（机械工程专业论文）广蓄a厂水泵水轮机主轴密封故障原因分析及改造.pdf

摘要 主轴密封是水泵水轮机关键部件之一。广州蓄能水电厂( 简称广蓄) a 厂机 组主轴密封自投产以来频繁发生故障，进行过多次技术改造及各主要参数调整后， 现主轴密封工作仍不可靠，在机组运行过程中随时可能发生突然烧损事故；而且 现有密封结构形式的安装难度较大，在现有各种客观因素的制约下存在较多的不 确定因素，很难保证每一次安装都能取得成功；另外，向国外厂家采购主轴密封 备品价格昂贵，并且采购周期长，采购时间无法控制。 针对以上实际情况，本文对广蓄a 厂水泵水轮机主轴密封的工作原理、结构 形式及损坏原因等方面进行了综合分析，然后采用国际通用结构分析计算软件 a n s y s ，对原、新油盆盖刚度分别进行了有限元计算，结果表明新油盆盖比原油 盆盖有较好的刚度，这对主轴密封良好工作是十分有利的。本文然后对带水腔及 无水腔主轴密封对比分析，对影响无水腔主轴密封工作性能且能现场调整的参数 进行了对比分析，根据计算分析结果，提出技术改造实施方案，以改进主轴密封 在各种工况下进行转换及运行的稳定性及可靠性，来提高广蓄a 厂机组的可用率。 同时为缩短备件采购周期和节省频繁向国外厂家采购主轴密封备品的巨额资金， 本文对主轴密封主要易损部件国产化的可行性进行了讨论。 关键词：主轴密封；水泵水轮机；刚度；带水腔；无水腔 a b s t r a c t m a i ns h a f ts e a li so n eo ft h ev i t a lp a r t so ft h ep u m pt u r b i n e t h em a i ns h a f ts e a l u s e di nt h eu n i t so fp l a n tao fg u a n g z h u op u m p e ds t t o r a g ep o w e r s t a t i o n ( g p s p s ) h a v ef r e q u e n t l yc o n k e ds i n c ei tp u ti n t oo p e r a t i o na l t h o u g h m u l t i p l et i m e so ft e c h n o l o g i c a lr e n o v a t i o n sa n dm a i np a r a m e t e r sa d j u s t m e n t st o o k p l a c e ，n o to n l yi st h ee x i s t i n gm a i ns h a f ts e a ls t i l ln o ti nt h er e l i a b l ec o n d i t i o n ，w i t ha h u g ep o s s i b i l i t yt ob eb u r n e dt oad a m a g e ，b u ta l s oi ti sh a r dt og u a r a n t e et h a tt h es e a l c o u l db ee r e c t e ds u c c e s s f u l l ye a c ht i m es i n c et h ee x i s t i n gs e a ls t r u c t u r a lf o r mi sm o r e d i f f i c u l tt oe r e c to nt h ec o n d i t i o nt h a ti ti ss u b j e c t e dt oav a r i e t yo fo b j e c t i v ef a c t o r s t h a tm a y b r i n ga b o u tl o t so fu n c e r t a i nf a c t o r s i na d d i t i o n ，t h ep r i c eo ft h es p a r ep a r t s o ft h em a i ns h a f ts e a lm a d ei nf o r e i g nc o u n t r yi sm o r ee x p e n s i v e ，a n dt h ep u r c h a s i n g p e r i o dm a yb et o ol o n ga n dt h et i m ei sd i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 a i m i n ga tt h ea b o v ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h ea r t i c l ep e r f o r m e dac o m p r e h e n s i v e a n a l y s i st ot h em a i ns h a f ts e a lo ft h ep u m pt u r b i