甘肃电投炳灵水电开发有限则责任公司
摘要：灯泡贯流式水轮机主轴密封漏水大、安全运行时间短的问题在业内已比较普遍，本文对河口水电站灯泡贯流式水轮机主轴密封漏水大、安全运行时间短的原因，从几个方面进行了深入分析，提出了几点改进的方法，对其产生的效果也进行了分析。
关键词：灯泡贯流；主轴密封；GFO编织盘根；抗磨环
一、电站概述及选题背景
河口水电站位于兰州市西郊黄河干流上的一座中型水电站，距上游八盘峡水电站8km，距下游柴家峡水电站约10km，距兰州市区约45km。电站装机容量74MW，装有4台单机容量为18.5MW、转轮直径为720cm的灯泡式贯流式水轮发电机组。
河口水电站首台机组与2010年12月份正式投产发电，自首台机组试运行之日起漏水量就比较大，并且随着运行时间的变长漏水量也越来越大，由于漏水量较大，旋转的主轴将一部分水直接甩至主轴密封壳体外部，甩出外部的一部分水甩至上游侧水导轴承下端盖处，少部分水从主轴与水导轴承下端盖之间的缝隙进入水导轴承内，漏水量急剧变大时位于水导轴承底部扇形支架上的一个排水孔不能满足排放要求，导致扇形支架与导流锥形成的凹槽内的水位持续上升，水位上升至一定高度时，水流通过水导轴承端盖与主轴之间的缝隙直接灌入水导轴承内部，然后经水导轴承排油管将水排至轴承低位油箱，导致低位油箱内的油质变差，加上汛期河水中的含沙量较高，给轴承润滑油泵的运行带来了安全隐患，更给机组各轴承的运行带来了烧瓦的风险。由于上述原因，迫使各机组每运行六个月必须要对主轴密封进行一次解体检修，检修工期一般为10个工作日，不仅消耗了电站大量的人力、物力，而且直接增加了弃水量，严重影响了电站的经济效益。
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图一 主轴密封结构
二、问题及原因分析
通过解体检查主轴密封发现如下问题：
〈一〉转动支架（图二）磨损很严重，磨损部位的宽度约为10mm，最深处约为5mm。
〈二〉抗磨环磨（图三）损很严重，磨损部位的宽度约为20-30mm,最深处约为7mm。
〈三〉第一道密封（赛斯德尔）磨损较严重，磨损量最深处约为3mm。
〈四〉第二、三道密封（L型密封）也存在磨损情况，磨损量最深处约为2mm。
〈五〉第四道密封（橡胶平板密封）的磨损也非常严重，磨损最深处约为10mm，基本磨通。
鉴于此，炳灵公司与主机厂、安装单位有关技术人员进行了现场检查测量，并经过长时间的深入讨论、研究，最终对出现以上问题的原因达成一致：
〈一〉转动支架与导流锥之间的间隙不够均匀，设计图纸要求间隙值应在1.5-2.0mm范围内，但经过现场测量发现，间隙值最小处约为0.98mm，间隙值最大处为约2.47mm,间隙很不均匀，严重偏离了设计规定的对间隙值要求，因此机组在运行时转动支架、赛斯德尔密封、两道L型密封在各坐标上的受力严重不均匀，导致产生了较大的磨损量。
〈二〉抗磨环与橡胶平板密封之间的间隙值严重偏小，设计要求间隙保持在0.5-1.0mm之间,通过调整压盖把合法兰与密封环之间的7.5-8.0mm间隙值（与主机厂技术人员测算得出）来实现，由于压盖把合法兰与密封环之间的间隙值在设计图纸上未标明，因此在机组首次安装的时候压盖把合法兰与密封环之间是按常规法兰进行了把合，使抗磨环与平板密封之间的间隙值为零，造成抗磨环对平板密封的压力严重偏大，最终导致了平板密封的快速磨损，也对抗磨环本体造成了严重的磨损。
〈三〉由于抗磨环与压盖为整圆焊接结构，导致抗磨环的更换只能在机组A级检修时拆除转轮之后才能进行，因此在4-6年的A修周期内即使对主轴密封检修了若干次，被磨损的抗磨环始终无法更换，使抗磨环的磨损量一直在加剧。
〈四〉赛斯德尔密封件的材质偏硬，以及转动支架不锈钢材质的工作面抗磨性能低，由于转动支架的主要磨损部位位于赛斯德尔（图四）密封环处，而且磨损量比赛斯德尔本体的磨损量要大，因此认为赛斯德尔密封件的材质偏硬、弹性不足，转动支架工作面抗磨性能不足，加剧了转动支架和赛斯德尔密封的磨损。
〈五〉黄河河口水电站断面常年平均含沙量较高,达到1.97kg/m3，每年5至10月份汛期的多年平均含沙量更是达到3.89kg/m3，高含沙量的河水直接加快了对主轴密封各部件的磨损。
