摘要： 本文介绍了山西西龙池抽水蓄能电站主轴密封的结构型式及主要参数，并对其安装工艺、工作运行原理进行了探讨，为今后抽水蓄能电站能根据自身特点更合理、更灵活地选择主轴密封提供了一些建议和帮助，同时希望本文能够为在建的高水头、高转速、高水位变幅的抽水蓄能电站主轴密封安装提供相应的工艺参考。
Abstract： This article introduced the structure type and main parameter of the main shaft sealing of Shanxi Xilongchi pumped storage power station， and discussed the installation process and working principle to provide some advice and help for more rationally and flexibly choosing the shaft seal according to oneself characteristic. At the same time， the author hoped the article could provide corresponding technical reference for shaft seal installation in pumped storage power station with high head， high speed， and high water level.
关键词： 西龙池；主轴密封；安装工艺
Key words： Xilongchi；shaft seal；installation technology
中图分类号：TV7 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）28—0067—02
1 工程概况
山西西龙池抽水蓄能电站是一座高水头，高水位变幅、高转速的纯抽水蓄能电站，水泵水轮机由日本日立公司制造，而其主轴密封则由分包商日本东芝公司制造，该密封具有技术含量高，加工精度高，密封效果好，结构紧凑，不生锈，使用寿命长等良好特点，此技术国际领先。
主轴密封运行条件：立轴、单级、混流可逆式水泵水轮机。水泵水轮机正常最大毛水头694.5m，最小毛水头629m，额定水头640m，机组额定转速500转/分钟，稳态飞逸转速：≤646.7r/min，水泵水轮机安装高程为723.0m，机组吸出高度—75m。水泵水轮机转轮水轮机工况进口直径4.27m，进水球阀直径为2.00m，尾水管出口直径为4.3m，机组采用上拆方式。
发电工况额定出力：306MW，水泵工况最大入力：319.6MW，水轮机工况额定流量：53.2m3/s，水泵工况最大流量：45.6m3/s，水泵工况最小流量：35.7m3/s，旋转方向：水轮机工况俯视为顺时针，水泵工况俯视为逆时针。
2 主轴密封的主要参数及工作原理
主轴密封整体为ZG15CR2MO1不锈钢铸造，各部件加工尺寸精度高，并在接合面采用“O”型密封圈密封、“丁”字型密封圈粘接、三角形沟槽，该密封按结构可分为固定部分和转动部分，转动部分为主轴护套和转动环，主轴护套分两瓣用精制销钉固定在主轴上并牢固焊接，转动环用精致销钉螺栓连接，固定部分采用不锈钢螺栓固定在顶盖上。主轴密封结构见图1。
2.1 主轴密封工作原理及结构分析 主轴密封按其使用的状态可分为工作密封和检修密封，采用上下结构。
检修密封：检修密封为橡胶制成的空气围带，在机组停机或检修时，充入小于0.7MP的压缩空气，使空气围带橡皮膨胀，抱紧主轴，防止水进入；当开机时，将空气围带里的压缩气体排除，使其收缩，让空气围带与主轴之间保持1.5～2mm的间隙。该检修密封结构简单，操作容易，密封效果好。
工作密封：工作密封属于径向密封，共三层。上、中两层是碳素密封，下层是树脂密封，见图2示意图所示。固定在转轴转动环上形成环状密封面，图2中由12块碳素密封组合而成，碳素密封、树脂密封有横、竖各两道减压进水小槽和五个？准5mm进水小孔，减压进水小槽起到迷宫式密封的作用，耐磨，散热，耐腐蚀及润滑性能好。转动环表面由高强度、高光洁的合金钢构成。由于碳素密封与转动环的相对运动，存在环状间隙为力求减少密封漏水量，靠主轴密封进水压力来阻止尾水肘管的涌水，逐步一级比一级减小水压，为防止空气透入密封，允许少量的漏水，由主轴密封环上方的挡水环挡住，阻止经主轴密封的漏水沿主轴进入水导轴承。
