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　　摘　要：抽水蓄能機(jī)組具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量和較深淹沒深度等特點(diǎn)，因而決定了封堵其水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分間隙漏水的主軸密封的高性能。本文介紹德國(guó)Voith公司為廣州蓄能B廠設(shè)計(jì)的采用雙端面機(jī)械密封型式的主軸密封的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了8號(hào)機(jī)在試運(yùn)行期間兩次主軸密封燒損的原因并介紹相應(yīng)的處理方法。
　　關(guān)鍵詞：抽水蓄能機(jī)組；主軸密封；潤(rùn)滑水膜；內(nèi)環(huán)；外環(huán)
　　1　概述
　　廣州蓄能B廠裝設(shè)4臺(tái)300MW可逆式抽水蓄能機(jī)組，其水泵水輪機(jī)及其附屬設(shè)備由德國(guó)Voith公司設(shè)計(jì)和制造。水泵水輪機(jī)為立軸、單級(jí)、混流可逆式，設(shè)計(jì)水頭535m，額定轉(zhuǎn)速500r/min。因可逆式機(jī)組水泵工況的汽蝕系數(shù)比水輪機(jī)工況要大得多，由水泵工況汽蝕特性決定機(jī)組吸出高度-70m，為適應(yīng)較深的機(jī)組淹沒深度和較快的密封表面速度，采用雙端面機(jī)械密封可靠地替代傳統(tǒng)密封，在功能、摩擦損失及耐久性方面均顯示出較高的性能。
　　2　主軸密封結(jié)構(gòu)和工作原理
　　主軸密封型式為彈簧復(fù)位式流體靜壓平衡徑向雙端面機(jī)械密封，密封材料采用合成耐磨樹脂。密封內(nèi)/外直徑為1139/1279，內(nèi)環(huán)尺寸25×15mm環(huán)形槽，外環(huán)尺寸20×15mm環(huán)形槽。供水取自引水壓力鋼管經(jīng)減壓環(huán)管減壓，過濾器和水力旋流器雙重過濾后由中Ø27mm不銹鋼管接通到密封環(huán)，通過更換供水管路上Ø10.5mm節(jié)流片可調(diào)節(jié)主軸密封流量。主軸密封潤(rùn)滑水正常供水壓力1.1MPa，潤(rùn)滑水流量7.2m³/h。
　　主軸密封緊靠水輪機(jī)主軸下法蘭端面，在水導(dǎo)軸承下方由內(nèi)頂蓋支撐，作用是有效的阻擋水流從大軸3與內(nèi)頂蓋14之間的間隙上溢，控制機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分和固定部分的漏水量，防止水導(dǎo)軸承和頂蓋被淹。主軸密封由旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)、密封環(huán)插塊、密封環(huán)、筒形彈簧、止動(dòng)板、止動(dòng)環(huán)、支撐環(huán)、內(nèi)頂蓋等構(gòu)成。從其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1我們可以說明其工作原理，旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)1直接把合在大軸法蘭上與靜止密封環(huán)5相對(duì)（密封環(huán)插塊2和密封環(huán)5由螺釘組合成整體），潤(rùn)滑冷卻水從密封環(huán)內(nèi)腔流入內(nèi)、外環(huán)與抗磨環(huán)之間的間隙，在內(nèi)、外環(huán)與抗磨環(huán)之間建立一層水膜（設(shè)計(jì)水膜厚度0.03-0.08mm），其作用相當(dāng)于流體靜水壓軸承將旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)與靜止密封環(huán)分開，使它們不發(fā)生直接磨擦從而減少磨損量，并帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。流經(jīng)內(nèi)環(huán)的潤(rùn)滑水將自流漫過密封上部，通過Ø114mm排水管排至集水井，流經(jīng)外環(huán)的潤(rùn)滑水與經(jīng)頂蓋壓力釋放管來自尾水管的尾水相抵水輪機(jī)上迷宮環(huán)的泄漏水經(jīng)頂蓋壓力釋放管排至尾水，由于主軸密封水壓稍高于尾水壓力，起到封水作用。

圖1 Voith雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　為確保靜止密封環(huán)5與旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)1之間的潤(rùn)滑水膜厚度隨著密封運(yùn)行磨損能保持不變，密封環(huán)在筒形彈簧4的作用下可軸向運(yùn)動(dòng)，即密封封環(huán)5與止動(dòng)環(huán)11之間可相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)，由止動(dòng)環(huán)限制桿9限制密封的徑向運(yùn)動(dòng)。密封環(huán)和止動(dòng)環(huán)之間的Z大間隙0.4-0.55mm，由橡膠圈6密封。
　　主軸密封設(shè)有溫度傳感器，潤(rùn)滑水流量和壓力傳感器，密封磨損記錄指針，密封Z大可能磨損量14mm，即由止動(dòng)板7到止動(dòng)環(huán)11之間的距離，實(shí)際密封磨損至剩余2mm時(shí)必須更換。
