水轮机主轴密封冒烟原因分析及对策.doc

水轮机主轴密封冒烟原因分析及对策

1 基本情况
　青溪水电厂是低水头径流式水电厂，装机容量4×36 MW。最大工作水头25 m，最小工作水头10 m，设计水头20.5 m。水轮机型号为ZZ500-LH-500，额定流量209.1 m3/s，额定转速125 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。其结构如图1所示。
图1 水轮机主轴密封结构
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，工作密封活塞下腔是无压的，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0.6～0.7 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0.059 MPa压力的清洁水通入密封活塞下腔，使密封活塞克服重力上升到顶端，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，并关闭密封活塞下腔的压力水，密封活塞自由落下。
3 故障现象
　　青溪水电厂3号机组自投产以来，已累计运行了28 000多小时。但在2000年9月下旬以来，曾多次出现下述情况：机组开机时，水轮机在开始运转的几分钟内，水车室内浓烟滚滚，且橡胶焦臭味非常浓烈，待机组运转一段时间后，浓烟才被机组旋转的气流渐渐吹散，一切又都恢复正常。
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。
　　就青溪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。
图2 密封活塞及其装配图
　　密封活塞安装在活塞座里，如图2所示。活塞座中均布4根*12 mm的定位销(A3)，限制活塞只能作上下运动(活塞行程为5 mm)，不能作环向运动和径向运动。
　　在活塞上下端面之间有8个均布的*4 mm通流孔。当活塞下腔无压时，活塞能靠自重落到底部。当活塞下腔通入压力水后，活塞在水压作用下上升到顶端。在顶起活塞的同时，水流经通流孔流到活塞上端。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) 开机时，由于其它方面的原因使压力水不能通入活塞下腔，活塞不能顶起，但这时其上端面与转动环之间保持着5 mm的间隙，因此不可能发生运动磨擦。
(2) 开机时活塞顶起后，如果压力水突然中断，活塞失压后将落下，这样也不存在运动磨擦。
(3) 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。
　　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。　
　　如图3所示，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。
图3 密封活塞受力分析
　　经以上分析，可以认为，青溪水电厂3号机组在停机后，由于工作密封活塞没有复位，使得活塞磨擦面在下次开机的初始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，并散发出浓烈的橡胶焦臭味。机组启动后，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。因此当机组运转一段时间后，磨擦面间的水膜才恢复正常。
5 防止对策
(1) 将定位销由*12 mm增大到*16 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。
(2) 在密封活塞的定位孔中增加不锈钢套管，避免销孔受力变形，减小活塞失压后下滑的磨擦力。套管示意图如图4。安装时从活塞下腔往上套入，　其4个锐翼嵌入橡胶内，使套管不致脱落。套管安装后，其顶端低于活塞磨擦面5～10 mm。
图4 套管结构示意图
(3) 将密封活塞上端面的外侧磨成楔成坡口，使活塞与转动环的磨擦面间形成楔形间隙。这样即使活塞失压后没有落下，只要顶盖有一定的清洁水，当机组转动后，转动环就能将水带进磨擦面，并在磨擦面间形成楔形的流动水膜。
(4) 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。