试析抽水蓄能电站主轴机械密封的失效徐鑫华

试析抽水蓄能电站主轴机械密封的失效徐鑫华

徐鑫华侯彬

（浙江仙居抽水蓄能有限公司浙江台州317300）

摘要：抽水蓄能电站作为一种特殊的水电站，在当前我国水电建设中发挥着重要的作用。其中，电站主轴机械密封情况对抽水蓄能电站自身工作职能的发挥产生着较大的影响。本文对抽水蓄能电站水泵水轮机主轴机械密封进行了相应的研究，并对其失效机理进行了分析，进而提出了相关改进意见，以供诸位参考。

关键词：抽水蓄能电站；主轴机械密封；失效

与传统水电站相比，抽水蓄能电站肩负着调峰与填谷的双重功效，是当下构建国家电网的重要一环。而抽水蓄能电站的核心设备便是水泵水轮机，其主轴机械密封的安全与否关系着抽水蓄能电站能否正常、安全的运行。因此，需要进一步加强对抽水蓄能电站主轴机械密封的重视程度，最大程度改善并避免主轴机械密封失效的问题。

1.主轴机械密封结构与工作原理介绍

1.1主轴机械密封结构分析

当前，抽水蓄能电站主轴机械密封的形式主要采用弹簧复位式流体静压平衡轴向机械密封，其主轴密封多是紧靠水轮机主轴下法兰端面，在水导轴承的下方通过内顶盖进行支撑【1】。在该结构中，浮动环会在尾水压力以及其上端的压紧弹簧的影响下进行上下移动，进而确保密封环与抗磨环之间密封水膜的厚度维持在正常状态；同时，还可以根据装备中的固定环使之形成平衡腔来对尾水进行密封。而固定环需要通过螺栓以及锥销将其与内顶盖进行连接与固定，从而对整个主轴机械密封起到支撑限位的作用；抗磨环多是把合在水轮机主轴下法兰上端面上，其材料多是采用经离子氮化的不锈钢材料；而密封环的材料选择多是受线速度的影响，一般以30m/s为参考，若是线速度大于该数值则会选择含有ANTIMONY的炭精材料，而若线速度小于该数值，其材料的选择多是使用高分子塑料质材。另外，在浮动环上端还会安装有八根压紧弹簧，其作用在于削弱固定环与浮动环之间产生的摩擦力，确保浮动环的周向稳定性。这就要求所安装的弹簧力与浮动环的重力相加能够对密封面形成0.08MPa的压力，而弹簧自身的伸缩量需维持在20mm的抬机量。

1.2主轴机械密封工作原理

主轴机械密封多是通过引水压力钢管将主轴密封冷却润滑水引入，使其流经消能孔板以及减压阀，并经过过虑器的过滤而注入到密封环内腔【2】。而通过将压力稍大于尾水压力的冷却水注入到密封环中可以实现封堵尾水的目的，进而达到防止尾水进入摩擦面的效果，实现主轴机械的密封。而冷却水的注入，还可以在摩擦面上形成一层水膜，来对摩擦面进行冷却与润滑。

2.主轴机械密封失效原因分析

主轴机械密封失效多发于启动后的两到十三分钟之内。造成主轴机械密封失效的原因主要有以下几种：

其一是安装加工失误所导致的主轴机械密封失效。在主轴机械的加工安装过程中因失误导致其机械表面不平，导致密封水难以形成平衡，进而导致了主轴机械密封的失效。

其二是机械设备启动阶段产生的机理性原因。在主轴机械启动过程受到某一不稳定因素的影响，而主轴密封系统自身却难以阻挡并解决这一不稳定因素，便会导致主轴机械密封失效【3】。一般来说造成主轴机械密封失效的不稳定因素多是由启动过程中因加气导致密封压力产生变化导致的，在水轮机启动之初需要对其进行加气，该操作导致气压发生变化，进而改变了压差的方向，导致水膜出现负刚度。另外气压的变化还会使其密封介质由水膜转变为气水两相膜，导致其承载力度减弱，进而引发主轴机械密封的时效

