混流式水轮机传统H型主轴密封结构改进_何兴民.pdf

27第 46 卷 第 02 期2023 年 02 月Vol.46No.02Feb.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation某水电厂为立式混流式机组，其水轮机包括引水部件、导水部件、工作部件以及泄水部件，其中导水部件由顶盖、底环以及导叶等组成，工作部件由转轮、主轴等组成，顶盖作为导水部件是静止的，主轴作为工作部件是旋转的，二者之间存在间隙，为了阻止水流从转轮处上溢淹没顶盖和水导轴承，设置了主轴密封装置。正常情况下，水流经过端面密封时，已经被阻挡了大部分，小部分水流经过摩擦面起到润滑的作用，然后被平板密封阻挡，最终溢出来的水会通过顶盖自流排水孔或顶盖排水泵排出，从而保证机组安全稳定运行。然而，在机组日常运行过程中可能因为水质变化、机组工况变化等原因造成密封件过度磨损，失去止水效果，导致顶盖和水导轴承被淹，因此主轴密封有待进一步改造。本文通过分析目前该水电厂主轴密封存在的问题及原因，寻找解决问题的方案，以达到加强主轴密封效果、保障机组安全稳定运行的目的。1 主轴工作密封结构及原理某水电厂主轴工作密封包括端面密封和平板密封，如图 1 所示，端面密封采用水压活塞式结构，主要由抗磨环、H 型密封、水封压盖及密封支座组成。抗磨环采用不锈钢材料，通过螺钉与主轴螺栓保护罩固定；H 型密封采用丁苯橡胶材料，通过导向杆与水封压盖连接；水封压盖固定在密封支座上，密封支座固定在顶盖上，二者的内外圆构成一个活塞腔可供 H 型密封上下移动。水封压盖含有注水孔，供水压力为 0.050.15 MPa，H 型密封在水压的作用下与抗磨环压紧，达到阻止转轮室水流通过的效果，因为抗磨环是转动的，接触面干磨会损坏 H 型密封，所以通过注水孔进入 H 型密封上腔的水经过 H 型密封供水孔进入 H 型密封下端面起润滑作用。图 1 主轴密封结构图端面密封不能完全阻止水流通过，还是会有大量的水流向顶盖，所以在 H 型主密封上方设置辅助平板密封，如图 1 所示，平板密封装置由丁苯橡胶密封、托板、调整垫、压环以及上环组成。平板密封的收稿日期：2022-10-13作者简介：何兴民（1976-），男，高级技师，从事水电厂机械设备维护工作。混流式水轮机传统 H 型主轴密封结构改进何兴民，彭赛文（五凌电力有限公司碗米坡水电厂，湖南 湘西 416500）摘 要：针对某水电厂水轮机主轴密封漏水量偏大的问题，结合主轴密封的构造以及工作原理，对漏水问题进行原因分析，并通过现场实际解体观察发现，造成漏水的主要原因包括元件磨损、失效和结构设计不合理等，为了解决这些缺陷，本文在不改变原有主轴密封的工作性质、原理的前提下提出了合理的改造方案，为该水电厂主轴密封漏水量偏大提供了解决办法。关键词：混流式机组；H 型密封；端面密封；平板密封；密封改造中图分类号：TK730.3文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）02-0027-04DOI：10.13599/ki.11-5130.2023.02.00728第 46 卷水 电 站 机 电 技 术主要功能是在安装于主轴上的上环与丁苯橡胶密封相互作用下，可以缓解漏水压力及漏水方位从主轴径向排出，确保水导轴承正常运行。托板对丁苯橡胶密封起到支撑作用，在停机状态下，丁苯橡胶密封与上环的设计间隙为 1 mm，为补偿安装误差在平板密封底部设置紫铜调整垫，通过不同厚度的紫铜垫调整丁苯橡胶密封与上环间隙至 1 mm 设计值，压环通过螺栓与水封压盖连接，其作用是将丁苯橡胶密封、调整垫、托板压紧防止漏水。H 型橡胶密封与抗磨环的压紧程度取决于技术供水压力和转轮室水流压力的差值，差值过大会使H 型橡胶密封与抗磨环贴合过于紧密，导致进入二者中的润滑水大量减少，出现干磨现象，差值过小会使 H 型橡胶密封与抗磨环产生间隙，导致漏水量增加。