黃海平，歐陽(yáng)瑞宏
(葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443002)

　　關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；主軸密封；優(yōu)化；改造；葛洲壩水電廠
　　摘　要：由于葛洲壩水電廠水輪機(jī)主軸密封裝置在運(yùn)行過程中暴露出一些問題，因此有針對(duì)性地對(duì)主軸密封裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，并列入1999年科研課題。采取的主要措施是對(duì)主軸密封供水系統(tǒng)進(jìn)行改造和采用VSH主軸衡壓密封裝置。改造后，水壓穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，既滿足了生產(chǎn)的需要，又提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性。
　　葛洲壩水力發(fā)電廠21臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，原主軸密封結(jié)構(gòu)有兩種形式。其中，2臺(tái)ZZ560水輪機(jī)采用可調(diào)水壓的環(huán)形活塞式端面密封結(jié)構(gòu)，其“П”型密封塊為耐油耐磨橡膠，固定在環(huán)形活塞上組成環(huán)形密封圈，利用壓力清潔水在活塞上、下腔形成水壓差，使密封圈與在主軸法蘭上的不銹鋼抗磨環(huán)形成端面密封狀態(tài)。密封圈可軸向移動(dòng)，與抗磨環(huán)平面保持貼合。其余19臺(tái)ZZ500水輪機(jī)則采用雙層橡膠平板密封結(jié)構(gòu)，兩密封平板之間的水箱通壓力清潔水，在水壓的作用下，使上、下橡膠平板與固定在主軸上的轉(zhuǎn)環(huán)和水箱座抗磨環(huán)平面貼合，起到止水密封作用。
　　1 原密封裝置運(yùn)行情況
　　活塞式端面密封裝置自1980年10月投產(chǎn)以來，空載運(yùn)行時(shí)水壓調(diào)整極為困難，帶負(fù)荷運(yùn)行不足26 h，密封裝置即出現(xiàn)大量漏水，兩臺(tái)頂蓋排水泵難以排除漏水，造成水淹水導(dǎo)事故。運(yùn)行112 h后，檢查發(fā)現(xiàn)端面密封塊磨損量達(dá)50 mm。維持運(yùn)行兩年后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)磨損量達(dá)7mm。該密封裝置投運(yùn)的2年時(shí)間內(nèi)，發(fā)生過5次因密封失效嚴(yán)重漏水，被迫停機(jī)搶修時(shí)間達(dá)584 h，損失電量約5 300萬(wàn)kW·h。經(jīng)多次檢修和一系列的改進(jìn)，暫時(shí)能維持運(yùn)行，但密封漏水量大，頂蓋泵啟動(dòng)頻繁，而且汛期有大量泥沙進(jìn)入頂蓋，因泥沙淤塞，使頂蓋泵無(wú)法運(yùn)行，并曾多次清淤處理。同時(shí)，環(huán)形活塞易發(fā)卡、失效。由于該密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)檢修極為困難，于是，根據(jù)ZZ500水輪機(jī)雙層平板密封的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，于1983年8月將兩臺(tái)ZZ560水輪機(jī)的主軸端面密封改為雙層平板密封。
　　雙層平板密封的特點(diǎn)是：上密封平板靜止，下密封平板隨大軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)一般在多泥沙的電站采用。雙層平板密封裝置自1982年投入運(yùn)行，運(yùn)行期間，水壓極不穩(wěn)定，壓力表有時(shí)出現(xiàn)2.67×104 Pa(200 mmHg)的真空，有時(shí)出現(xiàn)0.2～0 MPa的壓力，甚至密封裝置有時(shí)冒煙和散發(fā)出燒焦的橡膠臭味，并經(jīng)常出現(xiàn)密封失效而漏水的情況，運(yùn)行不到2 000 h就發(fā)生過4次平板密封磨損而被迫停機(jī)檢修。特別嚴(yán)重的是1983年3月份因密封燒損磨穿，造成密封大量漏水，3臺(tái)頂蓋泵全部啟動(dòng)也難以排除漏水，造成水淹水導(dǎo)軸承事故。分析其原因，其一是橡膠平板固定結(jié)構(gòu)不盡合理。從該密封裝置的結(jié)構(gòu)來看，上平板外側(cè)是大氣壓，只要密封水箱建立一定的水壓，平板橡皮就產(chǎn)生變形(如圖1所示)。水壓越大平板橡皮變形越大，橡皮板與抗磨環(huán)貼得越緊，當(dāng)無(wú)水滲出，就造成橡皮板燒損或損壞。