水轮机部件及密封结构对机组稳定性的影响分析

水轮机部件及密封结构对机组稳定性的影响分析

李军改

通用电气水电设备（中国）有限公司，天津300300

摘要：水轮机主轴密封的质量严重影响其正常运行，由于机组运行条件及年限等因素，部分电站机组会因主轴密封磨损导致漏水加剧，严重时会出现水淹机坑、导轴承进水等事故。主轴密封结构优化一直是水轮机密封研究的重点，以提高其工作性能可确保机组安全稳定运行。本文对水轮机部件及密封结构对机组稳定性的影响进行分析，以供参考。

关键词：水轮机部件；密封结构；稳定性

引言

主轴密封根据结构类型可分为接触式和非接触式。近年来，非接触式主轴密封被水电站广泛采用并取得了显著效果，例如渔子溪二级电站、红山嘴电站、二滩水电站等。转轮泵作为非接触式主轴密封核心部件，其性能与密封效果有直接联系。70年代中国大力推广顶盖取水技术，该技术成功应用的关键就是在转轮上冠空腔合理布置转轮泵，在中高水头混流式水轮机转轮上冠增设转轮泵对水轮机的轴向水推力、顶盖取水压力、主轴密封真空度均有影响。

1主轴工作密封结构及原理

某水电厂主轴工作密封包括端面密封和平板密封，端面密封采用水压活塞式结构，主要由抗磨环、H型密封、水封压盖及密封支座组成。抗磨环采用不锈钢材料，通过螺钉与主轴螺栓保护罩固定；H型密封采用丁苯橡胶材料，通过导向杆与水封压盖连接；水封压盖固定在密封支座上，密封支座固定在顶盖上，二者的内外圆构成一个活塞腔可供H型密封上下移动。水封压盖含有注水孔，供水压力为0.05~0.15MPa，H型密封在水压的作用下与抗磨环压紧，达到阻止转轮室水流通过的效果，因为抗磨环是转动的，接触面干磨会损坏H型密封，所以通过注水孔进入H型密封上腔的水经过H型密封供水孔进入H型密封下端面起润滑作用。端面密封不能完全阻止水流通过，还是会有大量的水流向顶盖，所以在H型主密封上方设置辅助平板密封，平板密封装置由丁苯橡胶密封、托板、调整垫、压环以及上环组成。平板密封的主要功能是在安装于主轴上的上环与丁苯橡胶密封相互作用下，可以缓解漏水压力及漏水方位从主轴径向排出，确保水导轴承正常运行。托板对丁苯橡胶密封起到支撑作用，在停机状态下，丁苯橡胶密封与上环的设计间隙为1mm，为补偿安装误差在平板密封底部设置紫铜调整垫，通过不同厚度的紫铜垫调整丁苯橡胶密封与上环间隙至1mm设计值，压环通过螺栓与水封压盖连接，其作用是将丁苯橡胶密封、调整垫、托板压紧防止漏水。H型橡胶密封与抗磨环的压紧程度取决于技术供水压力和转轮室水流压力的差值，差值过大会使H型橡胶密封与抗磨环贴合过于紧密，导致进入二者中的润滑水大量减少，出现干磨现象，差值过小会使H型橡胶密封与抗磨环产生间隙，导致漏水量增加。转轮室水压根据上游水位而变化，那么为了防止出现H型橡胶密封干磨和漏水量增加，要根据水位对技术供水的压力进行调整，保证二者压差在合适的范围内。H型橡胶密封在上下移动过程中以及抗磨环的摩擦下成为了一种易磨损部件，特别是在机组工况以及水质发生变化的情况下，容易发生过度磨损或偏磨失去封水效果，此时必须对H型橡胶密封进行及时更换。

