1 概況

　　某水電站總裝機容量48000kW，共計 3 臺軸流轉漿式機組。電站按無人值班原則設計，目前已采用梯調集控方式運行。該水電站水輪機的容量為17620 千瓦，轉速 100 轉/分，正常運行水頭為 12米，屬于低水頭低轉速立式機組。該水輪機的工作密封屬可調水壓環形活塞式端面密封結構，由轉環、抗磨板、水封座和橡膠密封環組成，其結構如圖1 所示。

　　水輪機密封座 U 型槽內的 Y 型模壓橡膠密封環是利用清潔水壓在活塞上、下腔形成水壓差，使得橡膠密封環向上浮動，與旋轉的動環抗磨板形成端面密封狀態，從而達到密封不漏水的作用。實際使用中發現橡膠密封圈受卡嚴重，不能向上浮動，或起浮不均衡，密封圈偏磨、干磨、燒損等缺陷造成工作密封漏水嚴重、頂蓋機坑內水位高等危及機組安全運行的故障。為解決這一問題，筆者收集了該電站 3 臺機組近10 年的所有工作密封檢修記錄以及同類型水電站的密封改造方案，對其進行深入研究，提出了在原結構基礎上針對易產生缺陷的部件進行升級改造。筆者利用多臺水電機組計劃性大修機會，對工作密封進行了改造，反復驗證，不斷修正、優化了改造方案。

　　目前，該電站 3 臺機組的工作密封全部升級改造完畢，已經經歷了 6 年以上的運行檢驗，未發生一起因工作密封故障而導致停機檢修的事故。

　　2、 改造方案

　　2.1 原老式工作密封

　　原老式工作密封屬于浮力式端面密封，U 型槽與其內的 Y 型橡膠密封環形成蓄水腔， 利用0.2MPa 清潔水壓頂住橡膠密封環上行與抗磨板接觸，浮動密封環和轉動環之間的水流在轉動環的旋轉帶動下形成一層極薄的壓力液膜，壓力液的膜厚度設計為 0.03～0.06mm，該液膜不僅起到止水、潤滑與冷卻作用， 而且還將抗磨板與活塞密封環分開， 使它們在運轉中減少摩擦，從而達到減少密封環磨損的目的。經運行觀察，這種結構形式的工作密封在實際運行中存在著的諸多缺陷，具體表現為：

　　(1) 橡膠密封環與 U 型槽壁的摩擦力不均，橡膠密封環起浮不一致，局部卡澀。橡膠密封環容易隨抗磨動環發生轉動，導致密封環變形偏磨、干磨、燒損等。

　　(2) 密封清潔水污染、堵塞，造成 U 型密封槽內浮力不足，不能起到密封作用，漏水量大。

　　(3) 密封水壓力過大，活塞式密封環得不到冷卻、潤滑，橡膠環與轉動平板會產生干磨，造成 U 型密封橡膠環燒損。

　　(4) 密封橡膠環與槽壁有間隙，含泥沙等雜質的頂蓋水會順著間隙進入 U 型槽內的蓄水腔，雜質沉積在蓄水腔內造成水道堵塞，卡阻密封橡膠環。

　　2.2 改造后的工作密封結構

　　在保持原結構原理不變的情況下，對原老式工作密封進行改造，將Y 型橡膠密封圈改成密封托架和絞織盤根的形式，如圖 2 所示。 改造后的工作密封結構有以下 4 個方面特點。

　　(1) 將原密封座的 U 型槽壁改用不銹鋼板壓型鑲嵌，再與密封座合體加工，這樣既可保證密封座及密封槽的尺寸符合要求，又可使不銹鋼材質的 U 型槽壁表面光滑、耐磨，抗銹蝕力強。清潔水通過不銹鋼 U 型槽壁與聚氨酯密封托架組合成的蓄水腔，使托架在水浮力的帶動下能夠讓密封座的盤根均衡浮沉。

