无接触泵板主轴密封在水电站的应用

陈良勇，胡小刚

(1.三峡金沙江川云水电开发有限公司向家坝水力发电厂，四川 宜宾 644612；2.重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 408506)

沙湾水电站位于四川省木里河，工程开发任务为发电，兼顾下游生态环境用水，电站采用低闸引水式开发，具有日调节性能，共安装4台单机容量为60 MW立轴混流式水轮发电机组。水轮发电机组由东风电机有限公司制造安装。电站于2012-10-20日建成投产，并通过220 kV线路接入四川电网。水轮机型号为HLA351-LJ-305，最高水头257.6 m，最低水头218 m，额定水头220 m，额定转速333.3 r/min，水轮机最大吸出高程为-4 m，额定流量35.82 m3/s，河流多年平均流量103 m3/s，年平均含沙量0.854 kg/m3，多年汛期(6～10月)平均含沙量1.10 kg/m3，年平均过机含沙量0.561 kg/m3，中数粒径为0.033 mm，过机泥沙中莫式硬度大于或等于5的硬矿物含量为1.0～2.0%。沙湾水电站年平均过机悬移质颗粒级配研究成果见表1。

表1 年平均过机悬移质颗粒级配成果表

根据沙湾水电站的泥沙资料可以看出本电站的过机泥沙含量较重。水电站运行水头为218.00～257.60 m，处于大中型混流式水轮机的典型运用水头范围内。

1 水轮机主轴密封装置简介

水轮机作为能量转换的重要载体，是水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。按工作性质可将水轮机主轴密封分为工作密封和检修密封。

1.1 工作密封结构原理

水轮机工作密封按照密封结构型式可以分为：平板密封、径向密封、盘根密封、端面密封以及迷宫环密封。迷宫环密封是近年来出现的一种新式密封，其工作原理是在水轮机转轮顶部设有泵板装置，由于泵板的吸出作用，主轴法兰始终处于大气之中，轴与轴封间不接触并只有一层空气，该密封有极长的寿命。这种新型密封已逐步被推广，在多个电站中被应用，且运行效果较好。

大多数工作密封需要清洁水，而清洁水主要来自机组技术供水，对橡胶密封润滑水的要求较高，一般主轴密封供水管路中设有减压或加压设备、滤水器等[1]。为了保证供水水质，机组的供水管路上需要装设两级水过滤装置。第一级为粗过滤，第二级为精过滤。对主轴密封的润滑水需要增加主轴密封过滤器，加压泵等。而泵板密封无需清洁水也不需要技术供水管道阀门及滤水器。但选用哪种工作密封需要根据水电站的具体情况，对水质，机组型式，转速等因素进行分析，选择最为科学的密封结构，并在设计中考虑稳定性和科学性，使密封安装和维护更加简便，提高水轮机运行效率，从而保证水电站的安全稳定运行。

1.2 检修密封工作原理

检修密封是水轮机长时间停机时或工作密封检修时投入的密封，是主轴密封的辅助程序，当水轮机停止运行或检修水轮机工作密封和水导轴承时使用的一种密封技术，以防止在尾水位较高时倒灌进入机坑内。检修密封型式常分为空气围带式、机械式和抬机式检修密封等。其中空气围带式是最为常见的密封。空气围带检修密封结构简单，操作方便，密封效果好，大多数机组检修密封都用此结构。

2 无接触泵板密封的结构特点

沙湾水电站过机泥沙含量较多，对水轮机过流部件危害较大，选用一般形式的主轴密封不利于机组稳定运行。所以采用了无接触泵板主轴密封作为工作密封(见图1)，选用空气围带式密封作为检修密封。

