碧口电站主密改造.doc

2009年电机工程学会年会
碧口水电站1号机主轴密封改造后
漏水情况分析及处理
车服璋，程有真
大唐碧口水力发电厂，甘肃省文县碧口镇 746412；

The Analysis and Treatment of Bikou Hydropower Plant Afer Modifing on The No.1 Hydraulic Generator `s main shaft seal about The Water Leakage Che-Fuzhang，Cheng- Youzhen
Datang Bikou hydropower plant，Wen county, Gansu Province，China 746412

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ABSTRACT: This paper introduces the serious phenomenon of water leakage on the Bikou Hydro power plant after modifing on the No.1 hydraulic generator `s main shaft seal during it’s preoperation trial run in 2009,Mainly analysis of the turbine main shaft seal leakage caused by a variety of reasons, and putting forward to deal with the corresponding program, to give a way to some colleagues and the methods of deal with similar structure in the main shaft seal leaks.
KEY WORDS: Bikou hydropower plant;main shaft seal;water leakage; protective shield; processing
摘要：本文介绍了碧口水电厂2009年1号机主轴密封改造后试运行期间的严重漏水现象，主要分析了引起水轮机主轴密封漏水的各种原因，并就各种原因提出相应的处理方案，希望在同行中能给类似结构的主轴密封漏水情况处理提供方法和参考。
关键词：碧口水电站；主轴密封；漏水；保护罩；处理
1.问题的提出
1.1概述
碧口水电站位于甘、川、陕三省交界的甘肃省文县碧口镇，是白龙江梯级开发中的第一座水电站，同时也是联结西南西北两大电网的枢纽，水库总容量5.2亿m3,容量3×10万千瓦，设计年发电量14.63亿KW·h，发电分别送往甘肃、陕西、四川。
电站始建于1969年，1976年3月26日首台机组投产发电，1977年三台机组全部投运,机组均系哈尔滨电机厂生产的混流式机组，机组型号为HL702-LJ-410，转轮直径4.1m，最大工作水头86m，最小水头56m，设计水头73m，额定流量160m3/s，额定转速150r/min。
1.2 主轴密封改造
主轴密封装置原始设计结构为液压端面尼龙密封，该主轴密封结构复杂，且在运行过程中逐渐暴露出密封效果差、使用寿命短、检修维护困难等一些列问题，因此在95年将其改造为液压端面橡胶密封，改造后初期水压稳定，运行可靠，基本达到运行稳定要求。但近年来上游水质不断恶化，造成主轴密封工况逐渐恶劣，经常出现大量漏水缺陷，给安全生产带来隐患，主要存在问题有：
空载运行时水压调整困难，密封装置大量漏水。
密封块磨损严重，2年左右检查端面密封块磨损量达30mm，维持运行两年后，转动抗磨环磨损量达7mm。
经常出现橡胶密封对口严重开裂及严重磨损，橡胶圈无法顶起等事故。
环形活塞易发卡、失效。
密封结构复杂，维护检修困难。
鉴于该主轴密封已不能满足机组运行安全需要，经调研选型，于2009年2月1号机组大修时将其更换，在大修结束后第一次开机空转试验中，主轴密封出现大量漏水现象，经技术人员共同探讨研究，采取一系列解决措施，处理了这一重大缺陷，目前主轴密封漏水
在范围之内，运行稳定。
2.端面水压式密封结构
2.1密封结构原理

