多泥沙水電站水輪發電機組主軸密封的應用分析

柴正英　魏龍　安旭東

摘要：水輪發電機主軸工作密封裝設在水輪機頂蓋下部，是蝸殼內過流動水與頂蓋固定部分的有效止水部件。主軸密封的止水效果與工作性能直接影響到頂蓋泵的工作效率，進而影響到水導軸承與發電機組能否正常工作。泥沙含量相對較大的水輪發電機組電站，主軸密封工作環境對其結構和性能提出了新的要求。青銅峽水電站位于黃河中上游，每年汛期長達6-9個月，汛期機組運行期間泥沙含量高達30kg/立方米，是典型的高泥沙含量過水電站。歷年來電站先后采用改良雙層平板密封、立式浮動密封、水壓端面密封等多種形式主軸密封。結合使用經驗、止漏效果，針對3種密封的結構特點、工作原理等進行了分析對比，對多泥沙電站水輪機主軸密封的選擇和使用提供實踐技術支持。

關鍵詞：泥沙含量大：水輪發電機組：立式浮動密封

中圖分類號：TK73

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）03-0076-02

0引言

青銅峽水電站位于黃河上游，是我國僅有的一座低水頭閘墩式水電站，電站水輪發電機組采用主軸密封對蝸殼工作動水與頂蓋固定部分密封止水。作為水輪機動水與固定部件止水的關鍵部件，其工作可靠性影響到輔助設備的安全和設備的檢修周期的長短，直接關系到機組的正常運行。青銅峽水電站每年汛期長達6-9個月，期間河道過流泥沙量劇增，主軸密封工作環境惡劣，對主軸密封的性能提出了極大挑戰。

1主軸密封結構形式工作原理

青銅峽電站先后采用三種形式主軸密封：水壓端面密封、立式浮動密封和雙層平板密封。水輪機主軸工作密封作為轉動軸與固定部件之間的止漏封水裝置，必須滿足轉動部件和固定部件止漏水量的要求，同時具有一定的抗磨性，滿足長期運行的要求。下面分別分析三種結構型式主軸密封工作過程。

1.1雙層平板密封

雙側平板主軸密封結構如圖1所示。

雙層平板主軸密封主要由底座、密封水箱、密封環、平板、壓板、蓋板以及各固定部分構成。底座、水箱體固定在支持蓋上，上平板由螺栓緊固在水箱體上;密封環、下平板、上環板作為轉動部分，隨主軸一起轉動。上下平板.為橡膠材質，而抗磨板為不銹鋼材質，機組工作時，主軸密封供水管路密封腔內通入0.05～0.2MPa壓力清潔水，使得上下平板與抗磨面緊密結合，構成密閉的清潔水壓力腔，阻止從蝸殼上水進入腔體內，并且對橡膠平冷卻、潤滑。近年來由于結構復雜，檢修安裝工作量大，且安裝空間較大，造成機組軸長增加大幅提高了設計成本：實際使用中，當水輪機組工況變化造成擺動過大，或密封面接觸不良時會導致漏水量激增，水電站設計中已很少采用。

1.2水壓端面密封

水壓端面主軸密封結構如圖2所示。

該密封裝置由抗磨環、支撐底座、硬塑主軸密封塊、抗磨環、浮動環及主軸密封供水管路構成，密封水壓在0.05-0.2MPa之間，密封供水管路設有流量計和壓力表，當水壓過低或中斷時，裝置告警。正常工作狀況，一定壓力的清潔密封水進入位于轉動環下部的密封水箱，將密封塊向上頂起，同時在密封塊上開有4個均勻布置的小孔，清潔水可以通過小孔進入密封塊和抗磨環中間，形成水膜。與上部隨水輪機主軸轉動的抗磨換環緊密接觸，阻止蝸殼內水輪機工作動水由轉動部分與固定部分的間隙滲漏進入頂蓋部分。清潔的密封水一方面作用于頂起密封塊和潤滑工作摩擦面，同時可以防止泥沙進入密封工作面。

