浅析灯泡贯流式水轮发电机组主轴密封漏水的解决措施

浅析灯泡贯流式水轮发电机组主轴密封漏水的解决措施

王旭涛

陕西省安康市旬阳县蜀河水力发电厂 陕西安康 725721

摘要：灯泡贯流式机组，因其工作环境潮热、安装空间狭窄、密封结构型式较复杂等原因，导致转环、密封块、浮动环、支撑弹簧等部件易受到损坏、卡涩，造成主轴密封性能变差，出现大量漏水的情况出现，若排水不及时可能造成水淹廊道设备，影响机舱内设备安全运行，甚至有水淹厂房的危险。

关键词：灯泡贯流式水轮发电机组；主轴密封漏水；解决措施；

有2台45 MW机组，额定功率为46．5 MW，设计流量为60 m³／s。但自机组投运以来主轴密封无法正常顶起，水轮机顶盖处漏水较大，自排已无法让水轮机顶盖的水位降低。为了避免水淹厂房的事故发生，在每台机组上加装了2台潜水泵排水，但汛期的运行记录显示，该缺陷仍严重限制了水电厂超发能力，损失了大量的发电量并对机组的安全运行带来隐患。

1. 机组主轴密封结构

水电厂水轮机组的主轴密封为轴向水压平衡式机械密封，采用水润滑和冷却，水源取自于机组技术供水系统。该机械密封由密封块、转动抗磨环、操作环限位导向杆等组成。主轴密封转动抗磨环直接加工在联轴螺栓保护罩上静止部分，由两段半圆形结构拼合而成，安装在由密封压盖和密封挡环形成的槽内。水轮机工作时，密封块下腔通入250～300 kPa压力清洁水，使密封块克服自身重量上浮起来，顶住固定在主轴上的转动环上，转动抗磨环随主轴一起转动。密封块安装在活塞密封座里，密封块上对称设计了4根直径为12 mm定位销，限制密封块只能作上下运动，不能作环向运动和径向运动。在密封块上下端之间均设置了4个直径为6 mm通流孔。当密封块下腔无压时，密封块能靠自重下降到底部，当活塞下腔通入压力水后，密封块在水压作用下上升到顶端，使顶盖与主轴之间的漏水水流受到阻碍。在顶起密封块的同时，水流经通流孔到密封块上端，当密封块与转动环接触后，接触面之间就产生了流动水膜，只有少部分水流漏出，通过顶盖的白排管道流人集水井。同时，这一定的漏水量也避免密封块因干磨导致过热而烧毁，主轴密封起到密封效果：密封圈在来自外界压力水和自身重量的作用下，紧贴在转动抗磨环上，使水轮机与顶盖上迷宫环处的漏水受到阻碍，不能直接流向顶盖，从而达到封水效果。

二、主轴密封漏水原因分析

1.水电厂水轮机组设计水头为78 m，最大水头为92．5 m；设计尾水位为392 in。受下游水电厂蓄水以及尾水渠道堵塞的影响，开机空转就发现主轴密封大量漏水，目测呈喷涌状，顶盖水位迅速上升。开启顶盖排水射流泵后，仍不能阻止顶盖水位上升趋势。由于主轴密封漏水严重，电站只能限制机组负荷在43 MW以下，负荷大于43 MW时必须投人应急备用的顶盖排水潜水泵。才勉强控制住水位上升；当机组负荷大于49 WM时，加装的顶盖排水泵也无法满足顶盖排水要求，必须减负荷，否则顶盖处水位将持续上升，造成水淹机组事故，给安全生产带来隐患。

2.原因分析。水轮机工作密封的效果如何主要取决于密封块的端面与转动抗磨环接触是否密实，从故障现象来分析，漏水量大，一定是密封环与转动抗磨环接触不密实。初步分析漏水可能与以下原因有关：(1)密封环卡阻：在安装中虽已保证密封环和转动抗磨环接触，但由于密封环被卡住，而且阻力大于密封环自重和外界水压力，致使密封接触面问不能形成水膜，导致密封失效。(2)技术供水压力不够：技术供水管道管径偏小，导致进入密封块下腔压力水流流量偏小，小于通流孔的漏水量，不能形成压力，密封块不能被顶起，密封块与转环之间有间隙，漏水量偏大。(3)密封块变形损坏：转动环上任意一点的速度方向是其作圆周运动的切线方向，其摩擦力的方向与其相反，密封块工作中所受的力除重力、水压力外，还有摩擦力，在摩擦力的作用下，密封块有随转环转动的趋势，但由于受到定位销的约束，会出现密封块定位销孔与定位销贴紧的结果，也存在密封块定位销孔变形、密封块的结合部位脱胶断裂。