B

A

1-密封座 5-压盖 6-密封挡环 7-固定密封圈 8-转动抗磨环
图1 端面水压式密封结构

图1为改造后的端面水压式密封结构。主要由检修密封座1、密封压盖5、密封挡环6、固定密封圈7和转动抗磨环8组成。其工作原理是转动抗磨环8直接加工在联轴螺栓保护罩上，固定密封圈7位于由密封压盖5和密封挡环6形成的槽内。密封圈7在来自外界压力水和自身重量的作用下，紧贴在转动环1上，使水轮机与顶盖上迷处漏水受到阻碍，不能直接流向顶盖，从而达到封水效果。
2.2该密封结构设计特点
①密封圈7具有自补偿作用。
②密封圈7为高分子聚合物，当机组转动后在离心力的作用下，会在密封圈7与转动环8之间形成一层水膜，利用水分子的张力封水，还可起到润滑和冷却的效果。
③转动抗磨环8与密封圈7配合使用一定时间后，会磨起两道沟槽，使密封效果更好。
④充分利用螺栓保护罩，设计结构紧凑，空间占用少。
3.漏水情况及原因分析
在1号机组大修结束后进行充水试验中，充水后发现尾水管和钢管主轴密封有少许漏水，开机空转后检查发现主轴密封大量漏水，且呈喷涌状，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，随即停机，由于试验需要，在顶盖内加装潜水泵后再次开机，此时在顶盖排水泵、顶盖射流泵、潜水泵共同作用下方勉强控制住水位上升。经分析探讨，初步分析漏水可能与以下原因有关：
3.1保护罩设计缺陷
图1 中A面为保护罩止口和水轮机主轴法兰配合处，保护罩止口设计加Φ4mm密封条后与主轴法兰面外缘配合以防止保护罩进水。但经多年运行，主轴法兰面已凹凸不平，长期空蚀加之水的冲刷造成外缘处麻坑较多，且多处有微小掉块，而保护罩设计时是按理想工作面配合考虑的，致使配合不良，密封失效。
3.2密封环卡阻
因漏水严重，考虑固定密封环可能发生卡阻。在安装中虽已保证密封环和转动抗磨环接触，但由于密封环发卡，且阻力大于密封环自重和外界水压力，致使密封接触面间不能形成水膜，导致密封失效。
4.处理措施及方案
4.1主轴密封分解检查
机组各项试验全部完成后，停机对主轴密封进行了分解检查：
4.1.1保护罩检查
分解保护罩进行检查时发现保护罩部分固定螺栓松动，检查下止口处Φ4mm密封条完好，恢复后从保护罩与大轴间隙处注水，观察漏水情况，28分钟后检查保护罩内灌满的试验水全部漏完。从检查结果进一步综合分析，由于主轴法兰面气蚀，与保护罩下止口配合不严密，导致保护罩进水，保护罩进水至内部水压与外部水压平压一致后，约0.7MP左右，水压力使保护罩抬起，使得保护罩固定螺栓松动，保护罩的抬起又进一步加大下止口处的进水量，从而形成恶性循环。
4.1.2密封环检查
检查密封环和转动环中发现有滑痕，说明两配合面是接触的，检查外侧磨损相对较多，分析结论是保护罩进水后，在水压力下抬起，使转动环外侧高于内侧，引起偏磨。用力推拉密封环，发现已不能在槽中自由滑动，用铜棒对称敲击，仍然不能移动。分解密封档环后，发现密封环紧紧粘压封档环上的密封条上，在撬棍作用下，方才取下，证明密封环已完全卡死在槽内，实测密封槽深度为4.1mm，通过计算橡皮条压紧量为1.4mm（正常应为1.0mm），大于设计要求，导致密封环发卡，发卡的密封环在抬起的保护罩不断冲击下，逐渐偏离转动抗磨环，由于橡皮条的作用不能复位，导致漏水量逐渐加大。
4.2处理方案
通过主轴密封的分解检查，进一步说明主轴密封主要漏水的原因为保护罩设计缺陷和橡皮条密封槽加工缺陷，经技术人员共同讨论，并征得哈尔滨电机厂主轴密封设计方同意，针对上述缺陷进行以下处理：
4.2.1保护罩漏水处理
水由此流出
B
保护罩下止口如图2所示，A处进水处属设计原因，处理困难，考虑从漏水出口即B处进行封堵。
A 水由此流入
Φ4mm橡皮条

图2 保护罩漏水处理示意图
具体处理方案为：
在保护罩和主轴间隙处先缠绕一圈脱蜡后的自制涤玻绳盘根，涤玻绳需事先编织成麻花状，且浸过甲泵和环氧化合物，这样处理可使缠绕于轴上的涤玻绳干燥后更加结实耐用，且有一定的预紧量。
待轴上涤玻绳干燥后，在上面均匀浸入配好的环氧树脂。
待环氧树脂完全凝固后，在上面点焊一圈钢筋压条。
检查保护罩所有固定螺栓都打紧后，全
部点焊。
4.2.2密封圈漏水处理：
密封圈两侧橡胶密封条设计要求为Φ6mm，设计压紧量为1mm左右，密封圈与槽配合设计间隙为0.5mm，现场实测橡皮条密封槽深度为4.1mm，按设计要求加装Φ6mm橡皮条时，计算压紧量为：6-4.1-0.5=1.4（mm），明显大于设计要求1mm，说明密封槽深度没有加工到设计要求，造成密封条压紧量过大，致使密封圈卡死。经与现场主轴密封设计人员商讨后，将密封条改为Φ5.6mm，如图3所示。
Φ5.6mm橡皮条

图3 密封圈卡死处理示意
5.结语
主轴密封处理后再次进行开机试验，发现漏水明显减少，且在允许范围之内，说明处理措施是有效的。本次主轴密封改造由于未对加工尺寸进行核对，造成按设计安装密封条实际偏大，压紧量超出设计要求，望同行技术人员引鉴。其中保护罩进水处理无经验可循，采用
的方法为技术人员自行探索实践的，简单、实
用的处理措施，不对主体结构进行改变的情况
下具有一定通用性，及具有一定的借鉴和推广价值。
参 考 文 献
[1]机械加工工艺手册（第二版）第1卷工艺基础卷,,， 机械工业
[2]机械加工常见异常现象分析及解决方法， 机械工业
[3]机械设计制造及其自动化，哈尔滨工业大学出版社
[4]机械设计辅助教材(第三版)，于惠力，大连出版社