幾種典型結(jié)構(gòu)水輪機(jī)工作密封的安裝

周敏利

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明650032）

1 概述

水輪機(jī)密封是為了水輪機(jī)運(yùn)行安全設(shè)置的，大多水輪機(jī)機(jī)坑位置都低于尾水位（沖擊式機(jī)組除外），為了防止尾水反漏回機(jī)坑和減少機(jī)組運(yùn)行中的漏水，一般密封裝置有兩層次，一個(gè)是工作密封，也稱主軸密封，一個(gè)是檢修密封，也稱停機(jī)密封。在水輪機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件之間的一套封水裝置我們我們稱之為工作密封，工作密封裝置既要避免與轉(zhuǎn)動(dòng)部件產(chǎn)生干涉、又要盡量減少?gòu)捻斏w下躥上來的機(jī)組漏水，如果工作密封漏水大，不僅增大了機(jī)坑抽排水難度、還有可能造成水淹機(jī)坑事故；若工作密封固定裝置和轉(zhuǎn)動(dòng)部件摩擦碰撞，不僅會(huì)造成設(shè)備損壞、密封失效事故，如果處理不當(dāng)，還會(huì)使事故擴(kuò)大造成淹水事故。因此，主軸密封裝置從設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)維都有較高的要求，不僅要求安全可靠、使用壽命長(zhǎng)，還要求便于安裝、檢修維護(hù)簡(jiǎn)單等特征。

2 分類

近十幾年來，水輪機(jī)主軸密封從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用材料、運(yùn)維管理方面有很大的變化，現(xiàn)在所使用的主軸密封結(jié)構(gòu)大致可以分為以下2大類：接觸式密封和非接觸式密封。接觸式密封一般是在固定件和轉(zhuǎn)動(dòng)件間安裝密封件達(dá)到封水效果，密封件接觸力量大小可調(diào)節(jié)，密封面中間用清潔水來加強(qiáng)潤(rùn)滑和形成一定的水膜來減小摩擦。非接觸式密封一般是在轉(zhuǎn)動(dòng)件和固定件之間設(shè)計(jì)有合理間隙，固定件和轉(zhuǎn)動(dòng)件上設(shè)置多道迷宮環(huán)或梳齒環(huán)，大多還需要配套轉(zhuǎn)輪上腔減壓系統(tǒng)配合使用來達(dá)到封水效果。

2.1 接觸式密封

接觸式密封結(jié)構(gòu)形式很多，所采用密封材料也已經(jīng)更新多代，有傳統(tǒng)的彈簧調(diào)整的機(jī)械式端面密封、徑向密封；有通壓力水來調(diào)整的平板式主軸密封；有自動(dòng)補(bǔ)償衡壓式密封等。本文就僅對(duì)傳統(tǒng)的平板式主軸密封和VOITH公司的自動(dòng)補(bǔ)償衡壓式密封結(jié)構(gòu)安裝和注意事項(xiàng)做簡(jiǎn)單闡述。

2.1.1 平板式主軸密封

平板式主軸密封結(jié)構(gòu)多適用于中小型電站，具有調(diào)節(jié)性能好、密封性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，通常結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平板式主軸密封通常結(jié)構(gòu)

該型密封顯著特征是具有抱緊在軸上一起旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)平板和下部可軸向活動(dòng)的U型密封橡膠環(huán)，平板下密封面精加工，有部分制造廠為了增加其抗磨腐蝕性能，也在下端面鑲焊不銹鋼層；U型密封橡膠環(huán)通常采用硬質(zhì)橡膠或尼龍制品，具有相應(yīng)的彈性和耐磨性；外圍的密封活塞缸體一般固定在水輪機(jī)頂蓋上，活塞體連橡膠環(huán)與固定缸體做軸向移動(dòng)；中通的帶孔螺栓除用來固定橡膠環(huán)外，還把壓力水引入上腔做潤(rùn)滑外用，通常對(duì)稱均勻布置，有些還設(shè)置有可以調(diào)整開啟的絲堵，具有對(duì)下腔減壓調(diào)節(jié)作用；對(duì)稱勻布的導(dǎo)向銷除具有防止活塞缸隨大軸轉(zhuǎn)動(dòng)、還兼有對(duì)活塞缸上下做導(dǎo)向平衡作用；進(jìn)水管接清潔可調(diào)的壓力水。工作原理：接通壓力水，通過活塞體上下端的差壓力使活塞體整體向上運(yùn)動(dòng)，使橡膠環(huán)接觸到平板下端面，接觸力量大小可由進(jìn)水壓力大小來調(diào)整，達(dá)到密封效果。