3.主轴密封受力分析。一是受力分析。(1)重力：主轴密封体投影(水槽)面积为686．88 cm²。(2)摩擦力：橡胶对不锈钢最大干摩擦因数为0．50—0．75，主轴密封为有水摩擦，摩擦因数在0．20～0．25之间。现假设在干摩擦状态，摩擦因数取0．5，计算时的摩擦面压力应不大于主轴密封重量，否则主轴密封将卡在半空中无法落到底部，与实际观察到的主轴密封能够靠自重正常下落不相符，即最大摩擦力约等于重力的1／2，克服摩擦力需要水压也为重力的1／2，约1．6 kPa。(3)为平衡主轴密封重量产生的压力，下方主轴密封应增加压力为4．7 kPa。理论上顶起机组的主轴密封水压仅仅需要大于9．5 kPa即可，图纸标称的主轴密封水压为20 kPa，约为理论水压的2倍，完全能够满足使用压力需要，机组主轴密封无法顶起，不是因为供水压力不足。二是主轴密封水量平衡计算。漏水面积：4个定位销孔漏水面积为3．52 cm

²；4个排水孔面积为1．13 em²；实测主轴密封与两侧间隙则橡胶密封两侧漏水面积约为27．85 cm。主轴密封供水面积：压力管道直径为15 mm的镀锌管，过水断面积为1．77 cm²。由以上计算可知：机组主轴密封供水水管截面积仅为1．77 cm²，供水水量完全不足以把主轴密封顶起与转动密封环接触，实际机组主轴密封处水压远远小于供水管压力表处显示的100 kPa压力，约为5．5 kPa。远小于正常运行时的9．5 kPa，主轴密封无法正常顶起，达不到密封效果。

三、主轴密封解决措施

1.主轴密封分解检查情况。停机对主轴密封进行了分解检查，发现密封块的摩擦副材料变型(密封块材料变型与骨架脱离)，只有2个半圆部位的头部在运行时与转动抗磨环有接触摩擦的痕迹，其他部位几乎没有摩擦痕迹，即绝大部分摩擦面无法接触进行密封；主轴密封座的橡皮盘根密封条老化，直径偏小，起不到密封作用，而且密封部件的端部接触部位没有进行胶合，导致压力箱体内的压力无法建立，使得密封部件未能被顶起与摩擦面接触。由于各种技术供水流量泄漏过大，导致技术供水压力不够，而且密封面润滑水的引入孔的面积偏大导致技术供水的压力不能建立，主轴密封无法工作。主轴密封水在进水口不远处大量泄漏，只有局部受力，即使加大压力，仍有可能卡住，导致主轴密封受力不均匀。

2.改造。由以上分析可知，解决主轴密封漏水的方案应同时考虑压力、水量这两方面的因素：(1)更换主轴密封处的橡胶条，减少漏水量，选择时以主轴密封装置能够靠自重较为轻松下落为准；(2)根据情况对部分取消枷nLrn密封面润滑水的引入孔进行封堵，同时将密封块销钉孔用硅胶封堵，以保证技术供水有足够的压力；(3)改造原主轴密封供水管路，由单根DNl5管路连接至供水环管供水，改为DN25供水管连接至技术供水环管直接供水；(4)将主轴密封水压力提高至300 kPa，并以供水阀缓慢调节水量、水压，控制主轴密封与顶盖的摩擦力及对顶盖的压应力，避免主轴密封与顶盖接触过紧干磨，调节时以主轴密封处有少量漏水为宜；(5)对密封件的摩擦副材料变形部位进行处理，使整个摩擦面保持平整；(6)主轴密封座的橡皮盘根密封条直径若有偏小或者老化，可以根据具体情况进行更换；(7)对主轴密封部件的2个半圆端部按照图纸要求进行密封胶合；(8)利用以前的主轴密封管道加装一套700 kPa压缩空气管路，保证停机时顶起密封块使之与转动抗磨环紧密接触，以确保技术供水出现故障时顶盖水位不能迅速上升，不发生水淹导轴承事故。

主轴密封是水轮机的重要部件之一，故障率较高，也是机组安全运行中的一个薄弱环节，其工作的可靠性一直是国内水电行业十分关注的问题。主轴密封能正常投入工作，机组带额定负荷时未见漏水发生。

参考文献：

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