2.2 主轴密封工作流程：当机组发出开机令后，由LCU控制→主轴密封清水投入（压力为1.2MPa）→检修密封退出（气压消失）→清水由径向密封的进水管进入，通入对面的排水管调整压力与流量（使压力控制在大于1.2MPa，流量大于20L/min）→清水压力远大于顶盖涌入的尾水压力→尾水的水始终不能窜入各级密封，同时清水在各级密封间供水使主密封内侧润滑冷却→水轮机进入连续运转。（图2）
3 主轴密封安装工艺分析
3.1 主轴密封安装工艺流程 主轴密封安装是水轮机安装中极其重要的一环，必须严格按照相关工艺要求安装，以保证其良好的使用及运行。
检修密封安装→密封盒安装→检修密封供气装置安装→树枝密封安装→上、下碳素密封安装→密封盒盖安装→挡水环安装→主轴密封冷却、润滑水管安装→主轴密封附件安装。
3.2 水泵/水轮机主轴密封与常规水轮机密封的区别
主轴密封面均采用加工精度极高的碳石墨密封和树脂密封构成，每层环状的碳石墨密封和树脂密封分辨嵌接为环状整体，并采用不绣钢弹簧抱紧主轴，通过弹簧的压力使主轴密封严密，受力均匀，当密封面受到磨损后能自动补充，使密封始终处于良好的密封状态，不同于传统的轴向水压平衡式机械密封。每块碳石墨密封和树脂密封开有横两道、竖两道小槽和五个？准5mm进水小孔，使滑动摩擦力减少，减压、散热、自润滑性能好。且不绣钢弹簧在水中长期浸泡不受浸蚀不会失去弹性。主轴密封整体为不锈钢铸造，不易生锈，在停机时可以对碳石墨密封和树脂密封进行磨损量的测量，运行时可以对碳石墨密封和树脂密封进行温度的测量。
3.3 主轴密封工作条件分析
3.3.1 水头条件 电站设计水头为694.5米，水轮机淹没深度为—115米，电站运行水头范围为629～694米，其中供主轴密封水源的下库运行变化水位在EL798～838米之间变化，即主轴密封工作水压变化达40米。
3.3.2 速度条件 机组设计转速为500RPM（转/分），最高飞逸转速为720RPM，为顺时针和逆时针双向旋转，大轴直径为940mm，主轴密封处的运行切向线速度为30m/s，最高切向线速度约为43 m/s。
3.3.3 工况条件 本电站机组设计运行工况有发电、抽水、发电调相、抽水调相，停机等五种工况，有停机—发电—停机、发电—发电调相—发电、停机—抽水调相—抽水—停机（抽水调相）等工况转换，每天开停机按10次设计。每种工况主轴密封转轮侧（密封腔）压力差异悬殊。
3.3.4 工作分析 由于上述三种的条件的综合影响，在主轴密封处就形成了复杂的水力条件，由于旋转离心力的作用和尾水动、静态真空的影响以及气和水的粘滞作用的差异，机组在工况转换时将造成主轴密封处的水压力的变化，当机组在停机时，主轴密封处的水压力为下库静水压力，在下库水位变幅范围内约在0.7～1.2MPa之间变化（设计最小淹没深度为—75米）。当机组在调相工况运行时，因机组在压缩空气中旋转，对主轴密封处的压力影响不大，基本与停机状态相同。但当机组以500RPM的转速在水中旋转时，将使主轴密封处的压力降低约一半，即在0.3～0.65MPa内变化，这就要求主轴密封在工况转换的短时间内必须适应此水压力的变化，既要防止主轴密封压得过紧而影响润滑水膜厚度而烧损，又要防止主轴密封向上抬起造成尾水的水淹机组发生。因主轴密封的另一侧为大气压力，上述的压力变化也将造成密封结构件的不均匀变形，将影响动密封的接触面，进而影响主轴密封的冷却润滑水流量、水膜的形状及其内部压力降，同时也将影响主轴密封处的水压平衡，对主轴密封的运行造成不良影响。
3.4 安装注意事项 在主轴密封安装过程中注意事项：不能敲击和碰撞碳素密封圈和树脂密封圈。安装前保持碳密封圈在水中，室内温度应恒定。
4 安装体会
①现在国内已建或在建的高水头、高转速的抽水蓄能电站越来越多，上下库的水位变幅也大，在选择主轴密封时，主轴密封的结构和原理应尽量简单，并应随着主轴密封处的尾水压力变化而自动变化，而不宜采用固定操作压力的方式。
②密封环如刚度不高，可磨损部分就不能太高，否则将导致密封环在不同水压下变形不均匀，影响密封效果。
③密封设计应考虑在水压作用下变形的影响。
④密封磨损率应作为考核密封性能的重要指标。
⑤密封易损件价格昂贵，不易国产化。
5 结束语
山西西龙池抽水蓄能电站水头高、转速高、容量大、运行工况复杂、起停频繁等特点，因而决定了封堵其水泵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，主轴密封按照合理的工艺要求安装，达到了有关技术规范的要求，提高了机组的启动成功率、运行可靠性、稳定性和可用率，先进合理，为西龙池电站的生产目标完成提供了可靠的保障。目前在建和拟建的抽水蓄能电站越来越多，希望西龙池机组的主轴密封安装能够为同类电站机组提供参考。
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