燈泡貫流式機組設備改造方法淺析

王 佩，黃星德

(1. 湖南五凌哈電能效科技有限公司，湖南 長沙 410004； 2. 凌津灘電廠，湖南 常德 415723)

燈泡貫流式機組由于投資少，工期短，收益快等一系列的優點，是20 m及以下水頭段的首選機型[1]。自1933年首臺燈泡貫流式水輪發電機組投運以來，該機型在低水頭、大流量河流中應用得到了迅猛發展。自上世紀80年代開始，通過技術引進、合作生產、自主生產等方式，燈泡貫流式機組在國內也得到了廣泛應用。受早期設計和加工制造水平的限制，且隨著機組投運時間增長，早期投運的燈泡貫流式機組的設備缺陷問題也逐步凸顯，急需進行設備改造來解決[2]。本文以凌津灘電廠主軸密封改造為例，淺析了燈泡貫流式機組設備改造思路，對如何用更少的投入，解決更多的設備問題，提升設備改造效益的方法進行探討。

1 問題分析

凌津灘電廠共有九臺30 WM的燈泡貫流式機組，由日本日立公司設計，首臺機組投產時間為1998年。電廠的主軸密封分為梳齒密封、檢修密封和工作密封，其結構圖如圖1所示。其中，主軸的工作密封為徑向扇形塊自補償式密封，共有兩道復合型環氧密封塊,每道共8塊, 主軸上相應的位置設有銷釘固定、焊接式的薄壁主軸護套，環氧密封塊用彈簧抱在主軸護套上。目前，電廠的主軸工作密封主要存在以下幾個問題：一是經多年運行，環氧密封塊的磨損余量已逐步達到極限，急需在檢修中進行更換，但環氧密封塊造價昂貴，日立公司單臺機組報價高達32萬元；二是主軸護套同樣磨損嚴重且更換困難，目前主要通過檢修中用金屬修補劑進行修復，但是該過程耗時較長且效果有限，幾乎每次檢修中都需要重新修復；三是電廠主軸密封漏水量大，超出水箱排水管的排水能力，導致水從水箱中溢出至燈泡體，并通過燈泡體的排水管排至集水井，既影響美觀，又容易損壞沿途的電氣設備，且電廠燈泡體排水管的排水能力有限，一旦發生堵塞，可能造成更嚴重的事故。此外，溢出的水容易沿軸滲入水導軸承油箱中，引發軸承油系統油混水告警等設備問題。

圖1 原主軸密封結構圖

2 主軸密封改造分析

徑向扇形塊自補償式主軸密封主要通過彈環對環氧密封塊的磨損進行補償，為滿足自補償要求，密封塊分半面為錐面補償結構，間隙較大，是主軸密封漏水的主要原因。且該結構容易出現受力不均的情況，造成局部受力大，使用年限長后容易造成環氧密封塊局部磨損，而彈簧的柔軟性不足，對局部的補償能力有限，從而導致主軸密封漏水增大。環氧密封塊局部磨損后，其受力不均情況將進一步加劇，并同時磨損主軸護套，導致主軸密封漏水更加嚴重。

此外，電廠曾發生轉輪聯軸螺栓斷裂事件，每臺機組的主軸水輪機側法蘭軸頸處也不同程度地存在裂紋缺陷，嚴重影響設備安全穩定運行，其中原因之一就是原主軸密封設計中，主軸法蘭軸頸及水輪機聯軸螺栓安裝位置與流道內的水連通，受水環境影響所致。金屬材料的水下疲勞極限與空氣中疲勞極限存在較大的差異，如圖2所示，金屬在腐蝕環境中的疲勞極限可能遠遠低于空氣中[3]。

