角木塘水電站水輪機主軸密封漏水分析與處理

(貴州大唐國際道真水電開發(fā)有限公司，貴州 道真縣，563500)

1 概述

角木塘水電站裝有2臺35MW立軸懸型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，于2017年底先后投產(chǎn)發(fā)電。該機組的水輪機主軸密封是由彈簧、浮動環(huán)(含高分子材料密封件)、導(dǎo)向環(huán)、抗磨環(huán)等組成的端面密封(見圖1、圖2)。與傳統(tǒng)的橡膠活塞式端面密封相比，這種密封結(jié)構(gòu)具有運行穩(wěn)定、受潤滑水壓力波動影響較小、安裝調(diào)整方便、使用壽命長等優(yōu)點，因此，這種密封近年在大中型電站應(yīng)用較多。但角木塘電站兩臺機組在啟動試運行階段均出現(xiàn)了主軸密封漏水大的現(xiàn)象，1#機是第一臺投運機組，漏水過大甚至影響到啟動試驗無法帶上額定負荷。經(jīng)電站業(yè)主牽頭組織，電站、主機廠、密封專業(yè)廠家共同分析原因和研究處理方案，對處理前后的運行情況進行詳細統(tǒng)計分析，通過幾次循序漸進的處理和優(yōu)化，使主軸密封漏水大的問題得到了妥善解決。

圖1 主軸密封總圖

1 抗磨環(huán) 2 密封件 3 彈簧 4 浮動環(huán) 5 調(diào)節(jié)螺釘 6 潤滑水進水管

圖2工作密封結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)象及初期處理

角木塘電站1#機組于2017年12月2日啟動，在后續(xù)試驗啟停機過程中發(fā)現(xiàn)主軸密封漏水量大，表現(xiàn)為機組啟動前檢修密封圍帶氣壓撤出后頂蓋水位上漲快，原設(shè)計配置的2臺頂蓋排水泵(流量10m3/h)啟動抽水較頻繁。機組空轉(zhuǎn)后漏水量減小，排水泵不需啟動。負荷增至9MW及以上時漏水量開始緩慢增加，排水泵需啟動抽水。在負荷接近30MW時漏水量增加較快，需投入另外2臺臨時水泵(流量60m3/h)同時抽水，負荷大于33MW時漏水量明顯增大，4臺水泵同時抽水仍不能滿足排水，需降負荷運行。1#機主軸密封出現(xiàn)問題時2#機正在總裝，恰好準備安裝主軸密封，業(yè)主方暫停了2#機主軸密封安裝工作，將情況通報給主機廠，并要求針對1#機主軸密封漏水大的情況，分析改進，對2#機主軸密封進行處理，處理后再安裝以免2#機發(fā)生相同問題。

2017年12月5日主機廠設(shè)計人員到現(xiàn)場觀察1#機組主軸密封漏水情況，對不同工況下漏水情況進行了記錄(見表1、表2)。

對2#機主軸密封浮動環(huán)配合尺寸進行了檢測，根據(jù)1#機漏水情況和2#機實測數(shù)據(jù)，廠家判斷漏水原因為浮動環(huán)配合尺寸不合理造成浮動環(huán)動作不靈活，封水面存在間隙造成漏水量偏大。2017年12月5日～7日對2#機主軸密封浮動環(huán)進行了返廠加工處理(配合段單側(cè)間隙增加0.20mm)。

表1 密封供水水壓0.22MPa時漏水情況 (時間：12月27日晚上)

表2 密封供水水壓0.2MPa時漏水情況 (時間：12月28日上午)

2#機啟動后，通過2#機空轉(zhuǎn)、帶負荷等試驗過程觀察，漏水量較1#機小，在30MW及以上漏水量有增大趨勢，增加的速度比1#機顯著降低(短時間內(nèi)可不啟動備用臨時水泵抽水)。12月27日設(shè)計人員到電站后，在各負荷段對2#機主軸密封漏水情況進行了觀察和記錄。

3 原因分析

3.1 直接原因

機組運行時轉(zhuǎn)動部件有一定軸向位移，主軸密封的浮動環(huán)要求軸向移動靈活，當固定在主軸上的抗磨環(huán)隨轉(zhuǎn)動部件一起下移時，浮動環(huán)也能及時跟隨下移，使密封件與抗磨環(huán)之間形成較穩(wěn)定的平面動密封。從漏水的現(xiàn)象和拆下的主軸密封檢查情況，可以判斷浮動環(huán)存在卡阻情況，導(dǎo)致浮動環(huán)沒有與轉(zhuǎn)動部件一起下移，密封件與抗磨環(huán)之間間隙增大。從表1、表2可見，轉(zhuǎn)動部件在帶負荷后有2mm左右下沉量，如果浮動環(huán)發(fā)卡，仍在原位置，則密封件與抗磨環(huán)之間就會有2mm左右的間隙，漏水就是從這個間隙流出到頂蓋上。

