水輪機(jī)水壓式端面工作密封的改造分析

馬艷麗，周 強(qiáng)，任江濤

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院，陜西 楊凌 712100 )(2.西安水務(wù)(集團(tuán))黑河水力發(fā)電責(zé)任有限公司，陜西 西安 710401)(3.西安水務(wù)(集團(tuán))引乾濟(jì)石管理有限公司，陜西 商洛 711400)

水輪機(jī)主軸密封失效問題是水電站運(yùn)行中普遍存在的技術(shù)難題。不同的水電站因?yàn)樗^、流量、轉(zhuǎn)速、泥沙含量、安裝方式、密封結(jié)構(gòu)和材料的不同，密封失效狀況也不盡相同。近年來，隨著電站監(jiān)測、控制、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)水平的提高，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)的考核要求也越來越高，對(duì)主軸密封的性能評(píng)定也是如此。中小機(jī)型方面，主軸密封設(shè)計(jì)已系列化、規(guī)范化。歐美等國有專門從事水輪機(jī)主軸密封設(shè)計(jì)制造的公司(如PROCO公司、STAELING公司等)，密封制造公司按給定的邊界條件設(shè)計(jì)、供貨。大型機(jī)組方面，國外水電設(shè)備一直占據(jù)著一定的壟斷優(yōu)勢，對(duì)于各自的“專利密封”能夠明確給出各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，但不提供技術(shù)轉(zhuǎn)讓。我國水電行業(yè)發(fā)展的幾十年，不斷對(duì)水輪機(jī)主軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行摸索，積累了不少的經(jīng)驗(yàn)，并已完善出多種密封型式應(yīng)用于各電站。有些密封結(jié)構(gòu)雖幾經(jīng)優(yōu)化，仍不盡人意[1-2]。水輪機(jī)水壓式端面工作密封結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行方便，成本低，在中低水頭混流式水輪機(jī)中應(yīng)用廣泛，但是隨著運(yùn)行年限的增加，機(jī)組磨損導(dǎo)致漏水加劇，造成水淹機(jī)坑、導(dǎo)軸承進(jìn)水等事故。目前一些學(xué)者提出了水壓式端面工作密封改造的建議。翟建平等[3]提出了水輪機(jī)漏水的故障分析及處理方案，通過改造原密封管路，調(diào)整密封體和密封座的間隙，改善了工作密封的漏水問題；孫波[4]采用橡膠本體和抗磨環(huán)開槽改善了密封潤滑狀況；郭軍[5]提出泵板改造方案改善多泥沙電站工作密封的磨損問題。這些改造措施只是針對(duì)特定電站提出的改造方案，不具備通用性。本文針對(duì)水壓式端面工作密封存在的問題進(jìn)行深入探討和分析，總結(jié)出常見的機(jī)組改造措施，希望能給水輪機(jī)主軸工作密封的改造提出合理化建議。

1 水輪機(jī)水壓式端面工作密封的特點(diǎn)

水輪機(jī)水壓式端面工作密封也稱為活塞式密封,主要由不銹鋼密封抗磨環(huán)、密封橡膠環(huán)、橡皮條輔助密封、密封擋環(huán)及密封支座等構(gòu)成。其工作原理是潔凈的潤滑水通過布置在密封橡膠圈的進(jìn)水孔流至內(nèi)腔，橡膠密封塊在均布水壓力的作用下被頂起，將頂蓋和轉(zhuǎn)輪之間的漏水密封在不銹鋼抗磨環(huán)和橡膠密封環(huán)接觸面之間并形成密封水膜。少部分漏水在離心力的作用下從密封副兩側(cè)流出，帶走因摩擦產(chǎn)生的熱量，并起到對(duì)密封面的潤滑和冷卻效果。水壓式端面工作密封結(jié)構(gòu)有兩種型式：一種是潤滑水壓將密封橡膠活塞向上密封，抗磨環(huán)裝在水輪機(jī)大軸上方；另一種是密封活塞倒置，潤滑水將密封橡膠活塞向下密封，這種結(jié)構(gòu)的檢修密封位置降低安裝到大軸法蘭側(cè)面，在水輪機(jī)護(hù)罩下法蘭位置增加不銹鋼抗磨板。水壓式端面工作密封的兩種結(jié)構(gòu)工作原理大同小異，主要區(qū)別是抗磨環(huán)和檢修密封安裝的位置不同。最常用的是密封橡膠活塞向上密封的結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 水壓端面式工作密封示意圖