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图二 转动支架磨损情况 图三 抗磨环磨损情况
三、改进方法
经过对乌金峡水电站等在运行灯泡贯流式机组主轴密封工作情况的调查研究，以及对相关金属喷涂厂家的咨询，与主机厂、安装单位相关技术人员分析研究，公司决定从以下几个方面实施改进：
〈一〉调整转动支架与导流锥之间的间隙值，由于转动支架与主轴法兰之间把合面存在止口，所以必须要通过导流锥的调整来保证转动支架与导流锥之间的间隙值在设计图纸要求的1.5-2.0mm范围内，使转动支架与各密封之间的受力比较均匀，延缓了转动支架和各密封件的磨损速度。由于导流锥与前锥体把合面未设置定位销，因此间隙调整合适之后在±Y、±X四个方向利用定位块进行焊接定位，以免机组在运行过程中受振动等因素的影响产生位移。
〈二〉将主轴密封第一道赛斯德尔硬质密封环改换为GFO纤维编织盘根（图五）密封，GFO密封件具有材料软、耐磨性强、使用寿命长、不会硬化、拆装方便等优点，对转动支架的磨损量会比较小。
〈三〉将橡胶平板密封与抗磨环之间的间隙值调整在0.5-1mm范围内，结合润滑水水压的作用使橡胶平板密封与抗磨环之间的压力处于最佳状态，这样既能保证平板密封的磨损量保持在正常范围内，也能避免抗磨环磨损过快。
〈四〉委托金属喷涂技术企业对转动支架工作面进行厚度为0.3mm碳化钨高抗磨性材料喷涂，提高转动支架的抗磨性，可以延缓转动支架的磨损速度。喷涂工艺流程为：检查测量和记录→机加工（转动支架工作面单边车削 0.3mm,保留原有公差）→金属活化→喷涂→封孔剂涂刷→磨削抛光。
图四 赛斯德尔密封环 图五 GFO纤维编制盘根
〈五〉为了防止主轴密封漏水量急剧变大而轴承低位油箱进水的风险，从以下两个方面采取了处理措施：一是水导轴承下游端盖与主轴密封水箱之间的大轴上制作安装一套挡水环，分两瓣加工制作，分半面和与大轴的接触部位用0.5mm厚的橡胶皮做密封；二是在水导轴承底部扇形板支架上对称的钻了2个内径为60mm的排水孔，两孔分别位于原排水孔两侧，两孔圆心和原有的排水孔圆心处在同一个圆上（即三孔圆心与机组轴线的垂直距离相等）。
〈六〉为了在检修主轴密封时可以单独更换抗磨环，为了彻底解决更换抗磨环的同时必须更换压盖的问题，经和主机厂协商决定，重新设计压盖和抗磨环，即将原来整圆一体结构的压盖和抗磨环设计为独立分两瓣结构，这样可以不经过拆除转轮和导流锥就可以更换抗磨环，也可以拆除压盖，不仅增强了主轴密封检修后的封水效果，也延长了主轴密封的安全运行时间。
四、效益分析
按照上述方法实施改进之后的效果很显著，主要如下：
〈一〉延长了主轴密封的检修周期，由改造之前的6个月延长至目前的至少12个月，有的主轴密封可以安全运行18个月。
〈二〉延长了转动支架的更换周期，改造之前需要6个月更换一次，而目前至少可以运行一年，每年每台机组至少节省了10天主轴密封检修时间。
〈三〉延长了抗磨环的更换周期，改造之前需要6个月更换一次，目前至少可以运行一年。
〈四〉节省了更换压盖所需的费用，改进之前每年需要更换两次，目前完全不需要更换压盖。
根据综上所述，实施改进之后每台机组每年比之前多发电量300余万千瓦时，电站每年的发电量增加了1200余万千瓦时，按照0.2724元/千瓦时的上网电价计算，为电站每年创造经济效益327万余元；每台机组每年的检修费用和备品备件的费用至少减少了20余万元，电站每年的检修费用和备品备件的费用减少了80余万元。综合以上经济效益，本次改进工作的实施，每年共计为炳灵公司增加经济效益407万余元，更重要的是从根本上消除了轴承低位油箱进水引起油质恶化、轴承烧瓦的事故隐患，节省了花较多资金更换润滑油的费用。在保障电站安全稳定运行的同时，给炳灵公司带来了较大的效益。
五、推广应用
实践证明，针对河口水电站灯泡贯流式水轮机主轴密封漏水问题的改进是可行的，也确实创造了可观的效益，值得在行业内推广应用。
参考资料：
[1]炳灵水电站水轮发电机组设计图纸及说明书
[2]河口水电站水轮发电机组设计图纸及说明书
[3]炳灵水电站水轮发电机组运行维护说明书
[4]河口水电站水轮发电机组运行维护说明书