n ei nt h ep l a n tao fg p s p sa sr e g a r d t h e p r i n c i p l e o fw o r k ，s t r u c t u r a lf o r ma n d d a m a g er e a s o n ，a n dt h e n m a d e f i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s p e c t i v e l yt ot h er i g i d i t yo fb o t ht h eo r i g i n a la n dt h en e w o i l - b a s i nc o v e rb yt h ec o m p u t i n gs o f t w a r ef o rs t r u c t u r a la n a l y s i s i ti sp r o v e dt h a tt h e n e wo i l b a s i nc o v e rh a sab e t t e rr i g i d i t yt h a nt h eo r i g i n a l o n e ，t h a tt u r no u tt ob e f a v o r a b l ef o rt h ew e l l p e r f o r m i n go ft h em a i ns h a f ts e a l f i n a l l y , t h ea r t i c l et o o ka c o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt h em a i ns h a f ts e a lw i t hw a t e rc a v i t ya n dt h em a i ns h a f t s e a lw i t h o u tw a t e rc a v i t y , b e t w e e nt h e p a r a m e t e r s o ft h a t m a yi n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h em a i ns h a f ts e a lw i t h o u tw a t e rc a v i t ya n dc o u l db ea d j u s t e di ns i t e ， a n dp u tf o r w a r dt h es c h e m ef o rt e c h n o l o g i c a lr e n o v a t i o ni na c c o r d a n c ew i t ht h e c o m p u t e da n da n a l y z e dr e s u l tt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em a i ns h a f t s e a le x c h a n g e da n do p e r a t e di na l ls o r t so fm o d e s ，s oa st oa d v a n c et h ea v a i l a b i l i t y f a c t o ro ft h eu n i t si nt h ep l a n tao fg p s p s i nt h em e a nt i m e t h ea r t i c l eh o l d sa d i s c u s s i o no nt h ef e a s i b l et h a tt h em a i ns h a f ts e a lm a k ei nd o m e s t i cm i l lt or e d u c et h e p u r c h a s i n gp e r i o da n de c o n o m i z et h es p a r ep a r t se x p e n s e s k e y w o r d s ：m a i ns h a f ts e a l ；p u m pt u r b i n e ；r i g i d i t y ；w i t hw a t e rc a v i t y ； w i t h o u tw a t e rc a v i t y i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：京f 亚吱式 日期：2 c 名年胡日 i 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 酌；保密。 学位论文全文电子版提交后： 留同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) i7 ，、 作者签名：商f 曼、斌 日期：2 c 彩、2 。 