陳泓宇，何少潤(rùn)，季懷杰（.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)抽水蓄能建設(shè)管理局，廣東清遠(yuǎn)5853；.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州50630）

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清蓄電站徑向式主軸密封分析

陳泓宇1，何少潤(rùn)2，季懷杰1
（1.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)抽水蓄能建設(shè)管理局，廣東清遠(yuǎn)511853；2.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東廣州510630）

摘要：雙向旋轉(zhuǎn)的水泵水輪機(jī)一般具有安裝高程低、主軸密封壓力高的特點(diǎn),目前多采用機(jī)械型平衡式軸向平面密封。由于設(shè)計(jì)、制造、材質(zhì)選用及安裝精度等方面原因，主軸密封燒損和故障困擾著諸多抽水蓄能電站的運(yùn)行人員，盡管采取了多種相對(duì)應(yīng)的積極措施，但面對(duì)機(jī)組復(fù)雜多變的運(yùn)行工況，密封件的自動(dòng)調(diào)整能力還存在一定的局限性，密封件的強(qiáng)度、耐磨蝕能力及密封性能均難以達(dá)到至少運(yùn)行18 000耀20 000 h密封件無(wú)需更換的合同要求。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站采用"東芝水電"設(shè)計(jì)的多層扇形塊式自補(bǔ)償徑向接觸型機(jī)械密封，由于設(shè)計(jì)漏水量為180耀220 L/min，遠(yuǎn)大于機(jī)械型平衡式軸向平面密封的20 L/min而屢遭質(zhì)疑。筆者認(rèn)為，有必要對(duì)這種類型的主軸密封進(jìn)行深入分析和全面評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；水泵水輪機(jī)；主軸密封

中圖分類號(hào)：TK730.3+25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）03-0003-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.002

1主軸密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主軸密封的密封塊布置為軸向3層（上層/中層為碳精密封，下層為樹脂密封），每層周向由12塊高分子材料扇形塊組成封閉圓環(huán)（搭接方式參見(jiàn)圖1），環(huán)抱襯套1 050 mm不銹鋼（1Cr13）的旋轉(zhuǎn)軸頸。密封塊外徑設(shè)計(jì)為斜面結(jié)構(gòu)（上層和中層密封斜面向上，下層密封斜面向下），上密封環(huán)為抗大氣密封，下密封環(huán)為抗水壓力密封，大氣壓力、水壓力與密封塊外周向拉伸彈簧的機(jī)械壓力共同維持對(duì)密封件合適的徑向力和軸向力。

主軸密封冷卻水分兩路通入3層密封環(huán)所形成的空腔，一路通過(guò)下環(huán)通孔注入起到潤(rùn)滑、冷卻的效果，完成循環(huán)后的冷卻水經(jīng)過(guò)密封腔后從上環(huán)通孔流出；另一路注入頂環(huán)下部通孔，保持頂環(huán)內(nèi)壓力，有效的阻止了空氣進(jìn)入密封腔內(nèi)，同時(shí)冷卻水進(jìn)入上密封塊循環(huán)潤(rùn)滑、冷卻，經(jīng)頂環(huán)上部通孔流出和頂環(huán)蓋溢出。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，主軸密封端面將形成一層30～40μm的穩(wěn)定的水膜，當(dāng)密封間有滲漏時(shí)，由于密封環(huán)內(nèi)外徑的壓差促使水流流動(dòng)，而流體通過(guò)縫隙受到密封面水膜的粘性力作用，產(chǎn)生節(jié)流效果，壓力逐步降低而達(dá)到密封的效果。當(dāng)工作密封塊磨損后，通過(guò)彈簧的彈力使工作密封塊沿著固定環(huán)徑向移動(dòng)，起到密封自補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

圖1　主軸密封結(jié)構(gòu)示意圖

2密封壓力平衡剖析

徑向主軸密封承受的密封壓力是指扇形密封塊應(yīng)獲得的用于克服其與軸頸間的漏水壓力而實(shí)現(xiàn)密封作用的徑向力，由冷卻水壓力和彈簧力組成。引至扇形塊背側(cè)清潔壓力水的壓力是起主導(dǎo)作用的，彈簧力只占密封壓力的很小比例。