安裝的一般步驟：（1）按圖紙要求組合分瓣活塞缸支座，根據(jù)設(shè)備X、Y軸線和進(jìn)水口接管方向把支座固定安裝在頂蓋上，配鉆銷釘孔。（2）按預(yù)裝標(biāo)記粘接U型橡膠環(huán)，并檢查合格后組裝在活塞體上，裝側(cè)向O型圈后找正導(dǎo)向銷位置，平緩的壓入活塞缸內(nèi)。（3）組合安裝轉(zhuǎn)動(dòng)平板，抱緊在大軸的卡槽內(nèi)，完成后檢查平板面和橡膠面間隙。（4）按照要求壓力進(jìn)行充水試驗(yàn)，活塞體應(yīng)能靈活動(dòng)作，密封面不應(yīng)有較大漏水。

安裝過程中注意事項(xiàng)和運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的問題：（1）支座安裝面水平調(diào)整宜小于0.05 mm/m，否則活塞體運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生卡阻現(xiàn)象。（2）活塞體和缸體間O型圈要用質(zhì)量較好耐油橡膠，不能太緊也不能過松。（3）帶孔螺栓安裝要看廠家說明書，開孔分全開和部分開啟。（4）導(dǎo)向防轉(zhuǎn)銷試配不能有卡阻現(xiàn)象，此銷釘不僅是導(dǎo)向作用、更多是承受運(yùn)行時(shí)切向受力，極易出現(xiàn)卡阻使活塞體不動(dòng)作情況。（5）活動(dòng)平板與橡膠環(huán)之間間隙受到機(jī)組安裝實(shí)際高程影響比較大，所以在機(jī)組中心固定后要符合此尺寸鏈，一般情況保證在0.2～1 mm即可，可通過研磨橡膠環(huán)平面來保證。（6）機(jī)組首次啟動(dòng)時(shí)不可把密封進(jìn)水管閥一次全開，建議首先給一個(gè)小流量，看水輪機(jī)密封處漏水情況適當(dāng)調(diào)整，否則，首次啟動(dòng)極易出現(xiàn)密封冒煙燒壞情況。

2.1.2 自補(bǔ)償衡壓式密封

VOITH自補(bǔ)償衡壓式密封多適用于單機(jī)容量較大的大、中型電站，在抽蓄的可逆式機(jī)組也應(yīng)用廣泛，該型密封具有適用運(yùn)行水頭幅度寬、安全可靠、磨損小等優(yōu)點(diǎn)。通常結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自補(bǔ)償衡壓式密封通常結(jié)構(gòu)