艚捌稚各班处 醐：“叫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 主轴密封对广蓄电厂及电网安全、稳定运行的重要性 主轴密封是水泵水轮机关键部件之一，其能否安全、稳定、可靠的运行直接 影响抽水蓄能机组的可用率。抽水蓄能电站不受自然来水限制，不仅具有调峰效 益，更重要的是容量效益，特别是调频、调相、事故备用等动态功能，对提高电 能质量、保证电网安全、经济运行，有着不可替代的重要作用，是电网经济有效 的调控手段，这是常规电站所不及的川。 自从世界上第一座抽水蓄能电站建成以来，已有1 0 0 多年了。近2 0 年来， 抽水蓄能电站朝着大机组、高水头、大容量方向发展。我国水能资源丰富，但地 区分布极不均衡。为解决电网调峰问题。我国从6 0 年代开始研究开发抽水蓄能电 站。自1 9 7 8 年以来，随着国民经济的持续稳定发展，全国电力负荷增长很快， 峰谷差不断加大，缺乏调峰电源的矛盾日益突出，抽水蓄能电站的建设和规划选 点工作步伐大大加快。此后。高水头、大容量抽水蓄能电站的建设也提上了议事 日程。我国的台湾省明湖抽水蓄能电站、广州蓄能水电厂( 简称广蓄) 、以及北京 十三陵、浙江天荒坪，西藏羊卓雍湖等抽水蓄能电站相继投产。“七五”年平均装 机1 0 2 0 万k w ，“八五”年平均装机1 5 8 0 万k w ，“九五”年平均装机1 9 8 0 万k w ， 2 0 0 1 年全国电网装机容量达3 3 8 0 0 万k w ，年发电量达1 4 7 8 0 亿k w h ，总装机容 量和发电量都居世界第二位【2 l ，随着三峡工程等一系列新增发电设备的陆续入网， 特别是西电东送工程的启动，我国的发电量将进一步增加，电网将进一步增强 每年要新增装机容量2 0 0 0 万k w 3 l 【4 l 。我国电网的发展壮大，电网调峰填谷问题 显得尤为突出，随着西电东送规模的扩大，广东电网可调峰水电包括抽水蓄能电 站在内，占电网总容量仅为3 7 ，与欧美国家电网抽水蓄能占有比重超过1 0 相比，还有很大差距【5 1 6 1 。 广州蓄能水电厂便是为满足广东电网调峰填谷、事故备用的要求，与大亚湾 核电配套建设的纯抽水蓄能电站，位于广州市东北方向的从化市吕田镇，距广州 的直线距离约9 0k m 。电站总装机规模为8 台3 0 0 m w 机组，电厂分两期建设。a 厂工程( a 厂) 装机规模为4x3 0 0 m w ，于1 9 9 4 年3 月并网发电：b 厂工程( b 厂) 的装机规模为4x3 0 0m w ，已于2 0 0 0 年3 月全部建成投产。电站主要承担 南方电网及香港九龙、新界电网的调峰、填谷、调相、事故备用负荷，并保证西 华南理工大学硕士学位论文 电东送及核电站的安全、稳定、经济运行【7 1 。 广蓄a 厂水泵水轮机为混流可逆式，由法国n e y r p i e 公司( 现属法国a l s t o m 公司) 制造，额定转速5 0 0 r m i n ，机组吸出高度为负7 0 m ，电站最大毛水头为 5 4 1 8 m ，最小毛水头为5 0 9 6 m 。为适应较大的机组吸出高度和较快的密封表面速 度，主轴密封采用平衡式流体静压轴向双端面机械密封，密封主要工作面为碳精 环及不锈钢抗磨板，其能否可靠、稳定运行直接影响机组的可用率。 广蓄a 厂机组主轴密封自投产以来频繁发生故障，进行过多次技术改造及各 主要参数调整后，现主轴密封工作仍不可靠，在机组运行过程中随时可能发生突 然烧损事故，很难达到其安全运行1 6 0 0 0 小时的设计工作寿命：现有密封结构形 式的安装难度较大，在现有各种客观因素的制约下存在较多的不确定因素，很难 保证每一次安装都能取得成功；另外，向国外厂家采购主轴密封备品价格昂贵， 并且采购周期长，采购时间无法控制。主轴密封频繁故障问题严重影响了a 厂机 组的安全稳定运行。 1 2 水泵水轮机主轴密封研究的现状和工程价值 主轴密封是水泵水轮机设计和制造的关键技术之一。水轮机主轴密封可分为 轴向式和径向式，常规水轮机主轴密封一般采用轴向平面密封，高水头水泵水轮 机一般也采用这种密封，国内抽水蓄能电站也有采用径向或斜向密封的型式。国 内外各生产厂家根据各自的生产及运行经验，一般采用的密封型式有所不同，如 东芝，日立、三菱等日本公司设计的水泵水轮机大多采用径向式主轴密封，而德 国伏伊特、西门子、法国阿而斯通等公司多采用轴向式主轴密封。 近年来建设投入运行的大型抽水蓄能电站共同的特点是上下水库落差大，水 头高，机组吸出高度也越来越大，厂房在地面以下较深，高落差、高速化，特别 是主轴水密封等部件要承受高压，确保滑动部分部件的可靠性就显得尤为重要， 这是因为这些部件一旦出现了故障，为查找故障原因、更换或者修理部件，就需 要进行大量的拆装工程，同时长期停机将蒙受巨大的时间上和经济上的损失；另 外，由于抽水蓄能机组运行工况复杂，启动频繁，因此对主轴密封的设计和制造 提出了更高的要求，要求其在水泵水轮机各种运行工况下运行稳定、可靠并且便 于维修，主轴密封出现故障可能导致水淹厂房。 