圖2 鋼在不同腐蝕環境中強度極限與疲勞極限的關系

因此，新主軸密封設計時可以將工作密封替換成目前應用效果更優良的結構形式，并利用改造機會，將主軸法蘭軸頸及水輪機聯軸螺栓與流道內的水隔離，提升其抗疲勞性能。此外，設計時應考慮原主軸密封支架螺栓位置，安裝空間等因素的限制，并考慮檢修作業等的便捷性。

3 主軸密封優化設計

綜合考慮上述問題，本文將徑向扇形塊自補償式密封更改為軸向平板密封加徑向“L”型密封組合的結構形式，新主軸密封結構如圖3所示。其中“L”型密封圈的材料采用高分子合成材料[4]，具有良好的力學性能和高回彈性，且耐磨損性高、摩擦系數低、無吸水膨脹、耐腐蝕性高，與密封轉動支架配合，可以有效地阻擋流道內的漏水，其中“L”型密封圈在與密封轉動支架配合的磨擦面上開有與主軸旋轉方向相反的斜向水槽，同時具有阻水和潤滑的功能，可以有效地改善潤滑條件，減小密封的磨損[5]。此外，“L”型密封圈本身具有良好的彈性，磨損后具有自補償功能。另一道軸向平板密封有圓盤旋轉離心甩砂的作用，密封副采用進口高分子材料與轉環相配，轉環機體采用馬氏體不銹鋼，并在密封副表面噴涂陶瓷，這種配置可以大幅減小密封面摩擦系數，提高密封使用壽命。

新主軸密封通過O型密封圈(圖3中1號零件)將水輪機聯軸螺栓的安裝位置與流道內的水隔離，使螺栓和主軸法蘭軸頸處于空氣環境中，提升了該處金屬的抗疲勞性能，降低了缺陷發生的可能性。且與原設計中水輪機聯軸螺栓和主軸法蘭軸頸封閉在主軸密封支架內不同，該設計螺栓和軸頸暴露在燈泡體內，便于巡視人員對運行狀況進行監視，為提前發現缺陷，避免事故發生提供了可能性。

圖3 新主軸密封結構示意圖

新主軸密封中，“L”型密封圈和平板密封均為整圈結構，相對于環氧密封塊，密封性能大幅提升。與密封配合的轉動密封支架和陶瓷轉環抗磨損性能顯著提升，可以有效地延長檢修周期，且即使磨損后，更換也相對簡單，解決了原主軸護套磨損后，難于更換且修復效果有限的問題。改造后的排水箱容量增加，即使因特殊情況漏水量增加也能一定程度上保證排水通暢，不會出現漏水溢出的現象，且因為排水箱材質改為玻璃鋼，重量明顯降低，拆裝時更為便利。

此外，原設計中，每組轉輪聯軸螺栓和銷釘各配有一塊墊片，目的是防止銷釘竄出。該墊片的存在，也是引起水輪機聯軸螺栓斷裂的安全隱患之一[6]。本次主軸密封改造中取消了原設計的6塊墊片，并通過優化設計，將主軸密封旋轉支架與主軸的連接板及主軸密封的分半法蘭設計在銷釘孔中間位置，代替墊片達到限制銷釘竄出的目的。

4 結 語

主軸密封是水電機組的主要關鍵部件之一，主要作用是防止流道內的水從轉動部件(如主軸) 和固定部件之間泄漏，避免造成水淹廠房等事故的發生[7]。主軸密封如果發生故障需要非計劃檢修，將嚴重影響電站的安全、檢修費用以及電站的經濟效益。本文以凌津灘電廠為例，針對電廠主軸密封存在的磨損嚴重、漏水量大等問題，提出了針對性的優化設計方案。

改造后凌津灘電廠主軸密封的漏水量大幅降低，且改造時充分考慮了拆裝的便捷性，既延長了檢修周期，又降低了檢修勞動強度。通過主軸密封改造，在解決上述問題的同時，還提升了轉輪聯軸螺栓和水輪機主軸的安全穩定性，改造的效果顯著，可以為同類型的設備改造提供參考。