1.3立式浮動密封

立式浮動主軸密封結構如圖3所示。

立式浮動密封由轉動環、密封圈、密封圈和密封蓋組成。密封圈在清潔的帶壓水流和自重的作用下，緊貼在轉動環上，當從水輪機蝸殼泄漏的發電機工作動水到達圖示中的A腔后，受密封圈的阻礙作用，從轉動抗磨環與密封圈的接觸面甸隙、密封圈與密封座的接觸面間隙到達C腔及B腔，再經主軸外緣泄流至頂蓋部分。密封圈結構設置為“π’型，同時密封體均勻密布細小孔口聯通密封體上下表面，清潔密封水經細小孔口進入。上部端面，在壓力水流和發電機轉動后離心力的雙重作用下，密封圈與轉動環之間形成層水膜，起到潤滑和冷卻和有效止水的效果。

2立式浮動密封和水壓端面密封工作情況分析

2.1主軸密封設計工況受力分析

密封裝置的主要工作部件是密封體，機組在運行工況下，對密封體做簡單的受力分析，立式浮動密封在豎直方向上受到4個力的作用：一是主軸密封冷卻水的壓力，設上腔密封冷卻水壓為P，密封塊與主軸密封水的作用面積為s，則壓力大小為PXS，方向向下;二是密封體的重力G，方向向下：三是進入密封塊與抗磨板之間的水膜對密封體的向上的作用力，設該作用力大小為F;四是密封體與密封腔之間的靜摩擦力，設為f，方向與其運動方向或運動趨勢方向相反。

冷卻水壓作用于密封塊下端面，在一定壓力作用下，推動密封體向上移動;密封體均勻密布細小孔口聯通密封體上下表面，清潔密封水經細小孔口進入上部端面，形成工作水膜。調整密封水壓大小，水膜厚度相應減少或者增加，以適應發電機不同工況要求的止水效果。不管是立式浮動密封還是水壓端面密封，都在上述四個力的作用下達到平衡并形成穩定的工作水膜，由于力的方向不同，對于水壓端面密封PXS=G+F土f，而對于立式浮動密封則有PXS+G=F土f.由該式不難看出，密封塊自重成為工作穩定量，會減少因為機組負荷突變或者密封水壓力不穩定而造成的水膜的不穩定.由于立式浮動密封塊的自重作用與密封工作水壓反方向，而水壓端面密封塊自重與工作水壓反方向，因此同樣的工況下，立式浮動密封需要的水壓更低，且立式浮動密封相較于水壓端面密封更加穩定可靠，并且立式浮動密封體與密封腔的靜摩擦力小于水壓端面密封塊與密封腔的靜摩擦力f，從而減少了摩擦熱量，延長了密封使用壽命。

2.2主軸密封運行工況分析

密封塊材質不適應水輪發電機組多種工況，容易造成上水過快或者形成密封塊與抗磨環之間的硬摩擦而損壞密封塊，嚴重影響機組的安全運行。在發電機組工況變化中，密封塊與抗磨板之間水膜穩定，在大流量低水頭電站導葉輪葉協聯變化中立式浮動密封適應性較強。對于水壓端面密封，當工況變化造成水膜厚度持續減小至接近冷卻水內泥沙顆粒粒徑時，水膜將被破壞，將加劇密封塊的磨損，甚至是干摩擦，這將使密封塊的磨損急劇增加。而在汛期由于黃河水泥沙含量極高，因此難免有大顆粒泥沙混入密封塊抗磨環之間形成干摩擦，而水壓端面密封材質為硬塑合金，在干摩擦中由于“硬碰硬”而造成局部磨粒磨損，產生發卡嚴重影響密封塊的平衡，久而久之更會造成密封塊表面坑坑洼洼，不利于形成穩定的水膜，而立式浮動密封體采用橡膠材質，具有良好的抗磨性和回彈性，密封體磨損補償面為平面，確保了密封圈與抗磨板之間的間隙合格，適應性優于硬塑材質，穩定性也較高。