水泵水轮机主轴密封的技术难度一般随工作压力和线速度的增加而增加，目 2 第一章绪论 前国际各设计、生产厂家对于高速、高压力的主轴密封选用抗磨、硬度高的碳精 材料，根据各自经验对于低速的主轴密封正研究采用树脂等各种高分子复合材料， 以增加其抗震性能。 以东芝、日立及三菱为代表的日本水轮发电机组生产厂家，不断依靠先进独 立的技术开发不断她满足了不同时代的需求。日立依赖于独立的技术开发制造出 了日本国内首台水泵水轮机( 大森川电站，1 9 5 9 年) ，以此为开端又持续完成并 向用户交货了世界首台超5 0 0 m 级水泵水轮机( 沼原电站，1 9 7 3 年) ，以及近期 的7 0 0 m - - 4 0 0 m w 级( 葛野川电站，1 9 9 9 年) 等机组。虽然这些机组的参数大大 地超出了以往的业绩但是却具备了高可靠性和高性能两方面优点，能够稳定持久 地运行。日本公司在高落差、高速化的发展历史中，反复进行了各种部件的试验， 特别是在历来业绩中产生飞跃的葛野川抽水蓄能电站，超高落差水泵水轮机( 设 计水压1 2 0 0 m ) 的开发中，对主要部件进行了实物大小的部件试验，确认其在苛 刻的运行条件下能够长时间稳定运行，葛野川水泵水轮机自1 9 9 9 年运行至今，未 出现过一次故障停机，非常稳定地连续运行着。葛野川水泵水轮机主轴水密封装 置，2 级碳、l 级树脂式径向密封方式，稳态运行时线速度大于3 0 m s ，密封水 压大于1 2 m p a t ”。 虽然在欧洲水力发电已经接近夕阳产业，但西门子、a l s t o m 等公司仍不断的 进行革新和改进，拓展国际市场。根据各自经验不断研究主轴密封等水泵水轮机 关键部件的结构、材料等。根据a l s t o m 公司经验，主轴密封线速度大于3 0 m s 则采用碳精作为抗磨的密封材料，小于3 0 m s 可考虑采用高分子复合材料。 广蓄a 厂水泵水轮机主轴密封频繁故障问题严重影响了机组的安全稳定运 行。因此对主轴密封进行工作原理、结构形式、主要部件受力情况、密封材料等 方面进行综合分析，提出技术改造实旋方案，改进主轴密封在各种工况下迸行转 换及运行的稳定性及可靠性，可提高广蓄a 厂机组可用率，同时节省频繁向国外 厂家采购主轴密封备品的巨额资金及缩短备件采购周期。本文同时将对主轴密封 主要易损部件国产化的可行性进行讨论。 1 3 本文研究的主要问题 根据广蓄a 厂机组各工况运行及工况闻转换的规律，结合自机组投产以来 的损坏事故情况及改造经验，对主轴密封结构、工作原理及损坏原因进行分析； 3 华南理工大学硕士学位论文 对主轴密封主要部件的受力情况进行计算，分析主要部件的弹性变形情况： 分析各主要相关参数对主轴密封运行的影响： 提出改造的具体方案： 对主轴密封易损件国产化的可行性进行调研。 4 第二章主轴密封工作原理及损坏原因分析 第二章主轴密封工作原理及损坏原因分析 2 1 主轴密封工作结构及工作原理 2 1 1 主轴密封的运行条件 广蓄a 厂机组为竖轴、单级、混流可逆式，主轴有三个径向导轴承，一个推 力轴承，其中推力轴承布置于水轮机顶盖上，水泵水轮机的拆装采用下拆方式。 电站设计水头为5 1 4 m ，水轮机淹没深度为7 0 m ，设计转速为5 0 0 r m i n ，最高飞 逸转速为7 2 5 r m i n ，大轴直径为1 0 0 0 m m ，机组在额定转速下主轴密封平均半径 处的切向线速度高达4 4 0 9 m s 。 机组设计主要运行工况有发电、抽水、发电调相、抽水调相、停机等五种工 况，有停机一发电一停机、停机一发电一发电调相( 一发电) 一停机、停机一抽 水调相一停机、停机一抽水调相一抽水一停机等工况转换。作为日调节型的抽水 蓄能机组，机组工况转换频繁，主轴密封每天均要承受多种工况的转换，在主轴 密封处形成了复杂的水力条件。特别在转轮室回水排气阶段，机组会首先下沉 t o l 1 ，活动环无法及时从动，使碳精环与抗磨环出现间隙，油盆盖上翘，抗磨环 与碳精环内环接触，将碳精环内环磨低， 破坏【9 1 。针对蓄能机组的以上运行特点， 最终导致内环流量过大，外环水膜遭到 主轴密封必须在机组正常运行及各种工 况转换的短时间内可靠、稳定运行，要求主轴密封具有高耐磨性和抗冲击性1 2 1 1 13 1 。 2 1 2 主轴密封结构 活动环 水导轴承 水导油盆 水轮机主轴 图2 1 主轴密封结构 f i g u r e 2 1 m a i ns h a f ts e a ls t r u c t u r e 5 供水管 固定环 碳精密封 抗磨环 华南理工大学硕士学位论文 广蓄a 厂主轴密封是安装在水导油盆盖上，主轴密封的形式是采用平衡式流 体静压轴向双端面机械密封。其结构如图2 1 所示。主要由活动环，固定环，碳 精密封环，抗磨环，弹簧平衡装置，供水管路等部件构成。其中，碳精环是由4 2 颗m 1 2 内六角螺栓固定在活动环底面上，可以随活动环一起上下移动。抗磨环则 是由4 4 颗m 1 2 内六角螺栓固定在水导轴承旋转油盆盖上，并随水导油盆一起运 转。活动环通过六根导向螺杆和弹簧连接到固定环上，由弹簧、导向螺杆和压紧 螺帽构成平衡装置对活动环有向下压紧的作用，同时活动环可以在轴向一定范围 内自由平衡【l ，这种结构有利于主轴密封环和抗磨环之间在径向接触面的紧密结 合 1 5 1 。