水轮机主轴密封冒烟原因分析及对策

水轮机主轴密封冒烟原因分析及对策水轮机主轴密封冒烟原因分析及对策 1 基本情况 青溪水电厂是低水头径流式水电厂 装机容量 4 36 MW 最大工作水头 25 m 最小工作水头 10 m 设计水头 20 5 m 水轮机型号为 ZZ500 LH 500 额定流量 209 1 m3 s 额定转速 125 r min 水轮机安 装高程 45 00 m 下游最低发电水位 48 51 m 水轮机主轴密封分为停机状态密封 俗称检修密封 和运行 状态密封 俗称工作密封 两种 其中检修密封为橡胶围带式结构 工作密封为橡胶活塞式结构 工作密封 面高程 46 867 m 其结构如图 1 所示 图 1 水轮机主轴密封结构 2 水轮机主轴密封的作用及工作过程 当机组处于静止状态时 工作密封活塞下腔是无压的 活塞在活塞座内靠自重沿定位销自由下落到 底部 而围带此时已接通 0 6 0 7 MPa 的压缩空气 其非约束部分受压鼓起 与密封环紧密接触 从而 阻断尾水窜入水轮机顶盖的通道 起到密封作用 开机时 为避免围带与主轴的磨擦 在机组启动前 开机继电器就使围带排气卸压 同时 为防止 围带卸压后尾水大量窜入顶盖 开机继电器还使 0 059 MPa 压力的清洁水通入密封活塞下腔 使密封活 塞克服重力上升到顶端 阻断窜水通道 起到密封作用 停机时 当主轴完全静止后 停机继电器使围带通入压缩空气 并关闭密封活塞下腔的压力水 密 封活塞自由落下 3 故障现象 青溪水电厂 3 号机组自投产以来 已累计运行了 28 000 多小时 但在 2000 年 9 月下旬以来 曾多 次出现下述情况 机组开机时 水轮机在开始运转的几分钟内 水车室内浓烟滚滚 且橡胶焦臭味非常 浓烈 待机组运转一段时间后 浓烟才被机组旋转的气流渐渐吹散 一切又都恢复正常 4 原因分析 水车室内除电气设备 元件外 其余都是机械构件以及为数极少的橡胶密封材料 如盘根 围带和密 封活塞 在排除电气设备 元件故障的可能后 能在发热后冒烟并散发橡胶焦臭味的就只能是这些橡胶 制品 然而 这些作为水轮机密封用的橡胶密封制品全都安装在水下 就连工作密封活塞 也长期浸泡在 水轮机顶盖的积水中 可想而知 这些浸泡在水中的橡胶密封即使与金属物体发生运动磨擦 也不可能 发热冒烟 换句话说 这些橡胶密封如果发热冒烟 一定存在干性或临界干性的运动磨擦 就青溪水电厂机组的情况来说 在水轮机各种密封装置中 存在磨擦运动可能的只有检修密封和工 作密封两种 前者有 3 种情况可能发生运动磨擦 a 开机时围带尚未排气卸压 机组就运转起来 b 停机时机组尚未静止 围带就被充入压缩空气 c 机组停机期间 由于导水叶漏水过大 机组自转 对于 检修密封来说 无论发生哪一种运动磨擦 其磨擦面始终浸泡在水中 其结果虽然会损坏围带 却不可 能因此产生浓烟 对于后者 它虽然被固定在活塞座里 只能作上下运动 不能作圆周运动和径向运动 但是 转动环却是随主轴一起转动的 显然 密封活塞存在运动磨擦 但密封活塞是靠清洁水流作为 其磨擦面的润滑介质的 因此必须对密封活塞的工况作进一步剖析 图 2 密封活塞及其装配图 密封活塞安装在活塞座里 如图 2 所示 活塞座中均布 4 根 12 mm 的定位销 A3 限制活塞只能作 上下运动 活塞行程为 5 mm 不能作环向运动和径向运动 在活塞上下端面之间有 8 个均布的 4 mm 通流孔 当活塞下腔无压时 活塞能靠自重落到底部 当 活塞下腔通入压力水后 活塞在水压作用下上升到顶端 在顶起活塞的同时 水流经通流孔流到活塞上 端 当活塞与转动环接触后 接触面之间就产生了流动的水膜 这时如果机组开始运转 转动环与活塞 的磨擦实质上就是与流动水膜的磨擦 流动水膜不仅保护了密封活塞 还将磨擦引起的热量带走 但在密封活塞的工作过程中 也可能出现下面几种情况 1 开机时 由于其它方面的原因使压力水不能通入活塞下腔 活塞不能顶起 但这时其上端面与转动环 之间保持着 5 mm 的间隙 因此不可能发生运动磨擦 2 开机时活塞顶起后 如果压力水突然中断 活塞失压后将落下 这样也不存在运动磨擦 3 停机时 如果压力水关闭后活塞没有复位 卡在顶起位置 那么在下次开机时 活塞首先被水压顶紧 通流孔被转动环封堵 在磨擦面间就不能产生流动水膜 此时如果机组转动 那么在启动初期将出现 短时的干性磨擦或临界干性磨擦的情况 那么 密封活塞有没有可能卡在顶端呢 为此对密封活塞的受力情况进行分析 如图 3 所示 转动环在某点的速度方向 V 是其作圆周运动的切线方向 其磨擦力 f 的方面与 V 相反 由力学性质可知 密封活塞工作中所受的力除重力 mg 水压力 P 且 P mg 外 还有由磨擦力产生的力 F 且 F f 在 F 的作用下 密封活塞有随转动环转动的趋势 但受到定位销的约束 于是出现密封活 塞与定位销紧紧贴合的结果 由此可见 如果存在定位销倾斜 生锈 或活塞定位销孔变形等不利情况 则密封活塞在机组静止 后就有可能卡在顶端 图 3 密封活塞受力分析 经以上分析 可以认为 青溪水电厂 3 号机组在停机后 由于工作密封活塞没有复位 使得活塞磨 擦面在下次开机的初始阶段不能产生流动水膜 开机时转动环与活塞之间出现干磨擦或临界干磨擦 造成活塞严重发热冒烟 并散发出浓烈的橡胶焦臭味 机组启动后 在机组振动和转轮室水力脉动的交 替作用下 水流才逐渐进入磨擦面 因此当机组运转一段时间后 磨擦面间的水膜才恢复正常 5 防止对策 1 将定位销由 12 mm 增大到 16 mm 且改用不锈钢制作 这样做既增加销钉强度 又避免销钉生锈 长垢 2 在密封活塞的定位孔中增加不锈钢套管 避免销孔受力变形 减小活塞失压后下滑的磨擦力 套管示 意图如图 4 安装时从活塞下腔往上套入 其 4 个锐翼嵌入橡胶内 使套管不致脱落 套管安装后 其 顶端低于活塞磨擦面 5 10 mm 图 4 套管结构示意图 3 将密封活塞上端面的