　　(2) 將原 Y 型模壓橡膠密封圈更換成托架和芳綸纖維聚四氟乙烯交織盤根的形式，這種結構一方面降低了盤根浮沉時的阻力，增加了活塞式密封的靈活性;另一方面依靠托架唇邊阻止頂蓋水進入密封座。保證 U 型槽內的蓄水腔清潔、干凈。該交織盤根的耐磨性和自潤滑性高于橡膠，芳綸纖維聚四氟乙烯交織盤根以芳綸纖維為主要材料，多次浸漬潤滑劑、四氟乳液等精密編制而成，有較好的高回彈、耐化學性、低冷流、高線速的性能，解決了填料密封對高速高壓或流體中含有固體顆粒時的密封失效問題。 同時，相較于橡膠密封圈，交織盤根還有一個優點，就是其浸漬了潤滑劑，具有一定的自潤滑性，在開機的初期壓力水膜未形成前， 不易發生干磨、燒損密封圈的現象。

　　(3) 密封托架采用車削密封件。車削密封件與傳統模壓密封件的加工工藝有所不同，車削液壓密封件是原材料經過加溫熔化后高壓擠出成型的毛坯桶料，再通過專用車削數控密封件加工設備車削完成的液壓密封件。車削的密封托架還有一優點就是無需承擔模壓加工需支付開模具的高昂費用及加工等待的時間，價格相對 Y 型模壓橡膠密封圈要便宜得多。本改造案例中的密封托架的材質選用的聚氨酯，重量輕、表面光滑、抗變形強。這種車削式Π 型密封托架在低水壓情況下，依靠托架唇邊的過盈變形產生密封，因接觸面積較小，摩擦力相對較低。托架唇邊與 U 型槽壁接觸，工作密封的供水壓力高于水輪機頂蓋水壓時，在盤根上浮與抗磨板接觸的過程中，會阻止含泥沙的頂蓋水進入 U 型槽，使 U 型槽內始終保持清潔、干凈。

　　(4) 上述結構成型后，通過后期的運行檢驗，性能優異，平均單臺機的頂蓋泵啟停間隔從原來的 40 分鐘延長至 60～70 分鐘。但部分啟停頻繁的機組正常運行的時間只有 1～2 年，其后漏水量就開始逐漸增大，拆卸后發現是盤根變形較大，盤根接口處撕裂。分析原因應是盤根上浮后隨抗磨環的旋轉，在摩擦力的帶動下發生堆擠。遂將原設計的 2 根限位導桿增加到 4 根，并配套相應的不銹鋼筒套。原設計的導桿沒有筒套，密封環浮沉時阻力較大，筒套加入后極大地增加了活塞式密封環浮沉時的靈活性和定位效果，并可有效防止盤根與托架的旋轉運動，限制其只能沿軸向上下浮動。這 2 根定位導桿的加入，可將這種結構的工作密封正常工作時間提高至 6～8 年。改造后，該電站的 3 臺機組工作密封均能無故障運行 1 個大修間隔期(4～6 年)。

　　2 結論

　　從浮力活塞式端面密封的設計原理以及改造過程中不斷對結構的優化修正的實踐探索可以看出：這種浮力式工作密封適用于低水頭、低轉速立式水電機組。這種水輪機轉速過高其耐磨性能就會降低，抗磨板表面磨損嚴重的話，反過來又會加速盤根的磨損，密封的有效工作時間就會極大地縮短。

　　筆者在轉速 300 轉/分的立式機組上做了個對比，該型密封的有效工作時間甚至不如結構更簡單的氟橡膠平板水封高。對水頭50 米以上的水電機組，其頂蓋水的壓力就會增大，清潔密封水的壓力也要相應地調整，必須根據主軸密封漏水量大小調節供水壓力值，使之符合頂蓋排水泵排水要求。另外，水輪機主軸密封的選型范圍應將水電站的水質情況作為影響密封性能的重要因素充分考慮進去。

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