碳精环采用碳精镶嵌结构，接触面为碳精材料( m y i o k ) ，基体为不锈钢 材料( 法国牌号z 2 0 c 1 3 中国牌号2 c r l 3 ) 。抗磨环材料成分亦为不锈钢材料( 法 国牌号z 5 c n l 6 0 3 中国牌号0 c r l 6 n i 3 ) 。 2 1 3 主轴密封工作原理 图2 2 主轴密封结构 f i g u r e 2 2 m a i ns h a f ts e a ls t r u c t u r e 主轴密封的原理相当于一个静压轴承，从主轴密封供水管来的水具有1 5 b a r 左右的压力，尾水压力为7 1 2 b a r 之间。主轴密封供水腔的水压及密封水压使活 动环向上浮起，碳精环和抗磨环滑动面间隙增大，密封供水流进碳精内外环与抗 磨环之间的间隙，流进碳精密封内环的水将自漫过碳精密封的上部，通过顶盖上 的碳精密封排水管将水排至集水廊道；流进外环的水则与尾水相抵，压入尾水管 内。这类型的主轴密封的密封供水主要起润滑和冷却的作用，不论机组在停机或 6 第二章主轴密封工作原理及损坏原因分析 运行状态都需要投入密封供水，并且对水质要求比较高【l6 1 。主轴密封的运行监视 设有碳精温度，密封水压压差及水轮机顶盖水位等保护，其温度保护一级报警数 值为3 8 ，二级跳机温度为4 0 ；密封环供水腔水压与尾水侧水压的压差整定值 为o 0 5 m p a ，延时1 分钟停机。另外，如果机组经过长时间的运行，碳精环被磨 损，则可以通过调节6 个弹簧，以改变碳精环的压紧力，重新设定碳精环与抗磨 环之间的间隙( 见图2 2 ) 。 2 2 主轴密封损坏原因分析 在安装调试和运行初期l 号机连续多次磨损和烧坏碳精密封，碳精环大面积 出现裂纹甚至崩块，抗磨环严重磨损，检查发现密封腔及过滤器滤芯里面遗留有 较大的颗粒杂质及贝壳类微生物。法国a l s t o m ( n e y r p i c ) 公司对故障原因进 行研究后，采取改进措施为：增加5 0 1 a m 离心式过滤装置，换成不锈钢水管；改动 结构尺寸，使下压力与上浮力平衡；控制摩擦面的粗糙度和不平度，使其小于设 计水膜厚度5 0 1 t m ：改换碳精密封材料m y l 0 f 为m y l o k ，使其更耐磨，抗磨环 硬度增加。改进后密封可以正常工作，但是此后仍然出现严重损伤。 根据正式投运后的几次故障可知碳精块损坏现象可归纳：( 1 ) 剧烈损坏时， 先是水膜破坏( 转轮室回水排气或混有异物) 导致碳精块边角损坏小块脱落，三 体磨损导致更大的碳精块边角脱落，水膜完全破坏，碳精块承压宽度变小，上浮 力小于下压力，封水膜更薄，比压更大，进而导致碳精块对抗磨板的犁削。( 2 ) 慢速偏磨，沿周向磨损不对称，封水效果变差。( 3 ) 炭精环损坏后，一般均出现 炭精温度高报警、主轴密封供水与尾水压差变小报警、因主轴密封内环水流量增 大，导致水导轴承油盆内进水出现高油位报警。 从抽水蓄能机组的运行工况、主轴密封结构，工作原理及损坏的现象可初步 分析其损坏的主要原因【1 7 1 1 1 8 1 【9 1 为： ( 1 ) 密封活动环刚性变形，导致活动环随动性变差，甚至出现卡阻现象，导 致出现因密封面水膜遭到破坏而出现炭精环和抗磨板损坏。 ( 2 ) 主轴密封抗磨板基础( 水导油盆盖) 刚性变形，导致密封碳精环外环水 膜破坏，从而外环及抗磨板磨损。 ( 3 ) 密封活动环与固定环间压力腔的密封盘根因损坏、老化及安装质量等问 题，同样出现上面第( 1 ) 条中的密封面损坏问题。 7 华南理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 因炭精环及抗磨板硬度( 抗磨性) 不足、并且碳精材质较脆易出现崩裂 等原因，导致密封面损坏。 以上所述原因主要是主轴密封的结构和材料方面。主轴密封的损坏经常是在 转轮室回水排气阶段，综合油盆盖及活动环刚性变形等原因共同作用下，导致密 封的最终损坏。除此之外，导致主轴密封损坏的原因还可能有： ( 5 ) 密封抗磨板安装精度不够或者因供水的水质问题，导致碳精环和抗磨板 磨损。 ( 6 ) 机组长时间在低速下运行，此时尾水水压低，碳精外环水流量偏大，碳 精内环可能出现水膜过薄而磨损过快，最终导致损坏并出现水导油位过高报警。 2 3 本章小结 本章主要简单介绍了广蓄a 厂水泵水轮机主轴密封的运行条件背景、主轴密 封的结构、工作原理，并结合以往出现的故障现象，分析可能导致主轴密封损坏 的主要原因。抽水蓄能机组运行工况复杂、且工况间转换频繁，特别是在机组调 相结束及水泵工况启动时，转轮室需进行排气回水，此时主轴密封损坏的概率较 高。 主轴密封的损坏一般都是多种原因共同作用的结果，上面列举的原因中第( 5 ) 条和第( 6 ) 条，可通过加强安装精度、改善供水水质和避免机组在低速下长时间 运行来解决。在正常运行时必须保证抗磨板表面和密封环表面的粗糙度与不平度 小于密封水膜厚度( o 0 5 r a m ) 。其它主轴密封的结构和材料方面的原因在以后章 节中将进行详细计算分析，并提出相应的解决方案。 