2主轴密封装置安装

(1)安装耐磨板。首先,为了清洁防锈板架,检查是否有高杂质,安装防锈板时应注意防锈板加工表面的保护,防锈板的4个阀门应按相应的编号安装。现场安装和仔细检查4个新的耐磨板在顶部和底部平面应是干净的,阀门分离表面没有误差和尖角,要求耐磨板安装后表面在0.03毫米以内,如果超出本标准,就地使用磨料进行磨削加工。检查防锈板的分数面之间,一般不应有牙齿误差,牙齿局部误差不应超过0.03mm,但要用薄的烹饪刀处理误差,使其平稳过渡。(2)安装戒指。组成一个圆圈,然后将圆圈安装在保护盖上,注意在环上用螺纹紧固件安装2个紧固螺钉后,环上的紧固螺钉后面不能高于外圈旋转面。3)在端面上安装聚氨酯橡胶块。检查经过处理的聚氨酯单元冷却孔尺寸是否符合要求,电站为φ4,安装前应在工作密封层中施加适量的润滑剂,以便于橡胶单元进入层中。4)工作密封件已安装。环形密封组占表面的两半,调节工作密封位置和旋转环的左右间隙相等,考虑到旋转轮壳具有一定的升力,调节时上间隙应大于下间隙,调节后将密实工作密封位置放在密封位置进行维修。5)检查端面上部密封。安装工作密封垫后,应将供水管与密封润滑表面连接,检查聚氨酯橡胶单元供水后按工作压力应在密封层上下柔性,水升压不应超过0.1MPa,并用塞子检查橡胶单元与耐磨环之间的间隙记录。6) 安装纤维编织盘和环。电站盘根径向密封仅为4圈,安装盘根时,每圈应单独安装,安装时在盘根上施加少量二硫化物。为了确保托盘根密封的润滑水入口平稳,并且每个纤维环的托盘根均匀轴向压缩,在安装托盘根和环的过程中,应通过测量托盘根与工作密封端面之间的距离来控制托盘根与润滑水入口中心的对齐。安装前应对圆形进行成组检查,测量圆形的内径和圆形密度,检查圆形环应无裂纹变形,现场安装后,用尺测量圆形环内侧与旋转环之间的间隙,圆形环周围的间隙应大于1mm。

3水轮机部件及密封结构对机组稳定性的影响

3.1 分析涡轮机对稳定性的影响

水轮机的连接器连接到水轮机的水传导机构的控制环,可以根据流量和负载的位置调整水传导机构的开口尺寸。作为供水机构的重要组成部分,其主要功能有两个方面:(1)切换铲运机的运动,控制机组的流量,最终打开和停止机组,或增加或减少负荷;(2)在关闭状态下关闭涡轮水龙头,并在关闭的运动叶片上施加足够的压力,使涡轮叶片能够安全可靠地锁定在关闭位置。上述功能的实现取决于涡轮连接的结构特性。目前,许多发电厂在设计涡轮连接时使用无平衡杆设计。这种连接器的气缸盖的后盖直接覆盖在活塞杆和活塞杆的连接结构上方,从而产生一种结构,其中一侧的载荷面积是活塞杆和活塞杆的面积之和,而另一侧的载荷面积仅仅是活塞的面积。这种结构在一侧比另一侧产生更大的力,因此存在一定程度的缺点,随着机组工作时间的延长,中继器组件的长期单向负荷容易疲劳和磨损,特别是对于开关工作时,中继器油压容易出现安全问题。

3.2 分析旋转阀板和密封结构对稳定性的影响

液压水轮机的大小对机组的安全运行和稳定性有很大的影响。目前,水力发电机组通常在上盖或孔上安装均匀的管道,以减轻车轮的压力,并将压力释放到回水中,从而减小车轮和盖之间的空腔中的水压,以降低水的拉力。虽然这种设计方法可以解决牵引力过大的问题,但缺点是通过停止泄漏直接去除大量的水泄漏,这不仅导致涡轮机体积损失大,体积效率较低,而且浪费水资源。水可以通过上盖抽取,即安装在混合动力涡轮机的上盖上,盖和转子之间的腔室中的水不能作为机组的技术供水源,同时减少了水的牵引力,避免了资源的浪费,降低了发电厂的运行成本。泵板和密封结构在上盖收集水的方法中起着至关重要的作用,一方面可以大大降低水的轴向推力,另一方面也可以实现项目的稳定收集水,这对提高机组的整体稳定性具有明显的优势。

结束语

1）中高水头混流水水轮机上冠增设转轮泵对提高主轴密封真空度、减少泄漏量具有显著效果。2）斜置转轮泵动泵叶（45°＞30°＞径向）或减少泵盖高度比，均有利于提高主轴密封真空度，但对其工作效率较为不利。建议通过改变泵盖出口位置或开设泄水孔的措施以解决因泵盖上移所产生的不利影响，这需根据实际工程来确定，就该电站而言，建议将泵盖出口设置在泵盖环板外侧。

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