水輪機(jī)主軸密封抗磨環(huán)水平調(diào)整方法淺析

羅前林，劉騰彬,陶吉全，黃 雄，趙世昊

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 引言

葛洲壩電站自建成以來其水輪發(fā)電機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行30余年，機(jī)組的部分主要部件已出現(xiàn)老化，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；隨著三峽電站全面投產(chǎn)，汛期三峽機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電同時葛洲壩機(jī)組被迫棄水，降低了水利資源合理利用率，影響經(jīng)濟(jì)效益。鑒于以上原因，葛洲壩電站自2013年開始實(shí)施水輪發(fā)電機(jī)組改造增容工作。葛洲壩電站水輪發(fā)電機(jī)組改造增容包括主軸密封改造，由雙層橡膠平板密封結(jié)構(gòu)改為自補(bǔ)償型軸向端面密封。

改造后機(jī)組主軸密封為自補(bǔ)償型軸向端面密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。機(jī)組運(yùn)行時，壓力為0.15～0.25MPa的清潔水通過供水環(huán)管進(jìn)入浮動環(huán)與密封圈，在密封圈與抗磨環(huán)間形成大于此處江水壓力的有壓水腔，將浮動環(huán)頂起，在密封圈與抗磨環(huán)間形成0.05～0.10 mm厚水膜，達(dá)到阻止江水進(jìn)入水箱的效果。一部分清潔水通過水腔內(nèi)徑側(cè)流入集水槽，經(jīng)頂蓋泵抽走。在浮動環(huán)自身重力及彈簧彈力作用下，當(dāng)密封圈發(fā)生磨損時會自行調(diào)整其位置，使其與抗磨環(huán)間水膜厚度保持不變，達(dá)到自行調(diào)整的效果[1]。

根據(jù)葛洲壩歷年的維護(hù)記錄，雙層橡膠平板密封的平均更換周期為2～3年，在汛期搶修更換密封時機(jī)組須停機(jī)，影響經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)三峽機(jī)組同類型主軸密封運(yùn)行情況來看，自補(bǔ)償式主軸密封的維護(hù)工作量低，甚至10年內(nèi)無須維護(hù)，自補(bǔ)償式主軸密封的安全運(yùn)行穩(wěn)定性較高。

圖1 改造后自補(bǔ)償型主軸密封結(jié)構(gòu)

新主軸密封安裝要求抗磨環(huán)整體水平值小于0.02 mm/m，跳動值小于0.05 mm。因主軸螺栓護(hù)蓋為分瓣組圓結(jié)構(gòu)，安裝后其抗磨環(huán)安裝面的平面度無法滿足跳動值小于0.05 mm/m要求。抗磨環(huán)安裝和調(diào)平的難度較高。如采用傳統(tǒng)的卡耶里方法測量調(diào)整[2]，因抗磨環(huán)的徑向水平值經(jīng)常超過0.40 mm/m，周向水平測量值會因水平儀擺放角度的不同多有變化，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較差。在葛洲壩6F機(jī)組初次運(yùn)用此方法時，合像水平儀讀數(shù)多達(dá)4 000多次，工作效率低下，安裝質(zhì)量無法保證。因此，安裝人員嘗試運(yùn)用基于盤車調(diào)整抗磨環(huán)的方法。

2 基于盤車調(diào)整抗磨環(huán)水平的原理和方法

葛洲壩水力發(fā)電機(jī)組為半傘式低水頭機(jī)組，從上至下依次有上導(dǎo)軸承、推力軸承和水導(dǎo)軸承三主軸承，其中推力軸承為彈性油箱結(jié)構(gòu)，機(jī)組軸線通過上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承分別抱緊確定[3]。為了保證機(jī)組運(yùn)行時處于最優(yōu)工況，需要進(jìn)行機(jī)組修后盤車，使機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心重合，并保證機(jī)組鏡板水平小于0.02 mm/m。根據(jù)機(jī)組盤車的特點(diǎn)，在抗磨環(huán)處架百分表測量，修后盤車完成時，只要百分表水平跳動值小于0.05 mm，即可認(rèn)為抗磨環(huán)調(diào)整合格。

采用盤車法測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平伴隨著機(jī)組修后盤車過程同時進(jìn)行，盤車前對抗磨環(huán)內(nèi)外側(cè)各劃分N個測點(diǎn)，并在抗磨環(huán)上表面內(nèi)、外側(cè)分別架設(shè)一個百分表，兩測量百分表針間距為d，具體位置如圖2所示。機(jī)組盤車過程及時記錄8個方向上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承處百分表讀數(shù)和推力軸承合像水平儀讀數(shù)，以及抗磨環(huán)各測點(diǎn)處百分表讀數(shù)。上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承處百分表讀數(shù)表示盤車時主軸的絕對擺度，推力軸承處合像水平儀讀數(shù)代表鏡板水平值，要求各部軸承擺度值小于0.05 mm，鏡板水平值小于0.02 mm/m。