（1）密封水分為主輔2路，如下頁(yè)圖2所示。其中：

式中：P1—引入密封裝置的冷卻水壓力，MPa；

P2—密封裝置前被密封的水壓力，MPa；

（2）設(shè)置彈簧的目的主要用于提供安裝、停機(jī)時(shí)徑向抱緊軸頸的初始“抱緊力”，使密封塊能夠正確就位，并克服機(jī)組運(yùn)行中的主軸振動(dòng)，從而保證冷卻水能夠始終建立起穩(wěn)定的密封壓力。

扇形密封塊達(dá)到最大補(bǔ)償量時(shí)作用于單塊扇形塊上的彈簧徑向力T：

式中：θ—彈簧力與主軸軸線間的銳角角度值，（°）；

K—系數(shù)，推薦K取1.2～1.5；

Ms—單塊扇形塊質(zhì)量，kg；

G—重力加速度，m/s2。

亦即，當(dāng)扇形密封塊達(dá)到最大補(bǔ)償量時(shí)，彈簧徑向力的最小值對(duì)扇形塊形成的軸向分力能夠克服扇形塊重力（忽略浮力作用）并略有裕量。

3密封內(nèi)流向及流量分析

（1）如圖2所示，供水量Q=排水量Q1+排水量Q5，其中：Q1—頂蓋排水量；

Q2—上部密封之間間隙處漏水量；

Q3—上部密封滑動(dòng)面處漏水量；

Q4—上部密封背面漏水量；

Q5—向密封下方的排出水量；

Q6—下部密封之間間隙處漏水量；

Q7—下部密封滑動(dòng)面處漏水量；

Q8—下部密封背面漏水量。

且：

圖2　冷卻水的流向和壓力

（2）通過(guò)主軸密封裝置模型試驗(yàn)進(jìn)行換算，并考慮模型與真機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的差異，參考同類型主軸密封裝置的日本神流川電站的計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，“東芝水電”計(jì)算清蓄機(jī)組的供水量為362.0 L/min，頂蓋排水量為192.3L/min；經(jīng)估算余量后主軸密封供水量暫定為400 L/min，則其時(shí)頂蓋排水量約為210～220 L/min；而當(dāng)機(jī)組停機(jī)主輔供水均停止時(shí)，主軸密封漏水量約為180 L/min。這就意味著，即便主軸密封冷卻水中斷，也不致出現(xiàn)即斷即燒損密封塊的現(xiàn)象（“東芝水電”的保證值是：正常工況可安全運(yùn)行15 min，壓水工況時(shí)為3 min）。

（3）排到頂蓋的漏水依次經(jīng)過(guò)中層密封和上層密封，分2個(gè)階段減壓，理想的狀態(tài)是：

P4／P3=0.5

式中：P4—上層密封背壓；

P3—中層密封背壓。一般，由于密封效果的不同會(huì)產(chǎn)生不平衡，其范圍是P4／P3=0.1～0.9。清蓄電站為了保持并調(diào)整該范圍，采用了可以向上層密封箱輔助供水并排水的設(shè)計(jì)。當(dāng)上層、中層的密封背壓范圍超差（這種情況較多），即P4／P3＞0.9時(shí)可以采取打開(kāi)上層排水閥或關(guān)閉上層供水閥的方式排出上層密封的壓力進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，如若出現(xiàn)P4／P3＜0.1的情況（一般不會(huì)發(fā)生），則可以通過(guò)打開(kāi)上層供水閥門或關(guān)閉上層排水閥門的方式進(jìn)行調(diào)整?？傊诿芊獗硥撼顣r(shí)會(huì)產(chǎn)生供水量偏少或是漏水偏少的情況，而應(yīng)調(diào)整背壓而不是提高供水量。

在實(shí)施壓力調(diào)整之后到壓力逐漸穩(wěn)定約需1～2周的監(jiān)控、調(diào)整，達(dá)到扇形密封塊與軸頸摩擦副總漏水量大于摩擦副冷卻所需過(guò)水流量，這樣就能帶走摩擦損耗產(chǎn)生的熱量，保持運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