8 第三章主轴密封分析计算 第三章主轴密封分析计算 碳精密封安装在水导旋转油盆盖扳上，这就要求在主轴密封检修安装时要考 虑及兼顾主轴密封整体受力情况、水导油盆盖在主轴密封供水压力作用下的变形 量，安装在水导油盆盖上的抗磨环的波浪度及水平度等。这是一个多变量问题， 很难从数值确定有一个恒量的变化，而且由于蓄能机组具有工况转换多、水力变 化复杂、主轴密封运行条件要求高等一系列不稳定因素，给检修工作带有极大的 困难，能否一次性安装调试成功，往往带有极大的偶然性。因此安装过程中如何 把握好水导油盆盖的弹性变形量尤为关键，可以适当垫高抗磨环内侧或磨低碳精 外环来补偿油盆盖的变形。由于每台机组的情况不同，因此参数的调整往往参照 以往经验数据来确定，有的机组甚至需要经过几次的反复调整才能确定适合的调 整量，碳精环和抗磨板损坏率高且检修时间长，由此影响了广蓄a 厂机组的可用 率并且采购备件的价格昂贵。 针对油盆盖变形问题，与设备生产厂家a l s t o m 公司沟通，a l s t o m 建议 采用其新设计的油盆盖和主轴密封活动环。新、旧油盆盖结构与基本尺寸分别见 图3 1 和图3 2 ，二者的主要变化为：新油盆盖比原油盆盖厚1 8 m m ，挡水环厚度 由原1 0 m m 增大至5 5 r a m ；新油盆盖重约1 4 6 1 7 k g ，与原油盆盖( 重量约为8 3 0 k g ) 相比较重；新油盆盖上的挡水迷宫环由原来的焊接方式改为螺栓把合方式( 由1 2 颗m 1 2 的螺栓把合) 。 更换新油盆盖后，可以对实际运行过程有多少改善? 并且掌握油盆盖的变形 量，对安装工艺、安装精度控制及保证一次安装成功具有重要意义。基于以上考 虑，本章首先应用a l s t o m 公司带水腔轴向平衡式密封计算程序对广蓄a 厂主轴密封进行具体计算，分析主轴密封润滑冷却水供水压力p 2 、机组外环排水 压力p 3 及压力腔水压力p 4 等参数，与主轴密封水膜厚度、碳精环内环流量、外 环流量及总流量的关系，以期找出既能保证密封水膜厚度，又能保持一定的内外 环排水流量的合适供水压力，但是过大的内环排水量可能造成水轮机导轴承迸水， 此问题将在后面第五章中论述。带水腔轴向平衡式密封计算程序是a l s t o m 公司设计水泵水轮机主轴密封的计算软件，在2 0 0 5 年我国组织的合作技术转让 中。转让给东方电机股份有限公司。包括广蓄a 厂在内，近些年由a l s t o m 公 司制造的抽水蓄能电站设备，在设计中均采用了此软件进行计算分析。 9 华南理工大学硕士学位论文 为了对比分析，与东方电机股份有限公司合作，采用国际通用结构分析计算 软件a n s y s ，把油盆与油盆盖作为一个整体，分别对新原油盆盖刚度分别进行了 有限元计算。 针对新油盆盖比较重，为增加可靠性，建议在新旋转油盆上增加油盆及油盆 盖定位销钉，销钉孔沿圆周方向平均分布，其中心圆周线与油盆盖把合螺栓孔中 心圆周线重合。就新旋转油盆及油盆盖增加定位销钉的设想，进行计算分析。 罾 孽 图3 - 1旧油盆盖结构图 f i g u r e 3 - 1o r i g i n a lo i lt a n kc o v e t 图3 - 2 新油盆盖结构图 f i g u r e 3 2 n e wo i lt a n kc o v e r 3 1 技术标准 3 1 1 技术标准 根据a l s t o m 提交的广蓄a 厂水泵水轮机运行维护手册、主轴密封设计图 1 0 第三章主轴密封分析计算 纸等厂家资料及实际运行维护经验，确定主轴密封的技术标准。 3 1 1 1 水膜厚度最小值必须大于o 0 5 m m ，机组越大该值越大。 3 1 1 2 油盆盖最大旋转变形必须小于o 3 1 0 3 t a d ( o 0 1 7 度) ，水膜厚度的最大变 化量小于0 0 i m m 。浮动环与密封支撑之问的间隙必须大于0 i m m 。 3 1 1 3 密封块线速度大于3 0 m s 时，采用碳精块材料。密封块线速度小于3 0 m s 时，可考虑采用超高分子量的复合材料。 3 1 1 4 弹簧设计需满足在密封块和抗磨板之间形成一个o 0 8 m p a 压力的水膜( 考 虑活动环的重量) 。且必须满足当密封块磨损l o m m 后，此处仍有o 0 6 m p a 压力。必须可以承受2 0 m m 的抬机量，与顶部无任何接触，且应力小于8 0 y s 。 3 1 1 5 必须保证p 2 p 3 0 ( 任何情况下必须保证，否则需提高p 5 ) ，p 5 p 3 + 0 0 5 m p a ( 一般取p 5 = ( 2 1 5 ) x ( p 3 + o 0 5 ) ) 。 3 1 1 6 清洁水对密封寿命是最重要的因素，清洁水的等级为1 0 0um 。 3 1 1 7 排水管的设计需满足可以排泄最大流量的1 5 0 ( 当最大流速为2 m s ) ， 广蓄a 厂主轴密封排水管通径d o = l o o m m ，设计排泄最大流量为1 0 4 7 s 。 3 2 水力计算 3 2 1 密封水压计算 密封装置外侧水压( p 3 ) 主要由尾水压力( p d ) 及转轮泄水孔产生的附加水 压力( p 。) 