摘　要：抽水蓄能机组具有高水头、高转速、大容量和较深淹没深度等特点，因而决定了封堵其水轮机转动部分和固定部分间隙漏水的主轴密封的高性能。本文介绍德国Voith公司为广州蓄能B厂设计的采用双端面机械密封型式的主轴密封的结构和工作原理，分析了8号机在试运行期间两次主轴密封烧损的原因并介绍相应的处理方法。
　　关键词：抽水蓄能机组；主轴密封；润滑水膜；内环；外环
　　1　概述
　　广州蓄能B厂装设4台300MW可逆式抽水蓄能机组，其水泵水轮机及其附属设备由德国Voith公司设计和制造。水泵水轮机为立轴、单级、混流可逆式，设计水头535m，额定转速500r/min。因可逆式机组水泵工况的汽蚀系数比水轮机工况要大得多，由水泵工况汽蚀特性决定机组吸出高度-70m，为适应较深的机组淹没深度和较快的密封表面速度，采用双端面机械密封可靠地替代传统密封，在功能、摩擦损失及耐久性方面均显示出较高的性能。
　　2　主轴密封结构和工作原理
　　主轴密封型式为弹簧复位式流体静压平衡径向双端面机械密封，密封材料采用合成耐磨树脂。密封内/外直径为1139/1279，内环尺寸25×15mm环形槽，外环尺寸20×15mm环形槽。供水取自引水压力钢管经减压环管减压，过滤器和水力旋流器双重过滤后由中Ø27mm不锈钢管接通到密封环，通过更换供水管路上Ø10.5mm节流片可调节主轴密封流量。主轴密封润滑水正常供水压力1.1MPa，润滑水流量7.2m³/h。
　　主轴密封紧靠水轮机主轴下法兰端面，在水导轴承下方由内顶盖支撑，作用是有效的阻挡水流从大轴3与内顶盖14之间的间隙上溢，控制机组旋转部分和固定部分的漏水量，防止水导轴承和顶盖被淹。主轴密封由旋转抗磨环、密封环插块、密封环、筒形弹簧、止动板、止动环、支撑环、内顶盖等构成。从其结构简图1我们可以说明其工作原理，旋转抗磨环1直接把合在大轴法兰上与静止密封环5相对（密封环插块2和密封环5由螺钉组合成整体），润滑冷却水从密封环内腔流入内、外环与抗磨环之间的间隙，在内、外环与抗磨环之间建立一层水膜（设计水膜厚度0.03-0.08mm），其作用相当于流体静水压轴承将旋转抗磨环与静止密封环分开，使它们不发生直接磨擦从而减少磨损量，并带走摩擦产生的热量。流经内环的润滑水将自流漫过密封上部，通过Ø114mm排水管排至集水井，流经外环的润滑水与经顶盖压力释放管来自尾水管的尾水相抵水轮机上迷宫环的泄漏水经顶盖压力释放管排至尾水，由于主轴密封水压稍高于尾水压力，起到封水作用。

图1 Voith双端面机械密封结构简图

　　为确保静止密封环5与旋转抗磨环1之间的润滑水膜厚度随着密封运行磨损能保持不变，密封环在筒形弹簧4的作用下可轴向运动，即密封封环5与止动环11之间可相对轴向运动，由止动环限制杆9限制密封的径向运动。密封环和止动环之间的Z大间隙0.4-0.55mm，由橡胶圈6密封。
　　主轴密封设有温度传感器，润滑水流量和压力传感器，密封磨损记录指针，密封Z大可能磨损量14mm，即由止动板7到止动环11之间的距离，实际密封磨损至剩余2mm时必须更换。
　　该主轴密封特点：①借助24个不锈钢筒型弹簧使密封环紧压在抗磨环上，所以在机组停机切断润滑供水的情况下，密封仍可起到封水作用。②密封环轴向可动，因此可以方便地随着静动环之间的轴向移动而动，避免事故抬机造成的损害，对尾水压力脉动较大的水泵水轮机是极大的优点。③密封对过渡过程中轴系统的径向振动没有特别要求。即密封有较强的抗振性。④因Voith公司的这种主轴密封合成耐磨树脂材料在损坏后，不会出现块状裂块，经切削加工密封可继续使用。
