水轮机主轴密封故障分析及处理方法

关锐

摘要：水轮机作为能量转换的重要载体，是电站水轮发电机组的核心设备，水导轴承的运行工况是检验水轮机运行稳定性能的关键性指标之一。水轮机转轮与上冠之间存在一个低压水腔，俗称转轮上腔，其水源为上止漏环的漏水，为防止转轮上腔压力水通过主轴与顶盖（或支持盖）间的缝隙渗入机坑，淹没顶盖及水导轴承，破坏水导轴承的正常工作，在轴承下方设置了主轴密封装置，密封装置的运行效果决定了水轮机是否能够安全、稳定运行。因此主轴密封的性能对电站的运行具有重要的影响，必须对主轴密封进行优化设计，使其能够达到良好的效果。基于此，本文主要对电厂水轮机主轴密封故障分析及处理方法进行分析探讨。

关键词：电厂；水轮机；主轴密封；优缺点 
1水轮机主轴密封的意义和分类

作为一种能量转换器，水轮机以特定的方式将水能转化为来自旋转轮的机械能。它主要通过旋转轮的旋转驱动电动机进行发电。水轮机的动力来自水。中国的地形和河流的特征导致河流有大量的沉积物，特别是在雨季，随着沉积物的增加，传统的封堵方法也随之丧失。许多密封方法在使用后会产生其他严重问题，这会影响正常使用并出现其他问题。使用该装置可以保证水轮机的正常运行。目前，水轮机主轴密封件有两种主要分类。一种根据工作性质分为检修密封和工作密封。根据密封结构的类型，可分为：平板、填料、端面密封等[1]。

2主轴密封的工作原理

当水轮机运转时，密封块的下腔填充有250～300kPa压力的清水，因此密封块会抵抗其自身重量而浮在固定轴上的旋转环上，主旋转磨损环和旋转磨损环随主轴旋转。密封块安装在活塞密封座上。密封块对称设计，带有四个12mm直径的定位销。密封块只能上下移动。在密封块的上端和下端之间有四个直径为6mm的通孔。当密封块的下腔中没有压力时，密封块通过自重降低到底部。当活塞的下腔用水加压时，水压的作用导致密封块上升到顶部，从而影响上盖和主轴之间的漏水。在提升密封块时，封闭件通过通孔朝向密封块的顶部流动。当密封块接触旋转环时，产生在接触表面之间流动的水膜，并且只有一小部分水通过顶盖流出，此时，自动排水管流入收集坑。同时，这种恒定的漏水量还可以防止由于干磨造成的过热而导致的密封块燃烧。主轴的密封起密封作用。密封环压在抗磨环上，该抗磨环在外部压力和其自身重量的作用下旋转，从而防止水轮迷宫环中的水泄漏。顶盖受到干扰，不能直接流到顶盖以达到密封效果[2]。

3多种水轮机密封方式的结构特点及优缺点分析

3.1盘根密封的结构特点及优缺点

包装件缠绕在主轴和前盖之间，并且在卷绕之后，用填料函和螺钉加固。优点：该密封结构非常简单，易于制造，相对于其他设备来说投资较少。缺点：该密封结构的应用范围很窄。如果沉积物量很大，填料密封的水轮机的轴将容易受到沉积物的影响，因此它只能用于少量沉积物的发电站，如果此时存在的许多泥沙会对主轴造成影响。

3.2离心密封的结构特点以及优点和缺点

离心密封的类型使用更多的密封方法，密封方法不受高温影响，并且通常应用于压差小（几乎接近）的地方。操作原理如下：产生离心力的方法是使用转子的旋转来产生流体的离心力。当流体产生离心力时，泵送的水可以利用离心力来控制水的排放方向，从而防止水进入泄漏空间以避免其他影响。优点：与螺旋密封方法相比，这种密封方法允许更大的密封空间，更大的密封空间，并且可以控制含有更多杂质的水的流动而不会泄漏或磨损。密封方法的构造也比较简单，易于检查是否发生了故障，不需要大量资金投入，也可靠且使用时间长。