該型密封結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)制造加工和安裝精度要求較高。顯著特征是具有1套彈簧可調(diào)整的浮動(dòng)密封環(huán)裝置，浮動(dòng)環(huán)通常分為2～4瓣，中間帶有對(duì)稱通孔，可把清潔壓力水引入至摩擦面進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。大軸法蘭上設(shè)置分瓣抗磨環(huán)（滑環(huán)），用不銹鋼精加工而成，抗磨環(huán)水平度通常要求不大于0.02 mm/m。密封環(huán)安裝在浮動(dòng)環(huán)下部，密封環(huán)多為非金屬或者復(fù)合材料制成，如碳精、木布纖維樹脂、聚四氟乙烯等，普遍具有耐磨損、強(qiáng)度好、具有一定耐熱不變形的特點(diǎn)。彈簧均勻布置在浮動(dòng)環(huán)和固定支持環(huán)中間，壓縮量可通過螺塞調(diào)節(jié)。支持環(huán)用來聯(lián)結(jié)密封座和浮動(dòng)環(huán)，浮動(dòng)環(huán)的防轉(zhuǎn)動(dòng)和限位裝置通常也與支持環(huán)相聯(lián)。密封座作為連接環(huán)和浮動(dòng)環(huán)的承重環(huán)，下部通常也安裝檢修密封，上部還安裝防止濺水起來的集水盆和排水管。潤(rùn)滑冷卻水通過雙聯(lián)高精濾水器引入摩擦面，以減少抗磨環(huán)的磨損和發(fā)熱。工作原理：抗磨環(huán)隨大軸一起旋轉(zhuǎn)，密封環(huán)隨浮動(dòng)環(huán)在彈簧的壓力下和抗磨面接觸，切斷漏水，達(dá)到密封效果。在摩擦面間通入清潔水進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻散熱，并在轉(zhuǎn)動(dòng)件和固定件間形成一層水膜減小摩擦力，均勻布置的彈簧可以適時(shí)調(diào)整浮動(dòng)環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)，周向旋轉(zhuǎn)力和軸向位移由防轉(zhuǎn)限位裝置來進(jìn)行約束。

安裝的一般步驟：（1）抗磨環(huán)（滑環(huán)）在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸合格后安裝，并檢查水平在0.02 mm/m以內(nèi)，分瓣組合面用油石修磨至光滑無錯(cuò)牙。（2）在水輪機(jī)軸承座安裝前，確保檢修密封和工作密封分瓣的部件已經(jīng)吊運(yùn)至合適位置，并且不影響機(jī)組盤車。（3）圖紙要求和預(yù)裝標(biāo)記將密封環(huán)安裝于浮動(dòng)環(huán)上，并落于抗磨環(huán)上，用塞尺檢查密封面間隙并處理合格，一般要求0.05 mm塞尺檢查不通過，并檢查進(jìn)水孔是否暢通，外圈工藝孔用絲堵密封。（4）組合安裝密封座。這一般也是檢修密封上壓環(huán)，檢修密封安裝完成后進(jìn)行通氣試驗(yàn)滿足要求后進(jìn)行。（5）組合安裝支持環(huán)前先檢查彈簧安裝高度尺寸鏈，需要滿足偏差要求，否則需要通過調(diào)整壓緊絲堵來調(diào)整。支持環(huán)安裝完成后檢查與浮動(dòng)環(huán)徑向間隙應(yīng)滿足要求，一般要求在0.4～0.6 mm間。（6）安裝防轉(zhuǎn)限位裝置并檢查合格。（7）安裝集水盆及測(cè)溫、測(cè)磨損等附件，完成管路安裝。（8）工作密封安裝完成后進(jìn)行密封上抬量試驗(yàn)檢查，接通壓力水后，整個(gè)浮動(dòng)環(huán)四個(gè)方向上抬量約為0.04～0.10 mm間為合格。

安裝過程中注意事項(xiàng)和運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的問題：（1）抗磨環(huán)組合面錯(cuò)牙和間隙應(yīng)修磨平整，否則運(yùn)行中密封環(huán)磨損嚴(yán)重，極大減少密封使用壽命。（2）盤車在動(dòng)態(tài)下檢查抗磨環(huán)跳動(dòng)值，并處理合格。否則，機(jī)組運(yùn)行中漏水量加大。（3）因?yàn)槊芊猸h(huán)材料不同，特別是聚四氟乙烯類的極容易產(chǎn)生彈性型變，所以間隙檢查較難處理，可在檢查時(shí)在浮動(dòng)環(huán)上部適當(dāng)加外力情況下檢查較為準(zhǔn)確，碳精類的可以直接研磨，滿足接觸面要求。（4）在彈簧安裝時(shí)要保證位置的正確性，防止產(chǎn)生壓偏或過壓縮等情況。（5）導(dǎo)向防轉(zhuǎn)銷安裝時(shí)不能有卡阻現(xiàn)象，此銷釘不僅是導(dǎo)向作用，更多是承受運(yùn)行時(shí)切向受力、極易出現(xiàn)卡阻使浮動(dòng)環(huán)不動(dòng)作情況。（6）在通水檢查上抬量時(shí)可注意四個(gè)方向的值是否均勻，如偏差大，極大可能是密封接觸面不均勻、或者彈簧壓縮不均勻，無論是那一種都需要處理，否則機(jī)組運(yùn)行后漏水大。

