水轮机主轴密封抗磨环水平调整方法浅析

罗前林，刘腾彬,陶吉全，黄 雄，赵世昊

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 引言

葛洲坝电站自建成以来其水轮发电机组已稳定运行30余年，机组的部分主要部件已出现老化，影响机组安全稳定运行；随着三峡电站全面投产，汛期三峡机组满负荷发电同时葛洲坝机组被迫弃水，降低了水利资源合理利用率，影响经济效益。鉴于以上原因，葛洲坝电站自2013年开始实施水轮发电机组改造增容工作。葛洲坝电站水轮发电机组改造增容包括主轴密封改造，由双层橡胶平板密封结构改为自补偿型轴向端面密封。

改造后机组主轴密封为自补偿型轴向端面密封结构，如图1所示。机组运行时，压力为0.15～0.25MPa的清洁水通过供水环管进入浮动环与密封圈，在密封圈与抗磨环间形成大于此处江水压力的有压水腔，将浮动环顶起，在密封圈与抗磨环间形成0.05～0.10 mm厚水膜，达到阻止江水进入水箱的效果。一部分清洁水通过水腔内径侧流入集水槽，经顶盖泵抽走。在浮动环自身重力及弹簧弹力作用下，当密封圈发生磨损时会自行调整其位置，使其与抗磨环间水膜厚度保持不变，达到自行调整的效果[1]。

根据葛洲坝历年的维护记录，双层橡胶平板密封的平均更换周期为2～3年，在汛期抢修更换密封时机组须停机，影响经济效益。根据三峡机组同类型主轴密封运行情况来看，自补偿式主轴密封的维护工作量低，甚至10年内无须维护，自补偿式主轴密封的安全运行稳定性较高。

图1 改造后自补偿型主轴密封结构

新主轴密封安装要求抗磨环整体水平值小于0.02 mm/m，跳动值小于0.05 mm。因主轴螺栓护盖为分瓣组圆结构，安装后其抗磨环安装面的平面度无法满足跳动值小于0.05 mm/m要求。抗磨环安装和调平的难度较高。如采用传统的卡耶里方法测量调整[2]，因抗磨环的径向水平值经常超过0.40 mm/m，周向水平测量值会因水平仪摆放角度的不同多有变化，测量数据的准确性较差。在葛洲坝6F机组初次运用此方法时，合像水平仪读数多达4 000多次，工作效率低下，安装质量无法保证。因此，安装人员尝试运用基于盘车调整抗磨环的方法。

2 基于盘车调整抗磨环水平的原理和方法

葛洲坝水力发电机组为半伞式低水头机组，从上至下依次有上导轴承、推力轴承和水导轴承三主轴承，其中推力轴承为弹性油箱结构，机组轴线通过上导轴承和水导轴承分别抱紧确定[3]。为了保证机组运行时处于最优工况，需要进行机组修后盘车，使机组旋转中心和几何中心重合，并保证机组镜板水平小于0.02 mm/m。根据机组盘车的特点，在抗磨环处架百分表测量，修后盘车完成时，只要百分表水平跳动值小于0.05 mm，即可认为抗磨环调整合格。

采用盘车法测量并调整抗磨环水平伴随着机组修后盘车过程同时进行，盘车前对抗磨环内外侧各划分N个测点，并在抗磨环上表面内、外侧分别架设一个百分表，两测量百分表针间距为d，具体位置如图2所示。机组盘车过程及时记录8个方向上导轴承、水导轴承处百分表读数和推力轴承合像水平仪读数，以及抗磨环各测点处百分表读数。上导轴承和水导轴承处百分表读数表示盘车时主轴的绝对摆度，推力轴承处合像水平仪读数代表镜板水平值，要求各部轴承摆度值小于0.05 mm，镜板水平值小于0.02 mm/m。

由于百分表表座安放于机组固定部分，抗磨环安装在转动部件上，盘车时抗磨环跟随主轴做圆周运动时，两个百分表分别记录内、外侧各测点处读数，内侧读数记为外侧读数记为，其中 k 取 1、2、…、N。

据盘车过程推力轴承处合像水平仪读数计算出板水平值b1和与X轴夹角α，在抗磨环百分表初始测量点处使用合像水平仪测量内、外侧水平值b2，则抗磨环在此位置内、外侧高差Δg：

外侧测点高程Gwk：

3 误差分析及应用

3.1 盘车测量并调整抗磨环水平方法误差分析

1)盘车过程中上导轴承和水导轴承处主轴摆动值均要求小于0.05 mm，机组水导轴承和上导轴承百分表架设处高程差值为13.23 m，因此主轴摆度对抗磨环内、外侧水平可能最大影响值为0.008 mm/m，此误差可通过优化盘车工艺减小。

2)测量和读数误差。包括推力轴承处合像水平仪误差，抗磨环处百分表误差和合像水平仪误差。减小此误差方法为使用高精度、检验合格的测量工器具；由熟练人员测量、记录；保证合像水平仪放置平稳，接触面无高点和毛刺；百分表架设过程中尽量保证表座稳固。

3)抗磨环刚性不足，导致抗磨环各测点加垫铜皮后影响邻近测点高程，此误差虽然无法消除，但其对整体水平值影响较小。

4)抗磨环各分半面有错牙导致盘车时抗磨环上百分表跳动，盘车一圈后百分表无法回零，需要在盘车前处理错牙，并对数据进行处理，从而减小此项误差的影响。

3.2 盘车测量并调整抗磨环水平方法应用

盘车测量并调整抗磨环水平方法在葛洲坝电站水轮发电机组改造增容项目主轴密封安装过程中广泛应用，表1为6台机组改造后主轴密封充水试验浮动环四个方向的浮动量，其中4F、7F、11F、16F为哈尔滨电机厂设计、制造（简称哈电机组），12F和21F为东方电机厂设计、制造（简称东电机组）。由于改造后哈电机组主轴密封中弹簧弹性系数大于东电机组弹簧，导致哈电机组浮动环浮动量相对东电机组普遍偏小，但各机组浮动环均正常浮起，各方向浮动量较均匀，均能形成水膜，在机组正常运行时提供工作密封作用。这说明盘车测量并调整抗磨环水平法成功应用于水轮机自补偿型轴向端面主轴密封的安装。

表1 盘车测量并调整抗磨环水平方法应用葛洲坝电站机组主轴密封改造结果

4 结语

葛洲坝电站水轮发电机组水轮机改造增容将主轴密封中工作密封由双层平板橡胶密封结构改造为自补偿型轴向端面密封结构，主轴密封抗磨环安装中创新性采用盘车测量并调整水平方法解决抗磨环调平工作量大，精度低的难题，大大缩短检修工期，安装后充水试验浮动环上浮正常，机组运行期间主轴密封工作正常，改造后密封圈磨损量需要在机组后续运行过程中持续监测。

[1]秦岩平，陶吉全，马明.葛洲坝电站水轮机主轴密封改造及运行情况分析[J].水电与新能源，2015（1）：66-68.

[2]牟官华.应用卡耶里（CAYERE）方法测量联接法兰面水平[J].水电站机电技术，2006（3）：5-7.

[3]肖刚，祁英明.浅谈水轮发电机盘车调水平技术[J].中国高新技术企业，2012（25）：101-102.