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摘 要：水轮机主轴密封工作的可靠性及稳定性至关重要，提高水轮机主轴密封的使用寿命既能减轻维护的工作量，又能保证水轮发电机组长期安全稳定运行。通过优化抗磨环填充材料、改进密封块结构尺寸，整体提高了水轮机主轴密封工作的可靠性和稳定性，延长了设备的使用寿命，为类似水轮机主轴密封的故障处理提供了参考。
关键词：水轮机主轴;密封故障;分析处理
1水轮机主轴密封故障案例概述
某径流式水电站安装有4台150MW轴流转桨式水轮发电机组，额定转速66.7r/min、额定出力153.10MW、最大出力170.1MW，其主轴密封采用径向弹簧自补偿式结构，密封块为高分子聚合物耐腐蚀材料，采用水润滑和水冷却。主轴密封分为两层，每层包含有6块高分子密封块、12根自补偿预紧弹簧以及对应的密封支架。该电站的主轴密封在水轮发电机组投产初期就出现以下两方面的问题：一是密封块磨损严重，与合同中至少运行40000h而不用更换的技术指标要求相差甚远，检修维护量大;二是密封润滑水流量低，频繁出现流量低报警（原设计值为2.4m3/h），频繁的报警信号影响运行人员监盘，甚至影响开机流程。
1.1原因分析
在分解检查主轴密封过程中，发现主轴密封块的2个润滑水通水孔及密封块储水槽内堵塞了大量的杂物，导致了润滑水供水通道堵塞;其次，发现与主轴密封块配合使用的大轴抗磨环组合缝把合螺栓填充槽内的填充材料出现局部缺块、掉落现象根据对设备拆卸检查情况以及对设备结构进行了详细解读，对造成主轴密封润滑水耗水量降低、密封块频繁磨损的故障情况进行了详细分析。
1.2填充材料黏接性能不足
该水轮机主轴密封的抗磨环为4瓣把合组圆结构，每条组合缝包含有5颗M20×55内六角螺栓把合紧固（螺栓紧固力矩为150N.m）、2颗φ16h8×60的圆柱销组装定位，由于把合螺栓和定位销钉均为楔形沉孔结构，为保证抗磨环表面整体光滑，在楔形沉孔处采用了现场手工涂抹环氧材料进行填充过渡。
由于填充的环氧材料为楔形结构，其尾部与基体黏接填充的环氧材料厚度低，加上机组在旋转过程中会产生振摆，导致较薄的环氧填充材料极易开裂、脱落。脱落的块状环氧颗粒就一直夹杂在密封块内，在水轮发电机组旋转过程中，夹杂的颗粒持续刮擦密封块和抗磨环，进一步加剧了抗磨环上的环氧填充材料开裂、脱落，形成了恶性循环，导致抗磨环表面逐渐形成了肉眼可见凹凸不平的凹槽。同时，由于掉落的环氧颗粒形状不规则、且相对于密封块的硬度要高，旋转过程中极易刮削密封块工作面，导致密封块的刮削物堵塞周向储水槽和径向通水孔。
1.3密封块结构设计不合理
主轴密封块为高分子聚合物耐腐蚀材料，其自身具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，原设计的密封块厚度为30mm、储水槽深度为10mm、2个径向通水孔尺寸为φ5mm，而主轴密封支架间的安装净高距离为30.2mm，密封块安装在密封支架内的浮动量仅0.2mm，泥沙或杂物进入密封块端部后，势必会造成密封块卡阻，造成密封块与旋转的抗磨环硬性接触，一旦密封块卡阻，将会形成密封块与旋转的抗磨环硬性接触，加上抗磨环把合螺栓楔形槽内填充的环氧材料易开裂、脱落，硬性挤压又会加剧环氧填充材料的损坏。
1.4设备安装考虑不周
对照主轴抗磨环和主轴密封结构尺寸，由于水轮机大轴及其转动部件的高度尺寸均固定，若合理调配水轮发电机组座环及下机架的安装高程，能够合理避开主轴密封块与抗磨环把合螺栓楔形槽直接接触，也能避免动静结合部位磨损造成抗磨环楔形槽内填充环氧材料的脱落。