2 水壓式端面工作密封的受力分析

2.1 水壓式端面工作密封的受力分析

以密封橡膠活塞向上密封的水壓式端面工作密封結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行受力分析，如圖2所示。密封環(huán)分別受抗磨環(huán)的壓力F1、被密封水產(chǎn)生的水壓力F2、潤滑水向上的壓力F4、密封輔助橡膠圈產(chǎn)生的摩擦力F3以及受力件自身的重力G，密封件在這些外力的作用下達(dá)到平衡[6]，其受力方程式為

F1×2+F2+G+F3×2-F4=0

(1)

圖2 密封環(huán)受力分析示意圖

2.2 水壓式端面工作密封常見的故障

水壓式端面工作密封常見的故障現(xiàn)象是機(jī)組漏水嚴(yán)重或者橡膠環(huán)燒焦現(xiàn)象，這兩種現(xiàn)象取決于密封潤滑水供水和被密封水兩者的壓力關(guān)系。設(shè)計(jì)要求工作密封潤滑水的壓力必須略大于被密封水的壓力。若密封潤滑水的壓力太大，造成橡膠密封環(huán)和抗磨環(huán)接觸緊密,無法形成水膜，造成干摩擦,導(dǎo)致密封燒焦。若潤滑水的壓力小于被密封水的壓力，漏水加劇，密封失效。

3 水壓式端面工作密封改造措施

3.1 工作密封體結(jié)構(gòu)故障排查和改造

工作密封體結(jié)構(gòu)的改造是不改變水壓端面式密封的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)影響密封壓力的密封系統(tǒng)進(jìn)行故障排查和改造。水壓端面式工作密封的結(jié)構(gòu)簡圖和實(shí)物圖如圖3和圖4所示。在圖4中從上到下依次裝配有抗磨環(huán)、橡膠密封環(huán)、密封支座。在密封支座上有橡膠密封環(huán)定位的導(dǎo)向桿。密封體改造主要針對(duì)引起工作密封水壓變大造成的橡膠環(huán)燒毀現(xiàn)象進(jìn)行原因分析和改造，以及由于被密封水的水壓增大而造成機(jī)組漏水情況的改造[7]。

圖3 密封裝配示意圖

圖4 水壓式端面工作密封體裝配實(shí)物圖

3.1.1橡膠密封環(huán)燒毀的原因和處理

當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，或者是密封環(huán)更換后的首次試運(yùn)行，由于密封環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)配合緊密，造成密封環(huán)燒損。在運(yùn)行過程中，如果主軸潤滑水管路堵塞，頂蓋漏水不能及時(shí)從減壓孔排走，會(huì)造成密封潤滑水系統(tǒng)水壓增大，橡膠環(huán)和抗磨環(huán)間隙減小也會(huì)造成橡膠環(huán)燒毀[8]。因此密封體改造應(yīng)檢查：

1)密封橡膠環(huán)尺寸是否偏大，密封座和密封蓋是否銹蝕。雖然在機(jī)組安裝試運(yùn)行前已調(diào)整好潤滑水壓的大小，但如果密封橡膠環(huán)的阻力大于密封橡膠環(huán)的自重和外界水壓力，則造成密封環(huán)不能正常回落，密封副表面形成干摩擦，橡膠密封環(huán)燒損。

2)排查密封增壓泵、調(diào)節(jié)閥、供水電磁閥故障以及供水管路是否堵塞等原因造成的潤滑水壓降低造成密封橡膠環(huán)燒毀的事故。

通常改造的措施有：

1)初次運(yùn)行或者密封塊更換后要進(jìn)行充壓力水試驗(yàn)，檢驗(yàn)橡膠密封環(huán)回落性能。要求橡膠密封環(huán)靠自重可以沿導(dǎo)向桿自由回落，在使用過程中保證密封塊移動(dòng)靈活，在密封副磨損時(shí)能夠提供補(bǔ)償。

1.認(rèn)知是涉及身體的，也即不能脫離具體的身體。正因?yàn)槿祟愑刑囟ǖ纳眢w機(jī)構(gòu)，才決定了人類特有的認(rèn)知和思維方式［3］。另外，Gallagher（2005）認(rèn)為，身體在認(rèn)知活動(dòng)中發(fā)揮作用與身體圖式（body schema）和身體意象（bodyimage）有關(guān)［4］，身體圖式是身體的感覺——運(yùn)動(dòng)能力系統(tǒng)，而身體意象是身體知覺的偽像，不管是低水平的認(rèn)知還是包括判斷、隱喻等在內(nèi)的高水平認(rèn)知都通過身體圖式和身體意象系統(tǒng)的功能來實(shí)現(xiàn)［5］。顯然，在認(rèn)知過程中，身體是不可或缺的。

