水轮机主轴密封技术改造.doc

水轮机主轴密封结构的优化改造
1 基本情况
清江大龙潭电厂装机容量3×12 MW。最大工作水头36 m，最小工作水头16 m，设计水头24 m。水轮机型号为ZZA834-LJ-280，额定流量66.9 m3/s，额定转速250 r/min。水轮机安装高程45.00 m，下游最低发电水位48.51 m。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，工作密封为橡胶活塞式结构。工作密封面高程46.867 m。
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，工作密封活塞上腔是无压的，活塞在活塞座内靠自重沿定位销自由下落到底部。而围带此时已接通0.7～0.8 MPa的压缩空气，其非约束部分受压鼓起，与密封环紧密接触，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，开机继电器就使围带排气卸压。同时，为防止围带卸压后尾水大量窜入顶盖，开机继电器还使0.3 MPa压力的清洁水通入密封活塞上腔，使密封活塞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，停机继电器使围带通入压缩空气，并关闭密封活塞上腔的压力水。
3 故障现象
大龙潭水电厂2号机组自投产以来，曾多次出现下述情况：投运初期，机组开机时，水轮机在开始运转的几分钟内橡胶焦臭味非常浓烈，待机组运转一段时间后，橡胶焦臭味才被机组旋转的气流渐渐吹散，同时会有一些橡胶颗粒被冲进顶盖。经常堵塞和卡住底阀，使排水泵失效。运行一个月后，工作密封装置即出现大量漏水，两台顶盖排水泵难以排除漏水。后又增加两台临时排水泵，暂时能维持运行，但密封漏水量大，顶盖泵启动频繁。几乎60秒启动一次。顶盖里经常冲出一些工作密封被磨损的橡胶皮，封装置投运的一年多时间内，发生过多次因密封失效严重漏水，被迫停机抢修，且发生3次水淹水导事故。由于该密封结构复杂，维护检修极为困难。且相继投产的3号机和1号机也出现同样的问题。于是，公司决定于2006年10月将3台水轮机的主轴密封进行改造。
4 原因分析
水车室内除电气设备、元件外，其余都是机械构件以及为数极少的橡胶密封材料(如盘根、围带和密封活塞)。在排除电气设备、元件故障的可能后，能在发热后冒烟并散发橡胶焦臭味的就只能是这些橡胶制品。
然而，这些作为水轮机密封用的橡胶密封制品全都安装在水下。就连工作密封活塞，也长期浸泡在水轮机顶盖的积水中。可想而知，这些浸泡在水中的橡胶密封即使与金属物体发生运动磨擦，也不可能发热冒烟。换句话说，这些橡胶密封如果发热冒烟，一定存在干性或临界干性的运动磨擦。
就大龙潭水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，却不可能因此产生浓烟。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，密封活塞存在运动磨擦。但密封活塞是靠清洁水流作为其磨擦面的润滑介质的，因此必须对密封活塞的工况作进一步剖析。
　密封橡皮活塞安装在密封活塞座里，活塞座中均布2根*8 mm的定位销(A3)，限制橡皮活塞只能作上下运动，不能作环向运动和径向运动。。
　在橡皮活塞上下端面之间有8个均布的*4 mm通流孔。发开机令后，密封活塞上腔接通0.3 MPa 的清洁水流，使密封活塞与转动环密封面紧密接触，当活塞与转动环接触后，接触面之间就产生了流动的水膜。这时如果机组开始运转，转动环与活塞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活塞，还将磨擦引起的热量带走。
　但在密封活塞的工作过程中，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，如果压力水开启后活塞首先被水压顶紧，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。顶盖中就会出现橡胶皮。
（3）在运行过程中，漏水量很大，是否与密封活塞有关，如果密封橡皮太硬，压力水不足以使密封橡皮的喇叭口撑开，这样活塞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，如果压力水关闭后活塞没有复位，卡在顶起位置，那么在下次开机时，活塞没被压力水压紧，这样就在密封活塞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是否会因排水泵底阀卡堵后引水漏走后水泵抽不出顶盖积水。
那么，密封活塞有没有可能卡在顶端呢？为此对密封活塞的受力情况进行分析，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，密封活塞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，密封活塞有随转动环转动的趋势，但受到定位销的约束，于是出现密封活塞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、或活塞定位销孔变形等不利情况，则密封活塞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皮后，清楚地看到定位销向机组转动方向弯曲，密封活塞橡皮严重磨损，转动环上的不锈钢密封面接口因脱焊向上翘起。可以认为，大龙潭水电厂2号机组在开机时，由于压力水开启后活塞首.先被水压顶紧，通流孔被转动环封堵，使得活塞磨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，造成活塞严重发热冒烟，并散发出橡胶焦臭味研磨出橡胶颗粒。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密封活塞发卡和排水泵底阀被卡堵，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*8 mm增大到*14 mm，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皮发卡。
(3)封堵密封活塞定位销孔端口，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密封活塞。
(4)将密封活塞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。使活塞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活塞首先被水压顶紧，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)调整顶盖排水泵的停泵水位，使顶盖水位即使在最低情况下仍能淹没工作密封装置。
（6）换新的密封活塞橡皮时，选用相对松软的密封橡皮。
（7）工作密封压力水管上装平压阀，能根据各台机组运行的状况进行相应调整。
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。增加的两台临时泵已拆除，在满负荷运行时，顶盖排水泵平均12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。投运二年来，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。

湖北恩施清江大龙潭水力发电厂
二OO九年八月十四日