转轮室水压根据上游水位而变化，那么为了防止出现 H 型橡胶密封干磨和漏水量增加，要根据水位对技术供水的压力进行调整，保证二者压差在合适的范围内。H 型橡胶密封在上下移动过程中以及抗磨环的摩擦下成为了一种易磨损部件，特别是在机组工况以及水质发生变化的情况下，容易发生过度磨损或偏磨失去封水效果，此时必须对 H 型橡胶密封进行及时更换。该电厂主轴工作密封已投入使用超 10 年，期间曾数次更换 H 型橡胶密封，但与 H 型橡胶密封环配合的其他部件已经出现严重锈蚀、老化等现象，极大的增加了主轴密封的日常维护工作量、非计划停机时间，影响生产发电效益及机组的稳定运行。2 发现问题并分析原因2020 年 4 月，在进行现场安全巡查时，发现该电厂 1 号机主轴密封部位漏水量明显偏大，对比其他机组，1 号机顶盖内水位明显偏高。当时的处理办法是在 1 号机顶盖上增设临时排水泵，紧急备用，增强顶盖排水能力，后期利用机组检修机会对 1 号机主轴密封漏水偏大问题进行修复。观察发现，在汛期高水位机组满发运行时，1 号机主轴密封不能有效阻挡水流从主轴与顶盖之间间隙上溢，主轴密封部位漏水量将进一步增大，若漏水量超出顶盖排水泵与顶盖自流排水能力的总和，顶盖水位将不断雍高，致使水导轴承被淹或水淹水车室，造成机组非计划停运。为了确保机组安全稳定运行，减小检修维护的成本和难度，文中根据实际情况对主轴密封现有结构进行分析，发现存在以下几个问题。（1）水封压盖工作面锈蚀和磨损主轴密封布置于水导轴承下方的顶盖内部，安装位置空间狭小，为方便 H 型密封更换时拆装水封压盖，水封压盖采用质量较轻的ZL102铝合金铸造，虽然该材料铸造性能优良，但是力学性能较差。因为水电站生产用水取自自然河流，不可避免地包含泥沙等杂质，所以在这些杂质的长期侵蚀、磨损作用下，水封压盖外圆表面即工作面出现了严重的锈蚀、磨损现象，如图 2 所示。主轴密封设计阶段为了保证 H 型橡胶密封上下移动过程中不发生卡涩并且与水封压盖外圆能充分、有效接触发挥良好的密封作用，其外圆设计有较高的表面光洁度及圆度要求。现水封压盖工作面出现较为严重的锈蚀及磨损情况，表面粗糙度及圆度超出图纸设计要求，导致 H型密封的封水效果大大降低，发生局部严重偏磨现象，主轴密封漏水量大幅增加。图 2 磨损、锈蚀的水封压盖（2）水封压盖拆装困难水封压盖设计为两瓣结构，在不拆卸水导轴承的前提下无法由顶盖内部拆出，若出现水封压盖锈蚀、磨损严重而必须更换时只能临时停机并拆除水导轴承进行更换，这将影响正常的生产、发电工作，增加日常维护工作量。（3）水封压盖螺纹孔螺牙滑丝更换 H 型橡胶密封时需要拆装平板密封压环与铝合金水封压盖的连接螺栓，由于铝合金材料强度较低，多次拆装与其连接的螺栓导致螺纹孔出现严重的螺牙滑丝现象，螺牙滑丝后无法处理，影响平板密封压环与水封压盖的固定及压紧，并最终导致此处漏水量增加。（4）平板密封底部喷水平板密封底部为紫铜材料的调整垫和 Q235A29第 02 期何兴民，等：混流式水轮机传统 H 型主轴密封结构改进镀锌材料的托板，调整垫及托板都为金属材料且直径较大，二者通过直接压紧的方式连接很容易出现局部压紧不充分而出现漏水问题。并且起压紧作用的平板密封压环与水封压盖之间的连接螺孔分布圆直径为 1 410 mm，但是螺孔设计数量只有 12 个，螺栓数量设计偏少，也不利于平板密封的压紧，所以导致平板密封结合面间出现喷水现象。上述这些问题都将影响主轴密封的正常运行和密封作用，增加日常维护工作量，增加停机时间，影响发电效益，同时对机组的安全、稳定运行也有影响。为保证机组的安全稳定运行需要对主轴密封压盖及平板密封压环处进行结构优化改造。3 改进方案根据主轴工作密封现结构存在的问题，对其进行以下几个方面的改进。（1）重造水封压盖因为顶盖内部空间狭小，为了方便对水封压盖进行安装、拆卸，不宜采用重量大的材料，所以仍然使用 ZL102 铝合金材料浇铸，在水封压盖与平板密封压环固定螺栓孔处嵌入不锈钢座，并在不锈钢座处加工 M20 螺纹孔，如图 3 所示。