大橋河水電站主軸密封的改造

韋漢團，胡群嬌

（南寧市川水發電設備技術有限公司，廣西 南寧 530031）

1 電站現狀

貴州大橋河水電站1#水輪發電機組機型為HL220-WJ-71，電站額定水頭57 m，額定流量3.6 m3/s，水輪機主軸轉速750 r/min，額定出力1 600 kW，實際運行時機組稍超出力到1 650 kW，電站河水含泥沙較多。

原電站主軸密封結構比較簡單，僅在前蓋內腔設置一副盤根密封結構（如圖1）。在主軸及前蓋密封槽內纏繞幾圈盤根，用壓蓋及螺栓壓緊，通過調整壓縮量，依靠盤根預緊力的作用產生變形，填充環狀間隙，并產生徑向壓力，起到阻水的作用，從而實現密封。

圖1 改造前主軸密封結構圖

采用盤根密封，盤根的預緊力的選擇比較關鍵。過緊，則摩擦力增大，主軸磨損加快；過松，則起不到密封效果。盤根密封具有結構簡單，制造及安裝、更換方便等特點，且成本低，因此在中低水頭的混流式小機組中應用較廣泛。

其缺點是，主軸長期高速旋轉，盤根與旋轉的主軸長期摩擦，導致主軸磨損嚴重，漏水逐漸增加，加上電站水頭較高，漏水也會增加。大橋河電站每年由于盤根磨損主軸導致停機檢修1～2次。由于交通不便，一般由電站自行組織人員在現場進行修復。

電站進行主軸盤根軸位修復的工藝為：拆機—清理主軸—補焊磨損部位—手提砂輪機打磨—回裝。由于電站裝備條件及焊工技術水平有限，在補焊時沒有采取必要的防形變及消除應力等措施，修復后主軸容易產生彎曲變形、機械強度下降等不良后果。而主軸的彎曲變形，會導致軸線變位，造成機組回裝盤車找正困難，嚴重者會導致機組振動，軸瓦溫度升高等后果，危及電站的安全經濟運行。再者，電站頻繁拆機檢修，由此導致的停機損失較大。

2 改造的方法

受電站委托，我們于2010年3月對電話進行實地考察、測量，結合機組的結構特點及電站水質條件，通過方案對比，最后采用螺旋密封結構，對電站主軸密封進行改造，當年4月完成改造，我們的改造思路及方法闡述如下。

2.1 螺旋密封工作原理及設計制造

非接觸式螺旋密封是一種比較新型的水輪機密封型式，屬間隙式無接觸密封。其工作原理是：旋轉軸與軸套之間留有狹小的間隙，其間充滿液體，在旋轉軸或軸套上加工出若干道反螺旋形的溝槽，當主軸旋轉時，螺旋槽對液體施加一個推進力并進行能量交換，將主軸的旋轉動能轉換成粘性液體的壓力能，從而形成密封壓頭（泵送效應）。該密封壓頭與被密封介質壓力平衡，從而達到阻水的目的。

在螺轉密封的結構設計上，一般有兩種型式：螺旋槽開在旋轉軸上的螺桿式螺旋密封，及螺旋槽開在孔上的旋套式螺旋密封。大橋河水電站水輪機主軸直徑Φ200 mm，主軸旋轉方向為順時針方向，由于是舊機組改造，考慮到電站交通不便，以及改造的實施和以后的維修成本，我們選用旋套式螺旋密封，即水輪機主軸不改動，而是制作一副分半式的旋套式螺旋密封，旋套的作用機理如圖2。

圖2 旋套式螺旋密封作用機理圖

在旋套的設計上，螺紋的旋向是第一個需要特別注意的問題。如果方向弄錯，則不但不能密封，而且會導致反向抽水，加大漏水量。

其次，螺旋相對寬度k1，相對槽深k2，螺旋角β及齒頂間隙的合理選取，也非常關鍵。水輪機組一般外形尺寸較大，主軸密封尺寸也比較大，若齒頂間隙過小，勢必造成制造和安裝難度加大，制造及檢修成本高；間隙過大，又影響密封效果。因此，螺旋密封的結構設計，是這次改造成功的關鍵。

通過查閱資料、反復計算比較，確定出螺旋密封的尺寸參數。并根據設計圖紙制造了一副分半型的不銹鋼螺旋密封。

2.2 前蓋的改造

由于1#水輪機組結構較緊湊，控制環安裝在蝸殼的前蓋側，控制環上端面到軸承座的軸向僅有不足200 mm距離，而新設的螺旋密封，直接安裝于現有的頂蓋內腔里，那么在以后的檢修中，必然需要移開軸承座，才能有足夠的空間檢修與更換密封件，很不方便。為此，我們對原前蓋作了如下改造：

前蓋原支撐控制環的上部筒體，用機加工方法切除（沿圖1的虛線），切去的筒體軸向長度230 mm，此空間將用于安裝集水箱。

2.3 設計制作集水箱兼控制環支持圓筒

集水箱的設計制造比較關鍵。由于安裝控制環的前蓋支撐筒體已切除，此處改成安裝集水箱，所以在集水箱的結構設計上，應能滿足兩個功能：集水與安裝支撐控制環。

由于螺旋密封直接安裝于前蓋內腔里，考慮到檢修維護方便，集水箱采用分半的可分解結構，由兩個半圓筒組成，用螺栓及密封膠墊把合，集水箱外圓周設計上下兩處法蘭，法蘭加工后組裝以抗磨塊，這樣控制環就可以直接安裝支撐在集水箱外圓周上了（如圖3）。

圖3 改造后的主軸密封結構圖

2.4 控制環改造

同樣的道理，原控制環是整圓鑄造結構，要檢修螺旋密封，同樣也要先拆下控制環，為了方便檢修，控制環也要重新設計成分半結構，其尺寸則在保持與原導水機構傳動件位置不變的情況下配套改造。

2.5 改造工藝

我們制訂的改造工藝如下：實地測量，設計圖紙，把水輪機前蓋拉到生產廠家，上機床切除前蓋支撐筒體部分，同時在前蓋與螺旋密封接合面、前蓋與集水箱接合面共加工3道密封槽，用于安裝密封膠條。制作螺旋密封副、集水箱及控制環、集水箱要求防泄漏。廠內預裝合格后發至電站，供電站安裝。

3 改造效果

按照上面的方法，主軸密封改造成螺旋密封結構后，主軸密封漏水問題基本解決，集水箱及控制環采用分半結構，方便了日常檢修，檢修時直接分解拆下控制環及集水箱，就可進行密封檢修、更換，避免了每次檢修都要吊開軸承座、控制環往后移開、而軸承座回裝又得重新調整找正主軸軸線的麻煩，是比較方便可行的改造方法。

采用螺旋密封，機組運行至今已滿2年，運行情況良好，目前尚沒有出現漏水加大需要更換密封的情況，電站對改造效果比較滿意。

4 結束語

對于高轉速多泥沙電站，螺旋密封是比較理想的密封型式。但是，密封件是易損件，就算是再耐磨的材料，遲早也會磨損，需要更換。因此，在結構設計上，需要考慮到機組后期檢修方便。另外，螺旋密封參數的選擇合理與否，直接影響到密封效果及制造成本，需要嚴謹、科學地計算，才能確定。

[1]顧永泉.流體動密封[M].北京：石油大學出版社，1990.

[2]徐 灝.密封[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[3]全玲琴.水輪機及其輔助設備[M].北京：中國水利水電出版社，1999.