3.2 間接原因

(1)主機廠第一次應(yīng)用這種主軸密封，對該類型密封設(shè)計缺乏經(jīng)驗，配合尺寸和密封件參照液壓活塞設(shè)計，摩擦阻力較大。這與密封外協(xié)廠的常規(guī)設(shè)計理念不一致，而雙方在設(shè)計過程中沒有統(tǒng)一。

(2)廠內(nèi)加工時浮動環(huán)與導(dǎo)向環(huán)間隙比設(shè)計下限值略小，密封件壓縮量偏大，進一步增加了摩擦阻力，導(dǎo)致浮動環(huán)動作不靈活。

(3)主機廠提供給主軸密封外協(xié)廠家的密封件摩擦力、水壓等邊界條件與實際的不一致，導(dǎo)致理論計算與實際情況偏差較大。

(4)廠內(nèi)裝配時沒有做試驗?，F(xiàn)場安裝人員也是第一次接觸這種密封，對原理不熟悉，沒能及時發(fā)現(xiàn)間隙偏小等異常情況。

4 處理過程

2#機初步處理后漏水有明顯改善，說明浮動環(huán)發(fā)卡的問題已基本消除，但摩擦阻力還是偏大，導(dǎo)致浮動環(huán)還是不夠靈活。如果采用加大潤滑水壓力來增加浮動環(huán)向下的力，一方面電站是低水頭，技術(shù)供水為自流供水，需要另外設(shè)置加壓裝置，實施起來比較復(fù)雜。另一方面，潤滑水在密封機組內(nèi)部漏水的同時其本身也存在外漏，潤滑水加壓后存在漏水增大的可能性，需要機組運行時試驗觀察，漏水量能否改善不確定性較大。經(jīng)反復(fù)討論，采用增加彈簧壓縮量的方案，這是最易實現(xiàn)的方案。第一次在彈簧處加墊4mm(增加壓縮量4mm)，運行后觀察，兩臺頂蓋排水泵同時抽水基本能滿足抽水，但水泵運行時間長，運行間隔時間短，這種情況對水泵壽命影響較大，且一臺水泵故障，頂蓋水位就會失控。第二次在彈簧處加墊10mm(增加壓縮量10mm)，同時根據(jù)業(yè)主建議，主機廠將頂蓋排水泵啟停水位區(qū)間加大(調(diào)整為80mm～450mm區(qū)間)，采取以上措施后，開機帶負荷觀察2#機主軸密封漏水量明顯減小，帶額定負荷時頂蓋排水泵單臺泵啟動抽水可滿足要求，啟泵間隔時間為18min，抽水時間5min，已達到主機廠初始設(shè)計要求。

在總結(jié)2#機處理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，確定在1#機集中消缺期間對1#機主軸密封進行處理。除了應(yīng)用在2#機上的處理措施，根據(jù)密封外協(xié)廠建議，對浮動環(huán)動密封進行調(diào)整，將矩形圈由外側(cè)改到內(nèi)側(cè)，現(xiàn)場回裝時在彈簧處加墊將彈簧壓縮量再增加4mm。1#機消缺完畢，開機帶負荷觀察主軸密封漏水情況，漏水量明顯減小，帶額定負荷時頂蓋排水泵單臺泵啟動抽水可滿足要求，啟泵間隔時間為20min，抽水時間5min。

處理結(jié)束到目前已有半年左右時間，從近期運行情況觀察，處理后兩臺機組的主軸密封漏水量達到設(shè)計預(yù)期效果，原設(shè)計配置的頂蓋排水泵抽水能滿足要求。后續(xù)將由主機廠協(xié)調(diào)外協(xié)廠家復(fù)核彈簧受力情況，對彈簧重新選型并擇機更換。電站將結(jié)合檢修對主軸密封的密封件磨損情況進行檢查，以確定密封使用壽命和檢修周期。結(jié)合機組運行水頭和潤滑水壓力、流量，水泵運行時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進一步分析主軸密封漏水量與潤滑水壓力及流量的關(guān)系，總結(jié)運行規(guī)律，并將信息反饋給主機廠，可作為今后設(shè)計制造參考。

5 結(jié)語

該主軸密封結(jié)構(gòu)是近年大中型水輪機上采用較多的結(jié)構(gòu)，密封效果好，密封件損耗小，基本上沒有發(fā)生密封失效的問題。角木塘電站主軸密封出現(xiàn)的問題及處理過程，使主機廠和電站有機會對密封的設(shè)計原理有更深入的認識，通過本電站實際應(yīng)用，也證實了該型密封在設(shè)計、制造、裝配、安裝得當?shù)那疤嵯?，是較好的一種密封結(jié)構(gòu)，可以在其他水電項目水輪機上推廣使用。