　　該主軸密封特點(diǎn)：①借助24個(gè)不銹鋼筒型彈簧使密封環(huán)緊壓在抗磨環(huán)上，所以在機(jī)組停機(jī)切斷潤(rùn)滑供水的情況下，密封仍可起到封水作用。②密封環(huán)軸向可動(dòng)，因此可以方便地隨著靜動(dòng)環(huán)之間的軸向移動(dòng)而動(dòng)，避免事故抬機(jī)造成的損害，對(duì)尾水壓力脈動(dòng)較大的水泵水輪機(jī)是極大的優(yōu)點(diǎn)。③密封對(duì)過渡過程中軸系統(tǒng)的徑向振動(dòng)沒有特別要求。即密封有較強(qiáng)的抗振性。④因Voith公司的這種主軸密封合成耐磨樹脂材料在損壞后，不會(huì)出現(xiàn)塊狀裂塊，經(jīng)切削加工密封可繼續(xù)使用。
　　3　主軸密封燒損經(jīng)過與原因分析
　　3.1 次燒損經(jīng)過
　　8號(hào)機(jī)組投人試運(yùn)行不久，在發(fā)電工況帶190MW負(fù)荷運(yùn)行30分鐘主軸密封溫度即達(dá)到40℃，經(jīng)1小時(shí)運(yùn)行溫度居高不下，停機(jī)。做主軸密封水壓試驗(yàn)，在切斷主軸密封供水情況下，密封漏水量偏大。投入供水后密封環(huán)與抗磨環(huán)之間隔段出水，即一會(huì)漏水量大，一會(huì)漏水量小，初步判斷由于密封磨損量不一樣，以致密封面呈波浪形，間隙大小不一，導(dǎo)致漏水量增大。當(dāng)主軸密封供水流量為40%，壓力0.8MPa，密封環(huán)頂起量0.01mm，且不均勻；當(dāng)流量為60%，壓力0.82MPa，密封環(huán)頂起量0.02mm，判斷密封損壞。
　　拆出密封檢查，密封內(nèi)環(huán)情況良好，但外環(huán)磨損0.35mm，且表面有不同程度結(jié)碳，相應(yīng)抗磨環(huán)外環(huán)也磨損0.6mm并出現(xiàn)扭曲變形。更換密封環(huán)插塊和抗磨環(huán)，開機(jī)將轉(zhuǎn)速升至350rpm，密封工作正常，20分鐘后將轉(zhuǎn)速升至500rpm，密封供水壓力發(fā)生0.3MPa波動(dòng)，密封溫度很快升至35℃，即停機(jī)。
　　分析原因?yàn)橹鬏S密封供水水力旋流器的排污管連接至密封外環(huán)腔，旋流器排污從而使外環(huán)腔出現(xiàn)較大壓力波動(dòng)，影響外環(huán)水的流動(dòng)，造成外環(huán)水流量過小，引起發(fā)熱燒損密封。將旋流器排污管改接至上迷宮環(huán)間隙測(cè)量孔，通過頂蓋釋放管排至尾水，經(jīng)處理后，主軸密封運(yùn)行在31℃，溫度仍偏高，但可維持正常運(yùn)行。
　　3.2 第二次燒損經(jīng)過
　　2個(gè)月后8號(hào)機(jī)組抽水帶333MW負(fù)荷運(yùn)行20分鐘密封溫度迅速上升至45℃，即停機(jī)。停機(jī)過程中溫度繼續(xù)上升Z高達(dá)53℃，現(xiàn)場(chǎng)檢查主軸密封壓力僅0.7MPa，頂蓋溫度約50℃，打開支撐環(huán)原水力旋流器排污口，主軸密封外環(huán)腔流出熱水，水溫約50℃。
　　打開主軸密封供水閥，測(cè)量主軸密封內(nèi)環(huán)排水量，內(nèi)環(huán)排水量占主軸密封供水量的2/3，供水壓力在7abr-10bar之間波動(dòng)。進(jìn)一步拆卸檢查，主軸密封內(nèi)環(huán)情況良好，外環(huán)和旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)磨損嚴(yán)重，外環(huán)磨去0.35mm，抗磨環(huán)磨損3.06mm并扭曲變形，且在大軸與空氣圍帶之間有摩擦痕跡。
　　3.3 燒損原因分析及處理
　　次主軸密封燒損是由于水力旋流器的排污管設(shè)計(jì)不合理，通過更改排污口得到解決。第二次燒損原因是由于在機(jī)組運(yùn)行中空氣圍帶與大軸的間隙（安裝間隙2mm）發(fā)生變化，空氣圍帶損壞，水進(jìn)入圍帶，并使之膨脹，抱緊大軸，阻塞主軸密封外環(huán)排水，影響外環(huán)水的流動(dòng)，外環(huán)冷卻水流量變小，在這種情況下，密封外環(huán)與旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)之間熱量無法隨水流散發(fā)，水溫升高，潤(rùn)滑水膜形成困難，造成密封外環(huán)干摩擦，從而燒損主軸密封。
　　將密封環(huán)插塊燒損部分全部車削5mm，更換抗磨環(huán)，拆除空氣圍帶，并在支撐環(huán)上原排污孔接管連通至上迷宮環(huán)另一測(cè)量孔，增加密封外環(huán)腔排水。經(jīng)處理后8號(hào)機(jī)組帶190MW負(fù)荷時(shí)主軸密封溫度Z高23℃，效果很好。
　　4　結(jié)束語
　　因Voith公司的這種主軸密封通常都是外環(huán)損壞，即使內(nèi)環(huán)也同時(shí)損壞，因密封面不會(huì)出現(xiàn)塊狀裂塊，密封仍可同樣起到封水作用，不會(huì)引起尾水進(jìn)入廠房，在這種情況下空氣圍帶設(shè)置的必要性值得商榷。8號(hào)機(jī)主軸密封上述兩次改進(jìn)后，經(jīng)過近一年的運(yùn)行，密封磨損量?jī)H0.5mm，密封溫度維持在23℃，密封漏水量?jī)H3.0m³/h，封水效果非常好。