2)核算橡膠密封環(huán)導(dǎo)向孔尺寸，將主軸密封濾水器清掃、供水管路疏通納入機(jī)組的小修項(xiàng)目。當(dāng)壓力表調(diào)節(jié)困難或者誤差較大時(shí)可以在管路上安裝壓力傳感器，在密封管路調(diào)節(jié)閥處電子顯示壓力，確保機(jī)組密封供水的壓力可以調(diào)節(jié)，并保持和漏水壓力相適應(yīng)。

3.1.2密封漏水的原因和處理措施

在汛期區(qū)，由于負(fù)荷增大，被密封水的壓力增大，機(jī)組漏水比較明顯。特別是在多泥沙電站，由于渾水進(jìn)入摩擦面，導(dǎo)致密封環(huán)表面磨損加劇，造成主軸密封漏水過大,嚴(yán)重時(shí)水輪機(jī)頂蓋匯集的水位上升到轉(zhuǎn)動(dòng)油盆底，出現(xiàn)水導(dǎo)油盆打水、導(dǎo)軸承進(jìn)水等事故[9]。工作密封體結(jié)構(gòu)的改造主要是排查以下幾點(diǎn)并進(jìn)行修復(fù)：

1)橡膠密封環(huán)是否變形或者損壞。

密封抗磨環(huán)在隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，其摩擦力的方向與其任意一點(diǎn)圓周運(yùn)動(dòng)切線方向相反，因此橡膠密封塊有隨抗磨環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，但由于受到導(dǎo)向桿的約束，會(huì)出現(xiàn)橡膠密封環(huán)和導(dǎo)向桿粘貼緊密的現(xiàn)象，也會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)向桿彎曲變形、橡膠環(huán)撕裂等現(xiàn)象造成機(jī)組漏水加劇。

2)檢查技術(shù)供水壓力。

3)檢查潤滑孔是否合適。

潤滑孔太大則造成橡膠密封環(huán)上、下腔壓差太小，起不到密封效果；太小則造成橡膠密封環(huán)上、下腔壓差太大，使橡膠密封環(huán)過緊貼附在轉(zhuǎn)動(dòng)抗磨板上，不能形成水膜，造成干摩擦，從而燒毀橡膠密封圈。

4)檢查橡膠密封環(huán)和橡膠密封支座的間隙、橡皮條輔助密封的間隙以及橡膠密封環(huán)和抗磨環(huán)部件結(jié)合面狀況及間隙。

橡膠密封環(huán)與密封支座的間隙要合適，機(jī)組運(yùn)行前要進(jìn)行橡膠密封環(huán)頂起壓力試驗(yàn)，橡膠密封環(huán)應(yīng)能上下靈活移動(dòng)；橡膠密封環(huán)和抗磨環(huán)安裝要符合技術(shù)裝配的要求，當(dāng)橡膠密封環(huán)和抗磨環(huán)錯(cuò)位、或者間隙過大、或者輔助密封圈和密封槽的配合間隙過大等情況都將造成機(jī)組漏水；水輪機(jī)連軸螺栓保護(hù)帽和法蘭間的橡皮條密封的間隙過大導(dǎo)致密封水箱漏水[10]。

鑒于以上機(jī)組漏水原因的分析，在設(shè)計(jì)密封改造方案時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮壓力、水量等方面的變化因素，因此改造時(shí),對(duì)主軸工作密封進(jìn)行受力的相關(guān)測量和核算,根據(jù)核算結(jié)果調(diào)整密封供水管路以及管路的水壓和水量；對(duì)密封副材料變形部位進(jìn)行處理，確保整個(gè)摩擦面平整；根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸校核密封環(huán)和密封座的間隙、橡膠密封環(huán)和抗磨環(huán)的間隙，正確選擇輔助密封條的尺寸，防止由于密封條老化、磨損等造成密封水箱的漏水。

3.2 選擇密封環(huán)材料

福建古田溪水電站采用德國泰佛迪公司制作泰迪材料和PU材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的丁腈橡膠材料作為密封，不但保證了密封活塞活動(dòng)自如，還能很大程度提高密封活塞的抗磨性能，延長了密封環(huán)的使用壽命[11]。湖北水利勘測設(shè)計(jì)院選擇廣州寶力特液壓密封公司生產(chǎn)的高性能耐水聚氨酯密封材料，在當(dāng)?shù)氐乃娬緫?yīng)用中取得較丁腈橡膠更好的密封效果[12]。