4密封塊補(bǔ)償量及實(shí)際磨損量監(jiān)測(cè)的完善

為保證扇形塊磨損后的自動(dòng)補(bǔ)償，扇形塊之間的搭接需留有允許其徑向補(bǔ)償?shù)摹把a(bǔ)償間隙B”：

式中：a—單邊徑向補(bǔ)償量，m；

Z—扇形塊數(shù)量。

“東芝水電”設(shè)計(jì)各密封塊間有6.0mm（參見(jiàn)圖2）的相等間距以確保密封塊均勻的直徑磨損，并形成清潔壓力水的適當(dāng)泄漏，以提高潤(rùn)滑和冷卻效果。

由于清蓄設(shè)備合同僅提出設(shè)置密封塊磨損量測(cè)量裝置的要求，“東芝水電”的設(shè)計(jì)如圖3所示，即：在密封塊背面以螺紋連接的形式安裝一根檢測(cè)棒伸出到密封箱外部，通過(guò)測(cè)量檢測(cè)棒的位移量來(lái)實(shí)現(xiàn)密封磨損量的監(jiān)測(cè)，其測(cè)量值和初次測(cè)量值的差值即為磨損量（密封塊的最大磨損量為10 mm）。必須注意的是，測(cè)量后應(yīng)將磨損檢測(cè)棒的螺桿外部長(zhǎng)度L拉到80 mm以上的位置用螺母固定，以免加速碳精密封的磨損速度或是引起破損。

圖3　密封塊磨損量監(jiān)測(cè)

這就意味著，該徑向主軸密封未設(shè)置和密封扇形環(huán)一起徑向移動(dòng)的磨損量檢測(cè)器，密封磨損量的測(cè)量須在機(jī)組停機(jī)或檢修時(shí)進(jìn)行，而在運(yùn)行中缺乏密封塊實(shí)際磨損量的監(jiān)測(cè)。顯然，這對(duì)無(wú)人值班、少人值守的機(jī)組而言是很不協(xié)調(diào)的。

在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)階段，清蓄電站曾多次要求“東芝水電”采取相應(yīng)措施使之具備能夠自動(dòng)報(bào)警的功能，但都由于東芝方面以已滿足合同條款要求和缺乏自動(dòng)監(jiān)測(cè)業(yè)績(jī)?yōu)橛啥垂?/p>

據(jù)悉，諸如瀑布溝水電站（GE公司設(shè)計(jì)）等工程項(xiàng)目的徑向式密封所采用的磨損量指示器裝置，就是可在機(jī)組運(yùn)行中進(jìn)行機(jī)械、電氣雙項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)的成功方式（如圖4所示）。

圖4　瀑布溝電站主軸密封檢測(cè)磨損裝置

5結(jié)語(yǔ)

徑向式主軸密封結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、布置緊湊、便于運(yùn)行維護(hù)及更換密封件，具有軸向自由度大、徑向補(bǔ)償量大及對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)、偏擺以及水輪機(jī)軸對(duì)密封腔的偏斜敏感度不高的特點(diǎn)。目前該密封形式已應(yīng)用于加拿大GE公司設(shè)計(jì)的清江隔河巖電站、哈電設(shè)計(jì)的回龍抽水蓄能電站，效果較好。日本東芝公司設(shè)計(jì)制造的日本神流川、奧清津水電站等機(jī)組也采用了該密封形式，其中神流川電站為抽水蓄能水電站，水頭為675 m，揚(yáng)程為728 m，其主軸密封性能、運(yùn)行情況均良好。徑向式主軸密封不失為一種在可逆式機(jī)組中使用壽命長(zhǎng)、應(yīng)用前景可瞻的主軸密封結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然該主軸密封形式也存在不足之處：

1）增設(shè)了主軸抗磨不銹鋼襯套（表面硬度260～300 HB），在其發(fā)生較大磨損時(shí)不易修復(fù)或更換。

2）扇形密封塊的材料對(duì)耐磨性、硬度及剛度、摩擦系數(shù)、加工性能及水中尺寸穩(wěn)定性等要求較高，制造成本也較高。

因此，主軸密封結(jié)構(gòu)形式的選擇需要綜合考慮，依據(jù)各個(gè)電站的實(shí)際情況選用適合于本電站的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到電站的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介：陳泓宇（1975-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行檢修和基建工作。

收稿日期：2015-08-28