水封压盖由原来的两瓣改为四瓣结构，如图 4 所示，四瓣水封压盖安装时由顶盖筋板之间通道搬至主轴密封安装处，并在顶盖内进行组装。经复核顶盖径向筋板之间通道空间尺寸可以满足 1/4 水封压盖通过要求。图 3 优化后的水封压盖结构示意图 1图 4 优化后的水封压盖结构示意图 2（2）改造平板密封压环原平板密封压环设计厚度为 15 mm，材料为Q235A 碳钢，与水封压盖的连接螺栓数量及规格为12-M20。为提高平板密封压环的强度及与水封压盖连接的有效性，将平板密封压环的厚度增加至18 mm，与水封压盖的连接螺孔数量增加至 20 个。（3）优化平板密封连接方式将平板密封压环与水封压盖处的连接方式进行优化处理，如图 5 所示，在水封压盖上平面增加 O型密封槽并安装 O 型橡胶密封条，安装时在平板密封压环分瓣面之间，托板、调整垫结合面之间涂乐泰密封胶增加辅助防漏水作用。图 5 优化后的平板密封压环4 改进后预期效果采用 ZL102 铝合金制作的新水封压盖轻便好用，工作面的表面光洁度及圆度满足设计要求，水封压盖与 H 型密封的配合将更加紧密，密封效果大大提升。改为四瓣结构，当水封压盖因过度磨损和锈蚀而必须更换时，可以在不拆解水导轴承的情况下对其进行更换，极大地缩减了检修维护的时间成本。水封压盖 20-M20 螺孔处为不锈钢材料，即使多次拆装此处螺栓也不会产生螺纹滑丝现象，方便设备维护，减少因此处螺纹滑丝产生的停机处理时间，同时也加强了此处螺栓的连接强度，提高了平板密封的可靠性。平板密封压环连接螺栓的数量增加至 20个，显著提升了平板密封压环对调整垫和托板的压紧效果，增加的 O 型密封结构又进一步防止喷水现象出现，平板密封底部漏水问题得到有效解决。以上优化改造未改变主轴密封现有的主体结构，只是根据发生的问题进行局部优化，所以对主轴密封的工作性质、工作原理等都不会产生影响，具备充分的改造可行性。5 结论主轴密封作为水轮机最重要的部件之一，其结（下转第 113 页）113第 02 期赵凯鹏：管线仪和探地雷达在水利工程中的应用图 19 DN1000 水泥排水管探地雷达图像4 结束语文章讨论了水利工程中地下管线探测的管线仪法和探地雷达法的探测原理、探测方法、数值模拟、实际应用等。对管线仪探测极大值法和极小值法产生误差的原因进行讨论，采用 GprMax 软件对不同材质、管径、埋深、管内是否含水情况下的管线进行正演模拟，同时对 3 个实地探地雷达数据进行讨论。给出以下建议：（1）地下管线埋设情况多样，管线仪法和探地雷达法是获得地下管线信息的重要手段。管线仪法在金属管线探测方面优势较大，探地雷达法则弥补了非金属管线探测的不足，结合两者可以更好地服务地下管线探测。（2）管线仪探测方法的选择取决于探测管线的材质和埋设情况，不同管线需选用不同的探测方法，具体情况具体分析。（3）探地雷达是一种高效的探测方法，实测数据由于地面回波、场地不平整、噪声等影响，目标管线的反射曲线会被“压制、扭曲”等，不易识别。通过GprMax 软件正演模拟探地雷达的电磁波传播，可以研究不同地下情况的探地雷达信号，有利于实际数据的识别。参考文献：1王志军.我国水利工程设计现状及发展趋势探析 J.长江技术经济,2022，6（S1）：212-214.2田建荣.RD8000 管线探测仪在庆城管线普查中的应用研究 J.甘肃科技，2019，35（3）：99-101.3谷彦斐，徐泮林，田梦娜.RD8000 管线探测仪在地下金属管线探测中的应用研究 J.测绘与空间地理信息，2020，43（7）：191-194.4张迪，莫其妙.基于 GprMax 的地下管线探地雷达图像正演模拟 J.工程地球物理学报，2022，19（2）：168-1825甘立蹇，蔡东健，庞建国.地下管线探测技术在工程测量中的应用与研究 J.测绘通报，2013（S1）：156-159，186.6张军伟，刘秉峰，李雪，等.基于 GPRMax2D 的地下管线精细化探测方法 J.物探与化探，2019，43（2）：435440.7