3.3 抗磨環(huán)表面開槽處理

為了改善密封副間隙的潤滑條件，表面開槽技術(shù)是比較有效的途徑。目前比較常見的表面處理措施是在摩擦面設(shè)有矩形、環(huán)形、圓形或者其他形狀的小槽。這些槽在端面上形成壓力楔，在抗磨環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有利于在密封副之間形成水膜，帶走摩擦面的熱量，起到潤滑和冷卻的效果。西安水務(wù)集團(tuán)黑河水電站是以供水為主兼顧發(fā)電的水電站，工作密封采用水壓式端面密封。電站發(fā)電受供水的牽制，負(fù)荷變動(dòng)較大，工作密封經(jīng)常出現(xiàn)問題。2018年電站經(jīng)過幾次改造，3臺(tái)機(jī)組均在抗磨環(huán)開了4條徑向?qū)ΨQ的矩形過水槽。槽深1.0 mm，寬1.0 mm，有效改善了端面工作密封運(yùn)行狀況，延長了機(jī)組大檢修周期，避免了電站非計(jì)劃運(yùn)行停機(jī)現(xiàn)象的頻繁發(fā)生。

3.4 泵板聯(lián)合密封改造方案

在較高轉(zhuǎn)速或者多泥沙的水電站，水壓式端面工作密封存在密封件磨損快的缺陷。因此單從密封體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造并不能有效解決密封漏水問題。泵板改造方案是拆除原來的水壓式端面密封結(jié)構(gòu)，將接觸密封改為非接觸式密封。該方案的工作原理是在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠頂部設(shè)有泵板裝置， 漏水在泵板的旋轉(zhuǎn)和攪拌產(chǎn)生的離心力作用下很快地從水輪機(jī)頂蓋排出。軸與密封間不直接接觸。泵板密封壽命長且密封無需清潔水，也不需要設(shè)置技術(shù)管道閥門及濾水器等部件。但是這種改造方案在轉(zhuǎn)速小于200 r/min時(shí)，由于泵板產(chǎn)生離心力較小，頂蓋排水效果會(huì)受到限制。圖5所示為西安水務(wù)集團(tuán)黑河水電站泵板聯(lián)合密封改造設(shè)計(jì)方案，圖中標(biāo)記區(qū)域?yàn)樗畨憾嗣媸矫芊飧脑旌蟮谋冒甯脑煸O(shè)計(jì)方案[13]。

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速或機(jī)組停機(jī)時(shí)，泵板不能發(fā)揮作用，大部分漏水可以通過檢修圍帶密封，少量的漏水也會(huì)被迷宮式密封完全封住。通常泵板改造的適用范圍如下：

圖5 泵板聯(lián)合密封改造示意圖

1)工作水頭H：40～150 m；

2)水輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nr≥214.3 r/min以上；

3)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1>1.2 m；

4)水質(zhì)不好的多泥沙電站。

泵板聯(lián)合密封方案改造時(shí)需在轉(zhuǎn)輪上冠上加工泵板，在和轉(zhuǎn)輪上冠相對(duì)的頂蓋下平面部分也需要進(jìn)行少量的改造，在水輪機(jī)頂蓋上方應(yīng)增加排水管，排水管的管徑以及排水泵是否改造應(yīng)根據(jù)測算電站排水泵的排水能力來確定。改造方案設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意檢查頂蓋的壓力、機(jī)組的擺動(dòng)情況，檢查基坑排水是否暢通，管路接口及法蘭連接處、密封座與抗磨環(huán)間的密封間隙處是否有漏水等情況。

4 結(jié)束語

水壓式端面密封是中高水頭水電站常見的一種密封形式，隨著運(yùn)行年限的增長，大多數(shù)水電站都將面臨著密封改造問題，在密封改造措施的選擇方面，密封體結(jié)構(gòu)改造、密封材料的更換以及抗磨環(huán)表面處理技術(shù)改造成本相對(duì)較低，適用于水質(zhì)較好、轉(zhuǎn)速相對(duì)較低的電站。對(duì)多泥沙的電站或者高水頭、大容量的機(jī)組采用泵板聯(lián)合密封改造方案雖然增加了成本，但可在較長運(yùn)行年限內(nèi)取得較好的密封效果。