3水轮机主轴密封故障分析及处理方法

        3.1主轴密封漏水和顶盖排水管爆裂原因分析
        沙坪水电站在未找到有效解决水轮机出现的问题时，电站只能以加强视频监视和顶盖水位监测等手段保障运行。为了从根本上解决主轴密封漏水和爆管问题，技术人员通过对发电机组在不同工况运行时所表现出的各种现象、结合发电机组日常运行时的相关数据深入分析后得出：
        （１）主轴密封漏水量与工况有关，空载及满负荷情况下运行最为严重，通过主轴密封的漏水从轴承座观察孔中甩出直至水车室四周地板。（２）顶盖排水管压力大，顶盖止漏环后压力较高，排水管振动很大，进而引起顶盖排水管爆裂。（３）通过对转轮泵板密封计算得知，泵板本身排水能力满足要求。（４）漏水与现有主轴密封间隙的大小无关。通过以上分析得出该水电站３台机组主轴密封漏水和顶盖排水管爆裂产生的根本原因为顶盖止漏环后水压力大，顶盖排水不能满足转轮泵板排出的水量，而剩余部分的水只能从主轴密封排出，因此，运行时顶盖排水管中的水压力和管路脉动振动均偏大，导致顶盖排水管发生破裂。经

        综合考虑后认为，减小顶盖止漏环后的水压为主要解决方案，配以主轴密封和顶盖排水管结构和材质上的改造为辅予以解决处理。

3.2主轴密封漏水和顶盖排水管爆裂的处理
        根据分析得到的漏水、爆管原因和日常运行数据，分别从顶盖止漏环、转轮泄水锥的结构设计方面着手控制密封出水量以减小止漏环处的压力。从顶盖排水管直径、材质、流道和安装着手，进一步解决爆管问题[3]。
      （1）更换顶盖止漏环
        通过计算，将原水轮机导水机构上止漏环与转轮配合间隙由原来的１～１．２ｍｍ减小为０．８～１ｍｍ，以减少容积损失，该处改造需新加工一止漏环与原有的止漏环进行更换，所以，在加工中要与转轮上冠止漏环尺寸配合加工，并保证其配合尺寸达到新的设计间隙要求[4]。
        （2）改造顶盖排水管
        由于原埋入水车室机坑混凝土中的４根管路通径为８０ｍｍ的排水管管径不能改变，通过对已埋设管路的通过能力进行计算得知，可以将顶盖排水管通径改成９０ｍｍ，厚６ｍｍ，将从顶盖引出的排水管通过外环后的管路法兰与之焊接固定，使其与顶盖成为一整体，防止管路振动。在顶盖外环至混凝土埋管之间使用一偏心变径管和直径为１００ｍｍ的柔性软连接进行配管来消除该段排水管的压力脉振动，防止排水管破裂。对于顶盖内的出水孔，沿转轮施转方向修磨成斜面倒角并修圆，使之形成导流通道。改造后的排水管除柔性连接外，其它所用的设备材质均为１Ｃｒ１８Ｎｉ９的无缝不锈钢管[5]。
        （3）主轴密封改造
        采用在主轴密封座背面堆焊不锈钢ＥＲ３０９Ｌ焊层、以缩小泵板内侧与主轴密封的间隙在１．４～１．７ｍｍ的方式以减小泵板与密封座间的漏水量，同时封堵密封座上的两根排水管用以减小主轴密封漏水[6]。
结束语
        综上所述，在电厂的实际工作中，水轮机的主轴密封处于非常重要的位置，它能够影响水轮发电机在运行状态，好的密封方式能够使水轮发电机处于较稳定、可靠的状态。就目前来看，主轴密封在水轮机中虽然说是一个比较小的组成部分，但是如果其具有缺陷，影响是非常大的，它会使得电厂的工作效率降低，使电厂不能够正常运作，还会给经济带来巨大的压力。本文主要对传统的密封方式以及两种非接触式密封方式进行具体分析，详细讨论了这几种水轮机主轴密封的特点及优缺点，通过对其分析可以对今后主轴密封的发展和完善有所帮助。

参考文献
[1]陈勇章．分块瓦水导轴承的安装与调整［J］．东方电气评论，2015，29(4):22－25，36．
[2]王国辉，赵通，屈博兴，等．锦屏一级水电站600MW水轮机筒阀的安装［J］．东方电机，2014，3(1):6－10．      

[3]杜芝鹏．立式水轮机水导轴承轴瓦结构分析及其工艺研究［J］．东方电气评论，2017，31(3):47－51．

[4]梁仲坚.水电厂水轮机主轴密封的优缺点分析[J].建材与装饰,2018(03):226-227.

[5]郭全宝.对水轮机主轴密封的优化设计[J].科学技术创新，2019（18）：152-153.

[6]熊建军，沈丹.水轮机主轴密封的优化设计[J].小水电，2018（06）：10-14.