2水轮机主轴密封故障处理策略
2.1优化填充材料
由于抗磨环楔形沉孔尾部较薄的环氧填充材料极易开裂、脱落，根据楔形沉孔结构，加工制作了与楔形沉孔匹配的不锈钢堵塞替代环氧材料来进行填充（堵塞加工制作图见图3），堵塞周向采用奥氏体焊丝进行封焊处理，保证其固定的牢固性，焊后进行PT探伤检查，并将抗磨环磨损的凹槽整体打磨光滑，不允许出现凹凸点，堵塞外圆与抗磨环外圆尺寸一致。
2.2改进密封块结构尺寸
原密封块自身高度与主轴密封支架间的配合间隙仅0.2mm，杂物极易堆积造成密封块卡阻，为提高主轴密封块在运行过程中的浮动补偿灵活性，将密封块的高度尺寸由30mm调减至29.6mm，其密封块的浮动间隙由0.2mm提高到了0.6mm;同时，为避免泥沙或杂物堆积在主轴密封内造成密封块卡阻，增大主轴密封清洁水过流通道，将原10mm深的密封块储水槽加深至15mm、将2个径向通水孔尺寸由φ5mm扩大至φ8mm，利用大流量的清洁水持续冲洗主轴密封，保证主轴密封长期处于灵活性的浮动性，避免密封块与旋转的抗磨环形成硬性接触。
2.3调整主轴密封的安装高度
根据水轮发电机组装配图分析，合理调配水轮发电机组座环及下机架的安装高程，能够避开主轴密封块与抗磨环把合螺栓楔形槽直接接触，但目前机组安装已定位，调整下机架及座环的安装高程已不现实，但可通过在主轴密封座上加垫或在支持盖与导流锥把合面上加垫等方式进行调高或调低主轴密封的安装高度，此项工作涉及调整量大，且需要局部进行大量的改进方可实现，施工难度较大，一般在机组A修或新安装机组可参考此措施。
2.4应用效果
由于原主轴密封抗磨环组合螺栓楔形沉孔填充材料黏接性能不足以及密封块结构设计不合理、设备安装考虑不周引起填充材料脱落、清洁水通道堵塞，导致机组在投产初期持续出现了密封块频繁磨损等故障，通过优化抗磨环填充材料、改进密封块结构尺寸后，经过近1年的运行观察，主轴密封润滑水流量持续稳定，对主轴密封进行拆卸复查，主轴密封块工作面完好如初，其储水槽、通水孔内也未见有杂物堵塞，顶盖排水泵启动间隔也长期稳定在2h以上。
结束语
综上所述，水轮机主轴密封的作用是在水輪机主轴和顶盖之间保持一个水压密封，防止转轮室内的水沿着主轴与顶盖之间的间隙进入机坑，从而淹没水导轴承，破坏水导轴承的正常工作，进而影响机组的安全稳定运行，而轴流转桨式水轮机因主轴密封布置在导流锥内，其渗漏水无法通过机坑自留排水流出，完全依靠布置在导流锥内的排水泵单独抽水，一旦因主轴密封失效或故障，必将造成主轴密封大量漏水，可能出现淹没水导轴承或水淹厂房的事故发生。故轴流转桨式水轮机主轴密封的可靠性及其稳定性显得尤为重要。
参考文献：
[1]李雪，秦红付，宋现洲.水轮机主轴上法兰锻件制造工艺优化[J].大型铸锻件，2021（02）：21-22.
[2]胥海波，付封旗，尹仲凯.大型水轮机主轴车削加工质量关键点控制[J].机械工程师，2021（03）：148-150.
[3]马艳丽，周强，任江涛.水轮机水压式端面工作密封的改造分析[J].机械设计与制造工程，2021，50（02）：107-111.
[4]高文军，占乐军，刘兴胜，邱崇俊，李灿东.轴流转桨式水轮机转轮三体联吊方案优化与创新[J].云南水力发电，2021，37（02）：96-98.
[5]魏举锋，炳辉，刘彦阳，李强，蔡艺伟.故障诊断模式下主轴密封水流量低的诊断分析及处理[J].云南水力发电，2020，36（05）：147-150.