3立式浮動密封和水壓端面密封的應用對比

目前，我廠新技改機組1、2、3、7、8主要使用水壓端面密封，在使用過程中發現諸多問題：密封塊更換周期短，一年進行一次密封更換;密封止水效果差，經常出現頂蓋上水快的情況，危及水輪機的安全運行，正常情況下頂蓋泵啟動間隔時間約為2min造成頂蓋泵啟動過于頻繁，降低了頂蓋泵使用壽命，使用電量也相應增加;密封更換成本較高（3W～4W）;密封可靠性差，使用過程中常發現密封塊磨損過于嚴重，對抗磨環的磨損也較嚴重，有時候甚至不得不更換抗磨板，過去一年內密封故障總次數為5次，在機組汛期的時候發生主軸密封故障不得不停機維修，不僅僅減少了機組發電量，還對防汛工作造成影響;密封裝配精度要求高，且裝配調節空間小，1號機曾出現因裝配不當導致的燒瓦現象。

4、5、9采用立式浮動密封，更換周期為兩年一次;在應用過程中較為穩定，過去一年內未出現密封故障;止水效果較好，正常情況下頂蓋泵啟動時間間隔約為10min，電能消耗較低;且密封塊材質為橡膠材質，更換成本較低，經濟效益好;密封磨損量較小，對抗磨板的磨損也較小;密封裝配可調性好，且裝配精度要求較低，密封適應性好。

4經濟效益分析

相對水壓端面密封，立式浮動密封的經濟效益更好，以4號機和3號機為例：

4.1立式浮動密封更換成本較低

水壓端面密封的密封塊和轉動環都為易損件，密封塊更換周期為1～2個/年，轉動環更換周期為3～4年，更換成本約為4W元/年，而立式浮動密封易磨件橡膠，更換周期為2年，平均更換成本為2K元/年，并且縮短了機組檢修工期。

4.2減少頂蓋泵用電量

3號機采用水壓端面密封，每年頂蓋泵消耗電量約為6000kW·h，4號機采用立式浮動密封，每年頂蓋泵消耗電量約為1000kW·h，按每度電0.46元計算，立式浮動密封可節約的電量為2K元/年。而且流入頂蓋淤泥較少，也延長了頂蓋泵的使用壽命。

4.3減少了機組的故障率

汛期電站機組多在高負荷運行工況，由于水壓端面密封機組故障率較高，機組不得不停機檢修，檢修時間一般為3d，以3號機為例，這期間造成少發電量約為72kW·h，也就是說，按照往年的實際運行情況，利用立式浮動密封可以節約費用為大約33萬/年。

綜上所述，利用立式浮動密封比利用水壓端面密封要節約37萬/年。經濟效益顯而易見。

5對于主軸密封現狀的改進意見

通過對比不難發現，立式浮動密封更適合我廠泥沙含量大的特點，且由于立式浮動密封與水壓端面結構相似，安裝空間相仿，因此可以將水壓端面密封更換為立式浮動密封。

6結束語

較之水壓端面密封采用的硬塑材料，立式浮動采用的橡膠材質更富有彈性，工作時止漏水的性能較好，而且不容易發卡，抗磨性能好，可以適應泥沙含量較大的工況。并且橡膠密封設計磨損量可以改進加大，延長密封圈的使用壽命，另外立式浮動密封具有結構合理、占用空間少、設計科學、安裝方便、成本低等特點，結合青銅峽水電廠密封的使用情況，立式浮動密封可以廣泛應用于多泥沙電站。

參考文獻

[1]白延年.水輪發電機設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1990.

[2]王偉.響洪甸蓄能電站主軸密封改造分析[J].東方電氣評論，2004（9）：59.

[3]秦巖平.葛洲壩電站水輪機主軸密封改造及運行情況分析[J].水電與新能源，2014（9）：77-78.