水轮机主轴密封结构的优化改造

【摘 要】水轮机是一种广泛应用于水利工程中的设施，由于某种原因其密封结构在使用过程中经常出现故障。因此，笔者在本文中主要就其工作原理以及故障原因做一分析，以便为这类设施更好地服务于水利业提供可靠的建议。

【关键词】水轮机；主轴；密封结构；改造

1 基本情况

四川江口电厂装机容量3×17MW。最大工作水头32.5 m，最小工作水头16 m，设计水头26m。水轮机型号为ZZ480-LJ-330，额定流量74.5 m3/s，额定转速214.3r/min。水轮机主轴密封分为停机状态密封（俗称检修密封）和运行状态密封（俗称工作密封）两种。其中检修密封为橡胶围带式结构，工作密封为橡胶轴向平面密封。

2 水轮机主轴密封的作用及工作过程

当机组处于静止状态时，工作密封空腔内是无压的，橡胶密封块在座内靠自重沿定位销自由下落到底部。而围带此时已接通0.7～0.8MPa的压缩空气，其非约束部分受压鼓起，与水轮机轴紧密接触，从而阻断尾水窜入水轮机顶盖的通道，起到密封作用。

开机时，为避免围带与主轴的磨擦，在机组启动前，运行人员就使围带排气卸压。同时，为防止围带卸压后尾水大量窜入顶盖，运行人员开启0.25 MPa压力的清洁水通入工作密封座上腔，使密封橡胶与转动环密封面紧密接触，阻断窜水通道，起到密封作用。

停机时，当主轴完全静止后，运行人员使围带通入压缩空气，并关闭密封座上腔的压力水。

3 故障现象

江口电厂三台机组自投产以来，曾多次出现下述情况：运行人员误操作使检修密封磨破，起不到密封作用，后来很长一段时间检修密封停用，留下事故隐患。运行一段时间后，工作密封装置即出现大量漏水，橡胶密封块在座内动作不灵活，两台顶盖排水泵难以排除漏水。后又增加1台临时排水泵，暂时能维持运行，但密封漏水量大，顶盖泵启动频繁。几乎每3分钟启动一次。密封装置投运的十多年时间内 ，发生过多次因密封失效严重漏水，被迫停机抢修，且发生13次水淹水导事故。由于该密封结构复杂，维护检修极为困难。于是，电厂决定于2012年至2013年将3台水轮机的主轴密封进行改造。

4 原因分析

从四川江口电厂机组的情况来说，在水轮机各种密封装置中，存在磨擦运动可能的只有检修密封和工作密封两种。 前者有3种情况可能发生运动磨擦： a 开机时围带尚未排气卸压，机组就运转起来；b 停机时机组尚未静止，围带就被充入压缩空气；c 机组停机期间，由于导水叶漏水过大，机组自转。对于检修密封来说，无论发生哪一种运动磨擦，其磨擦面始终浸泡在水中，其结果虽然会损坏围带。对于后者，它虽然被固定在活塞座里，只能作上下运动，不能作圆周运动和径向运动，但是，转动环却是随主轴一起转动的。显然，橡胶密封块存在运动磨擦。但密封活塞是靠清洁水流作为其磨擦面的介质的，因此必须对橡胶密封块的工况作进一步剖析。

密封橡胶块安装在密封座里，密封座中均布2根*8 mm的定位销，限制橡胶块只能作上下运动，不能作环向运动和径向运动。。

在橡胶块上下端面之间有4个均布的*4 mm通流孔。发开机令后，密封座上腔接通0.25 MPa 的清洁水流，使密封橡胶块与转动环密封面紧密接触，当橡胶块与转动环接触后，接触面之间就产生了流动的水膜。这时如果机组开始运转，转动环与橡胶块的磨擦实质上就是与流动水膜的磨擦。 流动水膜不仅保护了密封橡胶块，还将磨擦引起的热量带走。

但在密封橡胶块的工作过程中，也可能出现下面几种情况：

（1）由于我厂机组在空载以下运行时顶盖排水压力为负，即顶盖水是向下吸，如果压力水开启后橡胶块首先被水压顶紧，通流孔被转动环封堵，在磨擦面间就不能产生流动水膜。此时如果机组转动，那么在启动初期将出现短时的干性磨擦或临界干性磨擦的情况。机组就会出现焦臭味甚至研磨成橡胶颗粒。