[6]游涛.水轮机主轴密封漏水事故原因分析及处理措施[J].广东水利水电，2020（07）：94-98.
关键词：水轮机主轴;密封故障;分析处理
1水轮机主轴密封故障案例概述
某径流式水电站安装有4台150MW轴流转桨式水轮发电机组，额定转速66.7r/min、额定出力153.10MW、最大出力170.1MW，其主轴密封采用径向弹簧自补偿式结构，密封块为高分子聚合物耐腐蚀材料，采用水润滑和水冷却。主轴密封分为两层，每层包含有6块高分子密封块、12根自补偿预紧弹簧以及对应的密封支架。该电站的主轴密封在水轮发电机组投产初期就出现以下两方面的问题：一是密封块磨损严重，与合同中至少运行40000h而不用更换的技术指标要求相差甚远，检修维护量大;二是密封润滑水流量低，频繁出现流量低报警（原设计值为2.4m3/h），频繁的报警信号影响运行人员监盘，甚至影响开机流程。
1.1原因分析
在分解检查主轴密封过程中，发现主轴密封块的2个润滑水通水孔及密封块储水槽内堵塞了大量的杂物，导致了润滑水供水通道堵塞;其次，发现与主轴密封块配合使用的大轴抗磨环组合缝把合螺栓填充槽内的填充材料出现局部缺块、掉落现象根据对设备拆卸检查情况以及对设备结构进行了详细解读，对造成主轴密封润滑水耗水量降低、密封块频繁磨损的故障情况进行了详细分析。
1.2填充材料黏接性能不足
该水轮机主轴密封的抗磨环为4瓣把合组圆结构，每条组合缝包含有5颗M20×55内六角螺栓把合紧固（螺栓紧固力矩为150N.m）、2颗φ16h8×60的圆柱销组装定位，由于把合螺栓和定位销钉均为楔形沉孔结构，为保证抗磨环表面整体光滑，在楔形沉孔处采用了现场手工涂抹环氧材料进行填充过渡。
由于填充的环氧材料为楔形结构，其尾部与基体黏接填充的环氧材料厚度低，加上机组在旋转过程中会产生振摆，导致较薄的环氧填充材料极易开裂、脱落。脱落的块状环氧颗粒就一直夹杂在密封块内，在水轮发电机组旋转过程中，夹杂的颗粒持续刮擦密封块和抗磨环，进一步加剧了抗磨环上的环氧填充材料开裂、脱落，形成了恶性循环，导致抗磨环表面逐渐形成了肉眼可见凹凸不平的凹槽。同时，由于掉落的环氧颗粒形状不规则、且相对于密封块的硬度要高，旋转过程中极易刮削密封块工作面，导致密封块的刮削物堵塞周向储水槽和径向通水孔。
1.3密封块结构设计不合理
主轴密封块为高分子聚合物耐腐蚀材料，其自身具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，原设计的密封块厚度为30mm、储水槽深度为10mm、2个径向通水孔尺寸为φ5mm，而主轴密封支架间的安装净高距离为30.2mm，密封块安装在密封支架内的浮动量仅0.2mm，泥沙或杂物进入密封块端部后，势必会造成密封块卡阻，造成密封块与旋转的抗磨环硬性接触，一旦密封块卡阻，将会形成密封块与旋转的抗磨环硬性接触，加上抗磨环把合螺栓楔形槽内填充的环氧材料易开裂、脱落，硬性挤压又会加剧环氧填充材料的损坏。
1.4设备安装考虑不周
对照主轴抗磨环和主轴密封结构尺寸，由于水轮机大轴及其转动部件的高度尺寸均固定，若合理调配水轮发电机组座环及下机架的安装高程，能够合理避开主轴密封块与抗磨环把合螺栓楔形槽直接接触，也能避免动静结合部位磨损造成抗磨环楔形槽内填充环氧材料的脱落。
2水轮机主轴密封故障处理策略
2.1优化填充材料