由于百分表表座安放于機(jī)組固定部分，抗磨環(huán)安裝在轉(zhuǎn)動部件上，盤車時抗磨環(huán)跟隨主軸做圓周運(yùn)動時，兩個百分表分別記錄內(nèi)、外側(cè)各測點(diǎn)處讀數(shù)，內(nèi)側(cè)讀數(shù)記為外側(cè)讀數(shù)記為，其中 k 取 1、2、…、N。

據(jù)盤車過程推力軸承處合像水平儀讀數(shù)計算出板水平值b1和與X軸夾角α，在抗磨環(huán)百分表初始測量點(diǎn)處使用合像水平儀測量內(nèi)、外側(cè)水平值b2，則抗磨環(huán)在此位置內(nèi)、外側(cè)高差Δg：

外側(cè)測點(diǎn)高程Gwk：

3 誤差分析及應(yīng)用

3.1 盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法誤差分析

1)盤車過程中上導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承處主軸擺動值均要求小于0.05 mm，機(jī)組水導(dǎo)軸承和上導(dǎo)軸承百分表架設(shè)處高程差值為13.23 m，因此主軸擺度對抗磨環(huán)內(nèi)、外側(cè)水平可能最大影響值為0.008 mm/m，此誤差可通過優(yōu)化盤車工藝減小。

2)測量和讀數(shù)誤差。包括推力軸承處合像水平儀誤差，抗磨環(huán)處百分表誤差和合像水平儀誤差。減小此誤差方法為使用高精度、檢驗(yàn)合格的測量工器具；由熟練人員測量、記錄；保證合像水平儀放置平穩(wěn)，接觸面無高點(diǎn)和毛刺；百分表架設(shè)過程中盡量保證表座穩(wěn)固。

3)抗磨環(huán)剛性不足，導(dǎo)致抗磨環(huán)各測點(diǎn)加墊銅皮后影響鄰近測點(diǎn)高程，此誤差雖然無法消除，但其對整體水平值影響較小。

4)抗磨環(huán)各分半面有錯牙導(dǎo)致盤車時抗磨環(huán)上百分表跳動，盤車一圈后百分表無法回零，需要在盤車前處理錯牙，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而減小此項誤差的影響。

3.2 盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法應(yīng)用

盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法在葛洲壩電站水輪發(fā)電機(jī)組改造增容項目主軸密封安裝過程中廣泛應(yīng)用，表1為6臺機(jī)組改造后主軸密封充水試驗(yàn)浮動環(huán)四個方向的浮動量，其中4F、7F、11F、16F為哈爾濱電機(jī)廠設(shè)計、制造（簡稱哈電機(jī)組），12F和21F為東方電機(jī)廠設(shè)計、制造（簡稱東電機(jī)組）。由于改造后哈電機(jī)組主軸密封中彈簧彈性系數(shù)大于東電機(jī)組彈簧，導(dǎo)致哈電機(jī)組浮動環(huán)浮動量相對東電機(jī)組普遍偏小，但各機(jī)組浮動環(huán)均正常浮起，各方向浮動量較均勻，均能形成水膜，在機(jī)組正常運(yùn)行時提供工作密封作用。這說明盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平法成功應(yīng)用于水輪機(jī)自補(bǔ)償型軸向端面主軸密封的安裝。

表1 盤車測量并調(diào)整抗磨環(huán)水平方法應(yīng)用葛洲壩電站機(jī)組主軸密封改造結(jié)果

4 結(jié)語

葛洲壩電站水輪發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)改造增容將主軸密封中工作密封由雙層平板橡膠密封結(jié)構(gòu)改造為自補(bǔ)償型軸向端面密封結(jié)構(gòu)，主軸密封抗磨環(huán)安裝中創(chuàng)新性采用盤車測量并調(diào)整水平方法解決抗磨環(huán)調(diào)平工作量大，精度低的難題，大大縮短檢修工期，安裝后充水試驗(yàn)浮動環(huán)上浮正常，機(jī)組運(yùn)行期間主軸密封工作正常，改造后密封圈磨損量需要在機(jī)組后續(xù)運(yùn)行過程中持續(xù)監(jiān)測。

[1]秦巖平，陶吉全，馬明.葛洲壩電站水輪機(jī)主軸密封改造及運(yùn)行情況分析[J].水電與新能源，2015（1）：66-68.

[2]牟官華.應(yīng)用卡耶里（CAYERE）方法測量聯(lián)接法蘭面水平[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2006（3）：5-7.

[3]肖剛，祁英明.淺談水輪發(fā)電機(jī)盤車調(diào)水平技術(shù)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（25）：101-102.