　　3　主轴密封烧损经过与原因分析
　　3.1 次烧损经过
　　8号机组投人试运行不久，在发电工况带190MW负荷运行30分钟主轴密封温度即达到40℃，经1小时运行温度居高不下，停机。做主轴密封水压试验，在切断主轴密封供水情况下，密封漏水量偏大。投入供水后密封环与抗磨环之间隔段出水，即一会漏水量大，一会漏水量小，初步判断由于密封磨损量不一样，以致密封面呈波浪形，间隙大小不一，导致漏水量增大。当主轴密封供水流量为40%，压力0.8MPa，密封环顶起量0.01mm，且不均匀；当流量为60%，压力0.82MPa，密封环顶起量0.02mm，判断密封损坏。
　　拆出密封检查，密封内环情况良好，但外环磨损0.35mm，且表面有不同程度结碳，相应抗磨环外环也磨损0.6mm并出现扭曲变形。更换密封环插块和抗磨环，开机将转速升至350rpm，密封工作正常，20分钟后将转速升至500rpm，密封供水压力发生0.3MPa波动，密封温度很快升至35℃，即停机。
　　分析原因为主轴密封供水水力旋流器的排污管连接至密封外环腔，旋流器排污从而使外环腔出现较大压力波动，影响外环水的流动，造成外环水流量过小，引起发热烧损密封。将旋流器排污管改接至上迷宫环间隙测量孔，通过顶盖释放管排至尾水，经处理后，主轴密封运行在31℃，温度仍偏高，但可维持正常运行。
　　3.2 第二次烧损经过
　　2个月后8号机组抽水带333MW负荷运行20分钟密封温度迅速上升至45℃，即停机。停机过程中温度继续上升Z高达53℃，现场检查主轴密封压力仅0.7MPa，顶盖温度约50℃，打开支撑环原水力旋流器排污口，主轴密封外环腔流出热水，水温约50℃。
　　打开主轴密封供水阀，测量主轴密封内环排水量，内环排水量占主轴密封供水量的2/3，供水压力在7abr-10bar之间波动。进一步拆卸检查，主轴密封内环情况良好，外环和旋转抗磨环磨损严重，外环磨去0.35mm，抗磨环磨损3.06mm并扭曲变形，且在大轴与空气围带之间有摩擦痕迹。
　　3.3 烧损原因分析及处理
　　次主轴密封烧损是由于水力旋流器的排污管设计不合理，通过更改排污口得到解决。第二次烧损原因是由于在机组运行中空气围带与大轴的间隙（安装间隙2mm）发生变化，空气围带损坏，水进入围带，并使之膨胀，抱紧大轴，阻塞主轴密封外环排水，影响外环水的流动，外环冷却水流量变小，在这种情况下，密封外环与旋转抗磨环之间热量无法随水流散发，水温升高，润滑水膜形成困难，造成密封外环干摩擦，从而烧损主轴密封。
　　将密封环插块烧损部分全部车削5mm，更换抗磨环，拆除空气围带，并在支撑环上原排污孔接管连通至上迷宫环另一测量孔，增加密封外环腔排水。经处理后8号机组带190MW负荷时主轴密封温度Z高23℃，效果很好。
　　4　结束语
　　因Voith公司的这种主轴密封通常都是外环损坏，即使内环也同时损坏，因密封面不会出现块状裂块，密封仍可同样起到封水作用，不会引起尾水进入厂房，在这种情况下空气围带设置的必要性值得商榷。8号机主轴密封上述两次改进后，经过近一年的运行，密封磨损量仅0.5mm，密封温度维持在23℃，密封漏水量仅3.0m³/h，封水效果非常好。