由于抗磨环楔形沉孔尾部较薄的环氧填充材料极易开裂、脱落，根据楔形沉孔结构，加工制作了与楔形沉孔匹配的不锈钢堵塞替代环氧材料来进行填充（堵塞加工制作图见图3），堵塞周向采用奥氏体焊丝进行封焊处理，保证其固定的牢固性，焊后进行PT探伤检查，并将抗磨环磨损的凹槽整体打磨光滑，不允许出现凹凸点，堵塞外圆与抗磨环外圆尺寸一致。
2.2改进密封块结构尺寸
原密封块自身高度与主轴密封支架间的配合间隙仅0.2mm，杂物极易堆积造成密封块卡阻，为提高主轴密封块在运行过程中的浮动补偿灵活性，将密封块的高度尺寸由30mm调减至29.6mm，其密封块的浮动间隙由0.2mm提高到了0.6mm;同时，为避免泥沙或杂物堆积在主轴密封内造成密封块卡阻，增大主轴密封清洁水过流通道，将原10mm深的密封块储水槽加深至15mm、将2个径向通水孔尺寸由φ5mm扩大至φ8mm，利用大流量的清洁水持续冲洗主轴密封，保证主轴密封长期处于灵活性的浮动性，避免密封块与旋转的抗磨环形成硬性接触。
2.3调整主轴密封的安装高度
根据水轮发电机组装配图分析，合理调配水轮发电机组座环及下机架的安装高程，能够避开主轴密封块与抗磨环把合螺栓楔形槽直接接触，但目前机组安装已定位，调整下机架及座环的安装高程已不现实，但可通过在主轴密封座上加垫或在支持盖与导流锥把合面上加垫等方式进行调高或调低主轴密封的安装高度，此项工作涉及调整量大，且需要局部进行大量的改进方可实现，施工难度较大，一般在机组A修或新安装机组可参考此措施。
2.4应用效果
由于原主轴密封抗磨环组合螺栓楔形沉孔填充材料黏接性能不足以及密封块结构设计不合理、设备安装考虑不周引起填充材料脱落、清洁水通道堵塞，导致机组在投产初期持续出现了密封块频繁磨损等故障，通过优化抗磨环填充材料、改进密封块结构尺寸后，经过近1年的运行观察，主轴密封润滑水流量持续稳定，对主轴密封进行拆卸复查，主轴密封块工作面完好如初，其储水槽、通水孔内也未见有杂物堵塞，顶盖排水泵启动间隔也长期稳定在2h以上。
结束语
综上所述，水轮机主轴密封的作用是在水輪机主轴和顶盖之间保持一个水压密封，防止转轮室内的水沿着主轴与顶盖之间的间隙进入机坑，从而淹没水导轴承，破坏水导轴承的正常工作，进而影响机组的安全稳定运行，而轴流转桨式水轮机因主轴密封布置在导流锥内，其渗漏水无法通过机坑自留排水流出，完全依靠布置在导流锥内的排水泵单独抽水，一旦因主轴密封失效或故障，必将造成主轴密封大量漏水，可能出现淹没水导轴承或水淹厂房的事故发生。故轴流转桨式水轮机主轴密封的可靠性及其稳定性显得尤为重要。
参考文献：
[1]李雪，秦红付，宋现洲.水轮机主轴上法兰锻件制造工艺优化[J].大型铸锻件，2021（02）：21-22.
[2]胥海波，付封旗，尹仲凯.大型水轮机主轴车削加工质量关键点控制[J].机械工程师，2021（03）：148-150.
[3]马艳丽，周强，任江涛.水轮机水压式端面工作密封的改造分析[J].机械设计与制造工程，2021，50（02）：107-111.
[4]高文军，占乐军，刘兴胜，邱崇俊，李灿东.轴流转桨式水轮机转轮三体联吊方案优化与创新[J].云南水力发电，2021，37（02）：96-98.
[5]魏举锋，炳辉，刘彦阳，李强，蔡艺伟.故障诊断模式下主轴密封水流量低的诊断分析及处理[J].云南水力发电，2020，36（05）：147-150.
[6]游涛.水轮机主轴密封漏水事故原因分析及处理措施[J].广东水利水电，2020（07）：94-98.