如果水壓減少（即管道壓力真空值）到一定值時(shí)，上平板橡皮與抗磨環(huán)就會(huì)脫開，漏水量變大，水箱壓力就無(wú)法建立。下密封平板與輪葉前水壓相通，其運(yùn)行條件要比上平板密封好些，即使輪葉前有時(shí)可能出現(xiàn)真空值，因下密封板是轉(zhuǎn)動(dòng)的，能調(diào)節(jié)運(yùn)行條件。實(shí)踐證明，下密封平板每次檢查總比上平板磨損輕一些。其二是原設(shè)計(jì)中只重視了“密封”，認(rèn)為只要密封得越嚴(yán)、止水效果就越好。但忽視了封得太嚴(yán)密會(huì)導(dǎo)致兩磨擦面之間無(wú)法形成冷卻潤(rùn)滑條件。雙層平板密封系采用中硬耐磨橡皮，在干磨擦的情況下極易磨損。根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐研究了密封改進(jìn)方案。首先在上下密封平板上開24個(gè)楔形槽，在平板圓周均勻分布，楔形槽呈三角形，沿順?biāo)鞣较虿凵钪饾u變淺，且不將平板徑向開通，Z大深度約2.5 mm，以便密封水箱的水進(jìn)入平板進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑(見圖2)。當(dāng)水箱水壓建立以后，由于平板橡膠工作面上開溝槽，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)行中能保持良好的潤(rùn)滑條件，由于密封平面上有溝槽，壓力水可以從溝槽射出，密封平板上下面形成水壓差，使密封平板與抗磨環(huán)在水壓作用下緊緊貼合。溝槽形狀，由深漸淺，由大變小，在抗磨環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)有利于流動(dòng)的水帶入密封平板的工作表面，并在離心力的作用下甩出，將磨擦產(chǎn)生的熱量帶走，同時(shí)起到潤(rùn)滑作用，克服了在運(yùn)行中出現(xiàn)干磨損。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行情況證明，改進(jìn)是有效的，后來為了避免每次檢修時(shí)，須在橡膠板上開槽，而直接在金屬抗磨環(huán)上均布8個(gè)三角形溝槽。另外，在橡膠板下面增設(shè)托板，使橡膠板只懸出20 mm，保證橡膠板不因自重而變形下沉。此改進(jìn)方案在全廠21臺(tái)水輪機(jī)主軸密封上實(shí)施運(yùn)行至今，效果良好。

　　2 需進(jìn)一步改造的原因
　　雙層平板密封經(jīng)改進(jìn)后，對(duì)保證機(jī)組安全運(yùn)行的作用顯著。但經(jīng)過多年的運(yùn)行和機(jī)組的某些結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，也暴露了一些問題。
　　(1)二江電站水輪機(jī)的主軸密封供水改由廠內(nèi)120 m³蓄水池的自流供水。這種供水方式難以滿足主軸密封在運(yùn)行中對(duì)水壓的要求，尤其在汛期中尾水位抬高時(shí)，密封水壓無(wú)法作相應(yīng)的增加，難以達(dá)到止水效果，致使泥沙及濁水進(jìn)入密封工作面，造成平板密封橡皮板磨損嚴(yán)重。特別是近幾年汛期，因密封磨損增加了停機(jī)檢修的次數(shù)，如1998～1999年汛期中，5、6號(hào)機(jī)因水封失效連續(xù)停機(jī)搶修3次。該密封裝置由原來只是橡膠平板磨損失效發(fā)展到轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的不銹鋼工作面也嚴(yán)重磨損，磨損深度達(dá)3～4 mm。
　　2)雙層平板結(jié)構(gòu)也存在不足。該密封裝置的結(jié)構(gòu)為：上密封平板不動(dòng)，而下密封平板隨固定于大軸的轉(zhuǎn)環(huán)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)環(huán)的防護(hù)靠圍板，圍板則長(zhǎng)期浸泡在水中，經(jīng)多年的運(yùn)行圍板嚴(yán)重銹蝕，一旦圍板失效、后果較為嚴(yán)重。
　　(3)該密封裝置的特點(diǎn)是空氣圍帶設(shè)置在雙層橡皮平板之下空氣圍帶在運(yùn)行中容易損壞。
　　(4)主軸密封裝置位于水導(dǎo)軸承之下，檢修場(chǎng)地及空間狹小，難以提高檢修質(zhì)量及工效。
　　 3 密封裝置的優(yōu)化及改造
　　2000年將密封裝置的優(yōu)化改造列入了科研課題，提出了以下幾項(xiàng)改造建議。