共同作用的结果。 马= 局4 - c 只= 竿( 2 + 3 2 _ 42 ) 1 0 - 6 其中p 为水的密度 1 0 0 0k g m 3 为转轮角速度 r 1 ，r 2 ，r 3 见附图3 3 机组在不同转速时泄水孔产生的附加水压力( p 。) 如表3 - 1 所示： 表3 1泄水孔附加水压力 t a b l e 3 1w a t e rp r e s s u r eo ft h er u n n e rb a l a n c eh o l e s 转速r m i n 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0调相 附加水压l l p a o 0 1 80 0 70 1 6 0 2 9 0 4 50 对广蓄电厂，最小尾水位7 0 m ，最大尾水位1 0 0 m ，则密封装置外侧水压( p 3 ) 华南理工大学硕士学位论文 最小值为o 7 m p a ，最大值为1 4 5 m p a 。以上计算未考虑转轮过速的情况。 3 2 2 密封水膜计算 应用a l s t o m 公司带水腔轴向平衡式密封计算程序对广蓄a 厂主轴密 封进行具体计算，计算结果见表3 2 所示。输入数据如下： 转速：5 0 0r r a i n水密度：1 0 0 0k g m 3动力粘度：o 0 0 1p a s 内腔压力：0m p a外腔压力：o 7 1 4 5m p a 供水压力：1 5m p a弹簧力+ 活动环重量：3 7 2 1 0n 表3 2 主轴密封计算结果( 供水压力1 5 m p a ) t a b l e 3 2m a i ns h a f ts e a lc a l c u l a t i o nr e s u l t ( s u p p l yw a t e rp r e s s u r e1 5 m p a 、 压力水膜厚度流量 p 3 p 2 p 4 t q iq eq t o t ( m p a )( m p a )( m p a )( m m ) ( 胁) ( 1 a )( 1 s ) o 7 0 0 1 3 3 l 1 4 1 60 0 6 24 3 6 83 1 3 67 5 0 4 0 7 3 91 3 2 0 1 4 1 00 0 6 4 4 6 4 93 1 0 2 7 7 5 l 0 7 7 91 3 0 81 4 0 40 0 6 54 9 4 43 0 4 57 9 8 9 o 8 1 81 2 9 71 3 9 90 0 6 75 2 5 82 9 6 38 2 2 l 0 8 5 81 2 8 61 3 9 30 0 6 95 5 9 32 8 5 48 4 4 7 0 8 9 71 2 7 51 3 8 70 0 7 05 9 5 22 7 1 58 6 6 6 o 9 3 71 2 6 31 3 8 20 0 7 26 3 3 9 2 5 4 28 8 8 l 0 9 7 61 2 5 2 1 3 7 6 0 0 7 46 7 5 92 3 3 09 0 9 0 1 0 1 61 2 4 i1 3 7 00 0 7 67 2 1 92 0 7 69 2 9 4 1 0 5 5t 2 2 91 3 6 50 0 7 77 。7 2 4i - 7 7 l9 4 9 4 1 0 9 51 2 1 81 3 5 9 0 0 8 0 8 2 8 31 4 0 79 6 9 0 1 1 3 41 2 0 71 3 5 30 0 8 28 9 0 80 9 7 49 8 8 2 1 1 7 41 1 9 6 1 3 4 8 0 0 8 49 6 1 30 4 5 81 0 0 7 l 1 2 1 31 1 8 41 3 4 20 0 8 71 0 4 1 40 1 5 91 0 2 5 6 1 2 5 31 1 7 31 3 3 70 0 8 91 1 3 3 7 0 9 0 01 0 4 3 7 1 2 9 21 1 6 2 1 3 3 l 0 0 9 31 2 4 1 31 7 9 71 0 6 1 6 1 3 3 21 1 5 lt 3 2 50 0 9 61 3 6 8 52 8 9 3t o 7 9 i 1 3 7 li 1 3 91 3 2 00 1 0 0 1 5 2 1 74 2 5 31 0 9 6 4 1 4 l l1 1 2 81 3 1 4 o 1 0 4 1 7 1 0 1 5 9 6 6 1 1 1 3 4 1 4 5 01 “71 3 0 80 1 0 91 9 4 7 7- 8 1 7 51 1 3 0 2 注：q i 一内环流量q e 一外环流量q t o t 一总流量 1 2 第三章主轴密封分析计算 图3 3 密封水膜计算图 f i g u r e 3 - 3 m a i ns h a f ts e a lw a t e rf i l mc a l c u l a t i o n 1 3 华南理工大学硕士学位论文 3 3 机械计算 3 3 1 作用力分析 o 表3 3 作用力参数 t a b l e 3 3f o r c ep a r a m e t e r 代号数值位置说明 p l1 7 6 2 6 n r 8 5 7 5 弹簧作用力 p 25 1 7 0 nr 8 1 4活动环重力 q 1 4 8 3 4 9 inr 8 5 5 活动环上腔水压作用力( 1 5 m p a ) q 2 2 8 7 8 8 9nr 8 4 8 ，5 活动环下腔水压作用力( 1 5 m p a ) q 3 1 o m p a 油盆外壁 尾水管内水压( 1 0 m p a ) q 4 o 3 m p a油盆内壁 油盆内旋转油压( 0 3 m p a ) 3 3 2 刚强度计算 分别对新原油盆盖在相同条件下，按三种不同工 况进行计算。