2.2 非接觸式工作密封

非接觸式密封種類型號(hào)不是很多，封水面多采用梳齒型和迷宮型，該密封多用于中小型水電站，該型密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需潤(rùn)滑冷卻水，因?yàn)闊o接觸所以正常情況無磨損，具有使用壽命較長(zhǎng)，檢修維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在河水泥沙含量大，常規(guī)接觸式密封使用磨損大，管路容易堵塞的電站應(yīng)用較廣。

圖3 非接觸式工作密封結(jié)構(gòu)

該密封的顯著特點(diǎn)是具有一個(gè)抱緊在軸上一起旋轉(zhuǎn)的內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)（有的也直接在軸上加工而成），通常用不銹鋼精加工而成，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)和軸領(lǐng)同心度要求較高；有一個(gè)和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)等高的一個(gè)固定密封環(huán)，密封環(huán)內(nèi)圈通常由巴氏合金澆筑而成，并加工成迷宮狀；固定密封環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)間隙設(shè)計(jì)稍大于水導(dǎo)瓦間隙，在密封環(huán)中部對(duì)稱方向設(shè)置排水管，無潤(rùn)滑冷卻水管；在轉(zhuǎn)輪上部設(shè)置的泵板減壓系統(tǒng)才是關(guān)鍵，此類型主軸密封加轉(zhuǎn)輪泵板系統(tǒng)，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)可達(dá)到主軸密封不漏水，甚至產(chǎn)生負(fù)壓吸氣效果。工作原理：在停機(jī)狀態(tài)或者在機(jī)組啟動(dòng)轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，水流通過密封環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)間極小間隙時(shí)，由于迷宮狀的減壓設(shè)計(jì)和排水管的共同作用，漏水可輕易排走；機(jī)組在正常工況運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪上泵板裝置的吸出作用，轉(zhuǎn)輪上腔水大量由頂蓋上排水管排出，此時(shí)主軸密封處有少量甚至無水排出。

安裝的一般步驟：（1）根據(jù)圖紙檢查到貨設(shè)備，確認(rèn)不缺件。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)提前安裝，參與機(jī)組盤車，檢查同心度滿足要求。（3）安裝固定密封環(huán)，用塞尺測(cè)量與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)四周間隙應(yīng)滿足圖紙要求。（4）安裝排水管路系統(tǒng)。

安裝過程中注意事項(xiàng)和運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的問題：（1）轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)安裝完成后參與盤車，合格要求通常和水輪機(jī)大軸一致，如有超差，可以通過處理組合面或者加工處理轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)達(dá)到要求。（2）固定環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)間隙調(diào)整和水導(dǎo)瓦間隙大小相對(duì)應(yīng)，即水導(dǎo)瓦間隙均勻調(diào)整，此間隙也均勻調(diào)整；水導(dǎo)瓦按擺度計(jì)算調(diào)整，此間隙也按擺度調(diào)整。否則容易出現(xiàn)密封環(huán)磨損燒壞情況。（3）對(duì)于薄壁件轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)安裝時(shí)要檢查周全，即要抱緊牢固又要防止產(chǎn)生大的變形，防止局部變形引起的密封環(huán)磨損情況。

3 結(jié)束語

水輪機(jī)工作密封每一類型都有它的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性。在設(shè)計(jì)、 制造已經(jīng)定型的情況下，工作密封的安裝及維修質(zhì)量的好壞直接影響到其使用壽命和水電站安全運(yùn)行，本文從幾種密封的結(jié)構(gòu)原理、安裝及注意事項(xiàng)做一個(gè)綜合闡述分析，希望能對(duì)具有類似工作密封結(jié)構(gòu)電站的安裝、檢修、技改提供幫助。