轴上的，与主轴的尺寸配合较精密，现场测量尺寸相对精度不够，安装后发现转动环分半面仍有较大间隙，外圆摆度将达不到要求，后将转动环返回加工厂进行再次加工以达到要求。最终转动环的盘车盘度为20道左右，满足设计要求。主轴密封设备全部安装后，先做静态试验，然后做空载、满负荷试验，试验通过后投入正式运行。

6 结语

根据主轴密封改造过程中的安装来看，改造后结构比原结构在安装、检修等方面有较大改善，结构设计充分考虑到了电站现有特点。该电站主轴密封改造已投入运行三年多，漏水仅是原填料密封的三分之一左右，密封的磨损量很小，运行可靠，设备检修维护方便。表明此次主轴密封改造的思路正确、措施得当，达到了改造的目的，可供其它贯流式电站借鉴。