其三是其他外部因素导致的主轴机械密封失效。如设计参数受外界条件变化导致密封压力大于实际设计参数，或者是系统振动振幅过大，便容易造成主轴机械密封产生突发性或者是偶然性的密封失效；当支撑抗磨环的油盆盖受到重力压迫变形时，很容易导致其密封面的间隙变小，从而减少了水膜的承载力【4】。而受压力影响，密封面形状的改变将会改变轴向刚度，甚至会产生负刚度，进而导致主轴密封系统失稳，导致主轴密封失效；最后，在机械运行过程中若出现水膜破裂的情况，对密封面的抗磨性便是一大挑战，而慎锑软环与表面氮化不锈钢并不是最佳的摩擦副配对，因此导致其轴向刚度不够，进而造成主轴机械密封的失效。

3.改善主轴机械密封失效的举措

3.1加强软件开发

针对主轴机械密封失效的问题，抽水蓄能电站应进一步加强重视程度，并充分运用科学技术，开发出针对抽水蓄能水轮机高参数主轴密封相配套的软件，以此来实现对其运行过程中完全数值的计算与分析，进而得出主轴机械相应结构的合理系数，并根据主轴密封结构中的弹簧刚度，密封环结构尺寸以及节流孔的节流系数等数值设定为主要对象，来实现主轴机械密封的优化设计【5】。如设置其水膜厚度参数不得小于0.1mm，且增大其密封轴向的刚度等。

3.2改善主轴机械密封结构设计

针对受力变形所导致的密封失效，可以采用增加结构刚性的方式来减少受力变形量，进而减少负刚度问题的出现，如可以采用油盆盖加肋的方式来对油盆盖刚度进行改善，减少其受力变形现象的出现，进而避免主轴机械密封的失效。另外还可以采用流体动压润滑机械密封的方式来实现主轴机械密封。与弹簧复位式流体静压平衡轴向机械密封相比，虽说其整体机械结构尺寸不会产生变化，但是其主轴机械结构的承载力、轴向刚度等方面的数值却大为增加，可以避免因承载力不足轴向刚度变化所导致的主轴机械密封失效的现象发生。最后，针对摩擦副选择不佳的问题，还需要积极开展实验活动，从而找到更合适的摩擦副选择的材料搭配。比如可以尝试将氮化不锈钢表面堆焊耐磨铸铁或者是其他耐磨材料，从而增加密封面的抗磨性避免因摩擦问题导致的主轴机械密封失效。

3.3加强抽水蓄能电站主轴机械密封的日常维护

若想更好的避免抽水蓄能电站主轴机械密封失效的问题，还应进一步做好主轴机械密封的日常运行维护工作。当主轴机械密封进入到运行阶段后，还应注意做好以下的运行维护，以此确保主轴机械密封的正常运行，避免主轴机械密封失效的产生。其一应确保在主轴机械密封工作过程中其密封供水的连续不断；其二应加强对主轴密封运行过程中的密封腔水压控制，确保密封腔水压始终大于尾水压力；其三应做到保证主轴机械密封中的水膜厚度不得小于0.05mm【6】；其四应加强对主轴机械密封构造中过滤网的维护，确保密封供水的水质能够满足主轴机械密封的需求；其五还应加强对排水管的维护，以最大排泄流量来计算，确保排水管能够满足最大排泄流量1.5倍的排水需求；其六还应做好浮动环的维护工作，确保其动作灵活，避免出现卡顿的现象。

4.结语

随着时代的发展，抽水蓄能电站在当下的生产生活中发挥着重要的作用，而主轴机械密封的效果又关系着抽水蓄能电站自身职能的发挥。因此，加强对抽水蓄能电站主轴机械密封研究，分析主轴机械密封失效的成因，并采取有效措施进行改善，进而确保电站机组的安全、稳定运行，推动抽水蓄能电站职能的发挥，为社会发展创造更大的价值。

参考文献：

[1]刘旸，宋翔，熊建平等.清远抽水蓄能电站水泵水轮机主轴密封设计探讨[J].水电与抽水蓄能，2018，4（1）：67-71.DOI.

[2]李德武，胡济明，林恺等.惠州抽水蓄能电站主轴密封浅析[J].水力发电，2010，36（9）：64-65，73.DOI.

[3]徐宏光.国内外抽水蓄能电站主轴密封研究[J].电站系统工程，2009，25（6）：72，74.DOI.

[4]孙玮，苏胜威，葛军强等.抽水蓄能机组主轴密封实时在线检测系统[J].水力发电，2012，38（12）：64-66.

[5]汤毅强.抽水蓄能机组的主轴密封装置[J].大电机技术，2005，（2）：34-36.DOI.