小浪底工程機(jī)組主軸密封優(yōu)化

劉鋼鋼，張延智，劉大雙

（黃河水利水電開發(fā)總公司，河南省濟(jì)源市 459017）

0 引言

小浪底工程[1]位于黃河干流上，壩址處多年平均含沙量為37kg/m3，廠房布置6臺(tái)300MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速107.1r/min，額定水頭112m，工作水頭67.91～141.67m，水頭變化幅度大，是河南電網(wǎng)裝機(jī)容量最大的常規(guī)水電站，承擔(dān)著河南電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

小浪底水電站水輪機(jī)[2]主要由轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、筒閥、主軸密封、頂蓋、蝸殼、尾水管等構(gòu)成。機(jī)組在運(yùn)行過程中，蝸殼內(nèi)水流會(huì)沿著機(jī)組主軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件之間竄入頂蓋。為阻止蝸殼內(nèi)的水進(jìn)入頂蓋，水輪機(jī)布置了主軸密封裝置[3]。若水輪機(jī)主軸密封封水效果不好，將會(huì)導(dǎo)致漏水量變大，造成水輪機(jī)導(dǎo)軸承被淹，甚至出現(xiàn)機(jī)組事故停機(jī)情況，嚴(yán)重威脅水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。

1 主軸密封存在的問題

小浪底工程水輪機(jī)主軸密封裝置[6]主要包括支持環(huán)、浮動(dòng)環(huán)、嵌入式摩擦環(huán)及滑環(huán)四部分，主軸密封裝置局部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采用揚(yáng)程為95m的水泵給主軸密封持續(xù)供水，浮動(dòng)環(huán)在主軸密封水浮力、彈簧彈力、自重、頂蓋下腔壓力及主軸密封盤根與支持環(huán)之間摩擦力的聯(lián)合作用力下處于動(dòng)態(tài)平衡，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況不同而上下浮動(dòng)。主軸密封高壓水在嵌入式摩擦環(huán)與滑環(huán)之間會(huì)形成約5μm的高壓水膜，利用高壓水封低壓水的原理，以阻止流道中的水過多進(jìn)入頂蓋。

圖1 主軸密封局部結(jié)構(gòu)Figure 1 Shaft seal local structure

由于黃河汛期泥沙含量高，易造成主軸密封部件的嚴(yán)重磨損[7]。2018年，小浪底工程機(jī)組經(jīng)歷了一次高含沙、高負(fù)荷、長(zhǎng)歷時(shí)運(yùn)用，4臺(tái)機(jī)組主軸密封裝置先后出現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)以下問題。

（1）支持環(huán)及浮動(dòng)環(huán)出現(xiàn)變形。支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)設(shè)計(jì)間隙值為0.7～0.9mm（單邊），而在檢修過程發(fā)現(xiàn)，其間隙值偏離設(shè)計(jì)值較多，其中2號(hào)機(jī)組的支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙值Table1 The gap value between retaining ring and sealing ring

續(xù)表

（2）嵌入式摩擦環(huán)磨損嚴(yán)重。由于小浪底工程過機(jī)含沙量較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)2018年最大過機(jī)含沙為72.85kg/m3，高含沙水造成摩擦環(huán)磨損嚴(yán)重，其中2臺(tái)機(jī)組已磨損12mm（允許磨損值為10mm），造成浮動(dòng)環(huán)與滑環(huán)直接對(duì)磨，嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行。其中，機(jī)組7月份過機(jī)含沙量曲線圖見圖2。

圖2 含沙量曲線Figure 2 Sediment concentration curve

（3）支持環(huán)鋁青銅封水面存在不同程度磨蝕。支持環(huán)與主軸密封盤根接觸部位采用寬為50mm、厚為5mm的鋁青銅，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，浮動(dòng)環(huán)帶動(dòng)主軸密封盤根與支持環(huán)的鋁青銅摩擦。隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，鋁青銅面局部出現(xiàn)磨蝕坑，坑深可達(dá)6mm。

2 原因分析

針對(duì)機(jī)組主軸密封漏水量大的狀況，通過對(duì)運(yùn)行機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)觀察記錄，根據(jù)機(jī)組檢修處理情況，結(jié)合主軸密封工作原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要原因分析如下。

（1）支持環(huán)剛度不足。小浪底原設(shè)計(jì)支持環(huán)采用兩瓣結(jié)構(gòu)，由于頂蓋空間狹窄，主軸密封檢修極為不便。為提高檢修便利性，在2013年的主軸密封改造中，將原設(shè)計(jì)的兩瓣結(jié)構(gòu)改成四瓣，直接導(dǎo)致支持環(huán)剛度降低，在長(zhǎng)期的高壓水的作用下，支持環(huán)出現(xiàn)不同程度的變形。此外，由于主軸密封長(zhǎng)期在水中浸泡，支持環(huán)底部與頂蓋結(jié)合面會(huì)存在銹蝕、高點(diǎn)等影響平整度的因素，原支持環(huán)分瓣面把合螺栓采用7條M16的A2-70材質(zhì)螺栓把合，其把合力不足，在支持環(huán)底部螺栓打緊時(shí)會(huì)發(fā)生分辨面組合縫張口的情況，此種情況也會(huì)導(dǎo)致支持環(huán)變形。