本计算采用国际通用结构分析计算软件 a n s y s ，并把油盆与油盆盖作为一个整体进行。油盆 与油盆盖之间连接。油盆与主轴法兰之间连接按螺杆 单元处理，即只限制结构的轴向位移，不限制结构的 角位移。新原油盆盖在原始状态下( 不受外界作用力) ， 外形尺寸符合设计图纸及安装精度的要求，可以视为 在自身重量作用下无变形。此次计算主要是对比在不同水压及不同工况下的垂直 1 4 第三章主轴密封分析计算 位移变形量，离心力引起的垂直变形量相对是十分微小的。因此计算中不考虑结 构自身重量及离心力引起的变形。 有限元计算结果见下表3 - 4 、表3 5 及变形图所示。计算结果值均表示为工件 的整体垂直位移值，即表示为转动油盆( b 点) 及油盆盖( a 点) 垂直位移的叠 加。 表3 4 原油盆盖变形计算结果 t a b l e 3 - - 4o r i g i n a lo i lt a n kc o v e rd i s t o r t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t s 工况 a 点b 点 - b 密封水压 尾水压旋转油压 运动状态 i n lm mm i l l m p a m p am p a 静止 1 50 0- 0 1 9 2- 0 0 7 6一o 1 1 6 静止 1 5o 70- 0 0 7 3- 0 0 3 8- 0 0 3 5 5 0 0 r m i n 1 51 oo 3- 0 1 5 6- 0 0 6 2- 0 0 9 4 表3 5 新油盆盖变形计算结果 t a b l e 3 5n e wo i it a n kc o v e rd i s t o r t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t s 工况 a 点 b 点a b 密封水压尾水压旋转油压 运动状态 m mm m m m m p am p am p a 静止 1 5oo- o 1 2 3- 0 0 8 10 0 4 2 静止1 5 0 70 0 0 4 3 0 0 4 10 0 0 2 5 0 0 r r a i n1 5l ，0o 30 0 9 70 0 6 4o 0 3 3 1 5 华南理t 大学硕士学付论文 图3 - 4 原油盆盖结构轴向变形图( 静止、无尾水压、无旋转油压) f i g u r e 3 4o r i g i n a lo i lt a n kc o v e rd i s t o r t i o nf r o ma x i sd i r e c t i o n ( s t a t i c ， w i t h o u tt a i l r a c ew a t e rp r e s s u r e 、 w i t h o u tc j r c u m g y r a t e t i o no i lp r e s s u r e ) 图3 5新油盆盖结构轴向变形图( 静止、无尾水址、无旋转油压) f i g u r e 3 5 n e wo i lt a n kc o v e rd i s t o r t i o nf r o ma x i sd i r e c t i o n ( s t a t i c 、w i t h o u tt a i l r a c ew a t e rp r e s s u r e 、w i t h o u tc j r c u m g y r a t e t i o no i lp r e s s u r e ) 1 6 第三审主轴密封分析计算 图3 - 6 原油盆盖结构轴向变形图( 静止、有尾水压、无旋转油压) f i g u r e 3 6o r i g i n a lo i lt a n kc o v e rd i s t o r t i o nf r o ma x i sd i r e c t i o n ( s t a t i c 、w i t ht a i l r a c ew a t e rp r e s s u r e 、w i t h o u tc i r c u m g y r a t e t i o no i lp r e s s u r e ) 图3 7新油盆盖结构轴向变形图( 静止、有尾水压、无旋转油压) f i g u r e 3 7 n e wo i lt a n kc o v e rd i s t o r t