　　(1)對(duì)主軸密封供水系統(tǒng)進(jìn)行改造。原來，二江電廠7臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的主軸密封供水加壓和推力軸承冷卻水的加壓共用一套技術(shù)清潔水系統(tǒng)。自機(jī)組推力軸承改為復(fù)合彈性塑料瓦后，取消了清潔水泵加壓系統(tǒng)，并將主軸密封的供水方式改為取自廠內(nèi)120 m³蓄水池的自流供水。120 m³蓄水池蓄水高程為59.5 m，主軸密封上平板的高程為40.52 m，總落差為18.98 m，扣除沿途管路損失壓降，實(shí)際供給運(yùn)行中的密封水壓不足0.12 MPa。而該密封裝置的設(shè)計(jì)要求及運(yùn)行的實(shí)際需要，密封水壓應(yīng)在0.15～0.20 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，故密封水壓無(wú)法滿足。于是，對(duì)原系統(tǒng)布置提出了改造方案。①在120 m³蓄水池的總進(jìn)水管路及總出水管路之間加裝一根連通管，密封壓力水直接取自西壩水廠0.6 MPa的自來水系統(tǒng)；②在連通管兩端安裝調(diào)節(jié)閥門，以初步調(diào)節(jié)供水閥門水壓力；③在閥門出口處安裝壓力表，便于調(diào)節(jié)水壓時(shí)進(jìn)行監(jiān)視；④在調(diào)節(jié)閥及出口閥門之間再分支出一備用水管并安裝常閉閥門，作為備用水源；⑤在各臺(tái)機(jī)組水車室加裝調(diào)節(jié)閥和壓力表，用于精確調(diào)節(jié)水封壓力。該項(xiàng)改進(jìn)方案于2001年4月30日實(shí)施后，密封供水水壓一直穩(wěn)定在0.15～0.20 MPa之間，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了保證。
　　 (2)采用VSH主軸衡壓密封裝置。VSH主軸衡壓密封系對(duì)主軸進(jìn)行軸間密封，潤(rùn)滑水注入兩個(gè)密封表面間的環(huán)形空腔內(nèi)，并形成一個(gè)分離旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和密封環(huán)間的水膜，密封環(huán)由彈簧緊壓在護(hù)環(huán)上，保證了在機(jī)組靜止且潤(rùn)滑水關(guān)閉后仍具有密封功能。其結(jié)構(gòu)見圖3。設(shè)計(jì)特點(diǎn)為密封環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)之間沒有直接接觸，其間僅有潤(rùn)滑水，由潤(rùn)滑水形成一層水膜，因此密封環(huán)的磨損率極低。在機(jī)組瞬時(shí)負(fù)荷下，對(duì)主軸所產(chǎn)生的徑向振動(dòng)也不會(huì)敏感。

　　密封環(huán)的直徑設(shè)計(jì)成能承受作用在密封環(huán)上的壓力。并通過密封環(huán)側(cè)腔的水壓力，對(duì)水力旋流器的壓力起反饋?zhàn)饔?，使得密封環(huán)內(nèi)腔和兩側(cè)的水壓力始終保持動(dòng)態(tài)平衡，維持在0.2 MPa左右，從而保障密封環(huán)對(duì)水壓的變化不會(huì)敏感，這對(duì)尾水壓力變化較大的水輪機(jī)來說尤其有利。
　　因?yàn)闄C(jī)組潤(rùn)滑水是直接進(jìn)入密封體的，所以也可以在機(jī)組調(diào)相運(yùn)行時(shí)使用。因?yàn)槊芊猸h(huán)能軸向運(yùn)動(dòng)，所以水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)與固定部分之間的任何相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)，密封環(huán)都能隨之進(jìn)行補(bǔ)償。VSH主軸衡壓密封的密封水工作原理見圖4。

　　據(jù)該裝置對(duì)元器件和密封水的要求，采用部分德國(guó)進(jìn)口元件，如，工作密封的密封件、密封壓緊彈簧、衡壓式水力旋流器；并保證進(jìn)水水壓不小于0.6 MPa，粗濾精度為0.5 mm。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　葛洲壩水電廠水輪機(jī)主軸密封裝置進(jìn)行優(yōu)化改造后，投運(yùn)一年來，水壓穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，表明改造方案思路正確，措施有效，既解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問題，又滿足了安全生產(chǎn)的需要。
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