（2）浮動(dòng)環(huán)剛度不足。小浪底主軸密封浮動(dòng)環(huán)材質(zhì)為GX4CrNi13-4+QT，廠家為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，采用鑄造工藝生產(chǎn)而成。由于鑄件組織不夠致密，存在縮孔、氣孔等缺陷，晶粒粗細(xì)不均，導(dǎo)致其力學(xué)性能較低。經(jīng)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其存在一定程度的變形。

（3）支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙值較小。主軸密封設(shè)計(jì)間隙為0.7～0.9mm，在機(jī)組運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)浮動(dòng)環(huán)動(dòng)作不靈活，甚至卡澀現(xiàn)象，加至特殊的泥沙情況，從而導(dǎo)致嵌入式摩擦環(huán)偏磨。

（4）支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)局部間隙值較大。高含量泥沙水會(huì)順著間隙大的地方射出，支持環(huán)變形鋁青銅面一旦被沙粒磨出凹痕，在高壓水的作用下，凹痕處會(huì)形成夾縫射流，進(jìn)一步加劇鋁青銅面的磨蝕。

3 主軸密封優(yōu)化

（1）提高支持環(huán)剛度。解決支持環(huán)剛度問題，主要從材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面入手。改造內(nèi)容為：支持環(huán)鋼板厚度由30mm增加至40mm；支持環(huán)外側(cè)均勻增加12個(gè)加強(qiáng)筋板；擋水環(huán)和支持環(huán)采用一體化結(jié)構(gòu)，增加支持環(huán)剛度。通過上述優(yōu)化，可有效提高支持環(huán)剛度。此外，將分瓣面把合螺栓由M16增大至M24，材質(zhì)由A2-70改為C3-80，支持環(huán)內(nèi)側(cè)由一條把合螺栓優(yōu)化為兩條，大大增加了分瓣面的把合力。優(yōu)化前后的支持環(huán)剖面圖見圖3。

（2）提高浮動(dòng)環(huán)剛度。優(yōu)化浮動(dòng)環(huán)尺寸，浮動(dòng)環(huán)高度由133mm增加至140mm，外徑由3200mm增大至3210mm；浮動(dòng)環(huán)生產(chǎn)由鑄造改為鍛造，通過鍛造，改善金屬的內(nèi)部組織，提高了金屬力學(xué)性能。

（3）增大支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及力學(xué)分析計(jì)算，優(yōu)化其間隙值，由單邊0.7～0.9mm擴(kuò)大至1～1.375mm，從而減少浮動(dòng)環(huán)卡澀情況發(fā)生次數(shù)。

（4）提高嵌入式摩擦環(huán)抗磨能力。 將嵌入式摩擦環(huán)寬度由15mm加寬至20mm，增大與滑環(huán)接觸面積，在相同水壓下，浮動(dòng)環(huán)受到向上的浮力增大，嵌入摩擦環(huán)與滑環(huán)間高壓水膜厚度變厚，從而降低嵌入式摩擦環(huán)與沙粒磨損力度。

圖3 優(yōu)化前后的支持環(huán)剖面圖Figure 3 Before and after optimization of retaining ring profile

4 改造效果

優(yōu)化后的主軸密封首次安裝在小浪底工程2號(hào)機(jī)組上，主軸密封安裝后間隙值見表2，主軸密封抬升試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表2 支持環(huán)與浮動(dòng)環(huán)間隙值Table2 The gap between retaining ring and sealing ring

表3 主軸密封抬升試驗(yàn)值Table3 Lift test value of shaft seal

主軸密封優(yōu)化后，機(jī)組經(jīng)2000h運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，主軸密封漏水量明顯減小，頂蓋排水泵啟停間隔明顯延長(zhǎng)，由原來優(yōu)化前的2min增加至優(yōu)化后的18min，且檢查未發(fā)現(xiàn)嵌入式摩擦環(huán)有磨損痕跡。

5 結(jié)束語

本次水輪機(jī)主軸密封優(yōu)化降低了主軸密封漏水量，有效消除了水淹水車室的隱患，提高發(fā)電設(shè)備的可靠率，主軸密封可以保持長(zhǎng)時(shí)段安全可靠運(yùn)行，減少了因檢修主軸密封造成的停機(jī)時(shí)間，增加了經(jīng)濟(jì)效益，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，主軸密封故障事故停機(jī)的安全隱患消除，取得了一定的安全效益；降低了因主軸密封漏水量大事故停機(jī)造成的棄水風(fēng)險(xiǎn)，提高了水資源利用率，取得了一定的社會(huì)效益。