（2）转动环上的不锈抗磨板脱焊开裂上翘，机组在转动时，锋利的板面接口就会削割密封橡皮。

（3）在运行过程中，漏水量的大小与橡胶密封块有关，如果密封橡胶太硬，压力水不足以使密封橡胶块的喇叭口撑开，这样橡胶块与转动环密封面就不能紧密接触，使清洁水和尾水大量进入顶盖导致机组漏水量增大。

（4）停机时，如果压力水关闭后没橡胶块有复位，卡在顶起位置，那么在下次开机时，橡胶块被压力水压紧，这样就在橡胶块与转动环密封面之间形成一定的空间间隙。此时如果机组转动，大量的尾水和清洁水就会涌入顶盖，造成漏水量增大，以至水导被淹。

（5）工作密封座腔锈蚀，橡胶密封块在腔内摩擦增大，动作不灵活。

那么，有橡胶块没有可能卡在顶端呢？为此对的橡胶块受力情况进行分析，转动环在某点的速度方向V是其作圆周运动的切线方向，其磨擦力f的方面与V相反。由力学性质可知，密封橡胶块工作中所受的力除重力mg、水压力P（且P>mg）外，还有由磨擦力产生的力F’，且F’=f。在F’的作用下，橡胶密封块有随转动环转动的趋势，但受到定位销的约束，于是出现橡胶密封块与定位销紧紧贴合的结果。

由此可见，如果存在定位销倾斜、生锈、或橡胶密封块定位销孔变形，工作密封座腔内锈蚀等不利情况，则橡胶密封块在机组静止后就有可能卡在顶端。

拆下主轴密封座和密封橡胶块后，清楚地看到定位销向机组转动方向弯曲，橡胶密封块严重磨损，转动环上的不锈钢密封面接口因脱焊向上翘起，工作密封座内腔锈蚀，可以认为，四川江口水力发电厂三台机组在开机时，由于压力水开启后橡胶密封块先被水压顶紧，通流孔被转动环封堵，使得磨橡胶密封块擦面在开机的空载阶段不能产生流动水膜， 开机时转动环与活塞之间出现干磨擦或临界干磨擦，造成橡胶密封块严重磨损，机组并网后，随着顶盖水位的上涨和在机组振动和转轮室水力脉动的交替作用下，水流才逐渐进入磨擦面，磨擦面间的水膜才恢复正常。此时随着负载的增加，漏水量也慢慢的变大。运行中，如果因其它原因导致橡胶密封块发卡和排水泵进水管口被堵，那么，水导也就会被淹。

5 技改措施

（1）重新焊接转动环上的不锈钢密封面并加固，接口处理平整光滑。

（2）定位销由*8mm增大到*14mm，且改用不锈钢制作，这样做既增加销钉强度，又避免销钉生锈长垢。不会在运行中由于销钉发生弯曲和生锈引起密封橡胶块发卡。

（3）封堵橡胶密封块定位销孔端口，减少清洁压力水从定位销孔间流失，保证清洁水压力从而压紧橡胶密封块。

（4）将橡胶密封块下端面的通流孔沿转动方向磨成楔槽，通流孔上端的孔径不变。使橡胶密封块与转动环的磨擦面间形成楔形间隙。这样即使压力水开启后橡胶密封块首先被水压顶紧，通流孔被转动环封堵，但在楔形间隙间会充满清洁水，当机组转动后，转动环就能将水带进磨擦面，并在磨擦面间形成流动水膜。不会再出现干摩擦。

（5）工作密封座内腔改为不锈钢材质，处理光滑平整，使橡胶密封动作灵活。

（6）换新的密封橡胶块，选用相对松软的密封橡胶。

（7）恢复检修密封，加强对运行人员培训，每月对检修密封进行核验。

经过以上的技术改造后，三台机组的运行效果得到明显的提升。在满负荷运行时，顶盖排水泵平均15分钟启动一次。空载时机组没有了橡胶焦臭味，而且可在空载时长时间运行。投运两年来，水压稳定，运行可靠，表明改造方案思路正确，措施有效，既解决了生产中的实际问题，又满足了安全生产的需要。

参考文献：

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[2]叶军，俞永文，翟晓勋.一种立式水轮机主轴支承和密封改进设计的研究与应用[J].中国农村水利水电，2009（08）

[3]周燕辉，颜旭华，康春兰. 一种高性能的水轮机密封方式____叶片密封[J].机床与液压，2010（18）.

作者简介：

罗晓宇（1968.10-），男、汉族、四川宣汉人、博士、高级人力资源管理师、高级政工师、工程师，研究方向：企业管理和水电站水轮发电机组。