图1 无接触泵板主轴密封结构

沙湾水电站主轴工作密封泵板材质为不锈钢，泵板由螺栓把合在转轮上冠上，工作中将由上止漏环流入的泄漏水通过泵板作用压入顶盖上排泄腔，经顶盖排泄腔上均匀分布的4根直径为DN100的排水管排走，以保持密封作用。无接触间隙密封由转动轴套及主轴密封箱组成，无需润滑和冷却。转动轴套采用不锈钢材料，其表面附有一层软金属巴氏合金材料，可防止因接触固定部分而造成的事故。转动轴套分二瓣，由不锈钢螺栓把合并固定在水轮机主轴上。主轴密封箱采用低碳钢板焊接而成，分成二瓣，利用螺栓固定在顶盖上。主轴密封箱分成上下二室，上室接有2根直径为DN40排水管，可将开停机过程中的泄漏水以及正常运转中剩余的少量泄漏水汇集至直径为DN65主轴密封排水管，通过自流方式排至渗漏集水井。

无接触泵板密封的特点是，轴封的静止部分和转动部分不接触，密封使用寿命较长。密封免检修免维护，在机组正常运行时不需要冷却或润滑清洁水，转轮上的泵板装置可防止水和固体进入主轴密封，通常轴密是干的，顶盖卸压系统可防止泥沙或固体物质积存在水机顶盖下，机组旋转产生的离心作用可使轴密封不接触水中的沙和其他固体物质。

3 无接触泵板密封工作原理及优点

沙湾水电站安装的高水头混流式水轮机，具有运行水头高、额定转速大、水流速度大、过机泥沙重等特点。沙湾水电站水轮机采用非接触密封结构，这种结构的主轴密封主要由间隙式密封、转轮上冠处的泵板、顶盖排水管等组成。当机组运行时，转轮开始转动，同时带动泵板转动装置，由泵板带动泵板内腔的水转动，使泵板进出口的水产生压差，再由排水管将水排向集水箱，作为机组冷却水或者直接排向尾水管。机组刚起动时，间隙密封处的水是不能完全靠泵板全部排干的，极少量的水通过间隙密封处的排水管直接排至集水井，当机组转速继续上升后，间隙密封处的水将全部被排出，达到密封效果。机组额定转速运行时此密封装置的密封性能非常好。由于这种密封型式为非接触性密封，因而完全适应高水头机组主轴密封区域高速度的要求。间隙式密封静止部分与运动部件不接触，运行时无需密封润滑冷却水，密封件也不存在磨损现象，无需维护和更换。

4 对无接触泵板密封的运行思考

沙湾水电站4台机组于2012年10月并网投入运行以来，未发生过无接触泵板主轴密封故障，在2015年3号机组A修时[2]，因摆度超标，过流部件磨损空蚀严重，在对主轴密封泵板解体检查发现间隙式密封有轻微空蚀发生。分析出现空蚀的原因为：水轮机摆度超标，转动轴套和主轴密封本体运行间隙不均匀，机组运行时转动轴套和主轴密封箱产生间隙空蚀。由于间隙空蚀的破坏一般较小，后来检修人员对空蚀进行补焊打磨，并严格按照标准将装配单边间隙调整为0.25～0.35 mm，有效减轻了水流对无接触间隙密封的冲蚀[3]。

经过多年的运行实践，无接触泵板主轴密封机组在运行中应注意检查：①顶盖压力指示和摆动情况是否较平时增大；②机坑内的排水管是否畅通；③管路接头，法兰连接处有无漏水；④密封座与密封转环间所构成的密封间隙处是否漏水及漏水变化情况；⑤该泵板密封装置在低转运行时封水不好，机坑内漏水较大，所以建议开停机时应注意水轮机顶盖的漏水情况，并尽可能减少机组在低转速时的运行时间。

5 结 语

水轮机主轴密封对水电机组的安全运行起着极其重要的作用，主轴密封也是水轮机最容易发生故障的部件之一，水电站检修维护人员不仅要及时掌握主轴密封的实际工作状况，还要不断对出现的故障进行分析和总结，以减少由于水轮机主轴密封发生故障造成的停机事故，提高设备运行的可靠性，改善机组运行工况，增加水电站的发电量。无接触泵板密封在多泥沙、高水头、高转速水电站的成功应用，并经过多年的运行实践，其安全可靠性得到了进一步验证，可以为同类型水电站水轮机工作密封的选型或技术改造提供借鉴和参考。