1　概述
天荒坪抽水蓄能電站是一座高水頭，高水位變幅、高轉速的純抽水蓄能電站，水泵水輪機由GENorway公司制造，而其大軸密封則由分包商英國的SterlingMechanicalSeal制造，首臺機組于1998年9月投入運行。由于廠家設計原因，自投產以來，主軸密封一直是影響天荒坪電站機組啟動成功率和不穩定因素。2002年以前，廠家雖經過對主軸密封多次改造，但仍不能完全解決主軸密封的運行中溫度突升造成密封磨損較快等問題。2002年，經過制造廠和天荒坪電站有關技術人員對主軸密封再次共同研究，重新設計主軸密封，并經過有限元分析和模型試驗后，2003年在機組上安裝試驗取得了成功，主軸密封的穩定運行問題最終得以解決。
2主軸密封運行條件
2.1水頭條件
電站設計水頭為526米，水輪機淹沒深度為-70米，電站運行水頭范圍為526~610米，其中供主軸密封水源的下庫運行變化水位在295~345米之間變化，即主軸密封工作水壓變化達50米。
2.2速度條件
機組設計轉速為500RPM（轉/分），最高飛逸轉速為720RPM，為順時針和逆時針雙向旋轉，大軸直徑為940mm，主軸密封處的運行切向線速度為30m/s，最高切向線速度約為43m/s。
2.3工況條件
本電站機組設計運行工況有發電、抽水、發電調相、抽水調相，停機等五種工況，有停機-發電-停機、發電-發電調相-發電、停機-抽水調相-抽水-停機（抽水調相）等工況轉換，每天開停機按10次設計。每種工況主軸密封轉輪側（密封腔）壓力差異懸殊。
2.4水力條件
由于上述三種的條件的綜合影響，在主軸密封處就形成了復雜的水力條件，由于旋轉離心力的作用和尾水動、靜態真空的影響以及氣和水的粘滯作用的差異，機組在工況轉換時將造成主軸密封處的水壓力的變化，當機組在停機時，主軸密封處的水壓力為下庫靜水壓力，在下庫水位變幅范圍內約在0.7~1.2MPa之間變化（設計最小淹沒深度為-70米）。當機組在調相工況運行時，因機組在壓縮空氣中旋轉，對主軸密封處的壓力影響不大，基本與停機狀態相同。但當機組以500RPM的轉速在水中旋轉時，將使主軸密封處的壓力降低約一半，即在0.3~0.65MPa內變化，這就要求主軸密封在工況轉換的短時間內必須適應此水壓力的變化，既要防止主軸密封壓得過緊而影響潤滑水膜厚度而燒損，又要防止主軸密封向上抬起造成水淹廠房發生。因主軸密封的另一側為大氣壓力，上述的壓力變化也將造成密封結構件的不均勻變形，將影響動密封的接觸面，進而影響主軸密封的冷卻潤滑水流量、水膜的形狀及其內部壓力降，同時也將影響主軸密封處的水壓平衡，對主軸密封的運行造成負面影響。
3歷年主軸密封故障分析
由于天荒坪電站機組的主軸密封工作環境惡劣，投運后，運行一直不穩定，從歷年的統計情況看，除2003年主軸密封已改造外，主軸密封引起的故障占全廠故障的20%左右，是影響機組穩定運行的重要因素。歷年來主軸密封的故障特征也不相同，在2000年以前，主軸密封的缺陷主要特征是因在調相工況下，主軸密封處的壓力較高，造成其外環變形較大，從而主軸密封在調相運行時，壓縮空氣進入主軸密封的操作腔，而影響主軸密封的壓緊力，造成溫度升高而燒損。2000年后，對主軸密封的外環進行了改進，增加了材料的強度和加強筋，從而增加了結構剛度，減小其變形，此時主軸密封的故障特征已表現為調相工況能正常運行，但工況轉換時需要人工調整操作腔的壓力，以適應主軸密封穩定運行的需要。此外，由于機組合為雙向旋轉，在主軸密封的上下可移動壓環上安裝有雙向防轉動鍵，經過多次雙向運行撞擊后形成的凹坑影響主密封移動環的上下移動，造成主軸密封在運行時出現溫度突升的異常現象。2003年后，經過整體更換，上述缺陷基本消失，從而使主軸密封的運行性能大大提高，消除了長期困擾機組運行的隱患。
4舊主軸密封工作原理
舊密封結構如圖1所示。移動環垂直方向受力如圖2所示。
技術供水系統供給主軸密封操作腔7一穩定壓力P0，該壓力只能人工調整，而不能隨尾水壓力變化。P2為密封腔壓力，隨機組運行工況、轉速、下庫水位等變化。P1為技術供水系統提供給密封面的冷卻潤滑水壓力，隨冷卻潤滑水膜厚度和系統供水壓力變化而變化。正常情況下，P0、P1、P2以及不銹鋼移動環的自重達到平衡，在不銹鋼移動環與密封環之間形成穩定的冷卻潤滑水膜和足夠的冷卻水流量，主軸密封保持穩定的溫度運行。
5舊主軸密封存在問題
5.1原理問題
舊主軸密封的采用固定水壓力提供密封的壓緊力，這樣將導致工況轉換時，由于主軸密封處水壓力的變化可能打破密封移動環的水壓力平衡，造成的直接后果就可能是冷卻水流量的不足或中斷，密封發生干摩擦、運行溫度高而燒損，或者是移動環向上被抬起，而造成密封失效，生水淹廠房的情況。
原密封環隨大軸一起旋轉，密封環被磨損后，移動環將嵌入密封環，機組旋轉造成的大軸擺度將影響移動環與密封環的間隙，進而影響主軸密封的冷卻水流量和效果，甚至造成密封環的碎裂。
5.2結構變形問題
作為主軸密封的基座的水輪機頂蓋、內頂蓋、檢修密封以及主軸密封外環等水輪機流道內的水壓力作用下，相當于一個懸臂梁的受力結構，各部件在水壓力的作用下產生的變形將積累至終端的主軸密封外環，因主軸密封的外環為分半組合結構，此變形過大將影響外環的組合面間隙，造成主軸密封固定壓力腔（操作腔7）與尾水之間的泄漏，從而影響主軸密封的操作腔的壓力，使主軸密封的水壓平衡被打破。
5.3防轉動鍵損壞問題
為防止主軸密封的移動環隨著密封環旋轉，在移動環上安裝有防止轉動鍵，因為機組有兩種旋轉方向，移動環又要適應密封環被磨損后跟隨壓緊的移動要求，防轉動鍵與鍵槽之間必然存在一定的間隙，當機組改變旋轉方向時，防轉動鍵與鍵槽壁將發生撞擊，撞擊多次后，將產生凹坑、毛剌和鍵連接螺栓的斷裂，影響移動環的上下移動。雖然廠家把防轉動鍵改成了類環氧樹脂的材料，但由于該材料強度不高容易碎裂而效果不佳。
5.4指示裝置損壞
原主軸密封為了監測密封環的磨損情況，安裝有密封磨損指示桿，該指示桿穿過操作腔而連接到移動環上，運行中移動環的上下移動、機組的振動、特別是移動環的向上抬起極易造成指示桿斷裂而沖出，造成操作腔的泄壓而密封失效。
6新型主軸密封
6.1結構形式
新型主軸密封結構如圖3所示，其設計參數如下：
運行介質：水
設計額定轉速：500rpm
設計最大瞬時飛逸轉速：720rpm
設計穩態飛逸轉速：680rpm
設計運行壓力范圍：0.3~1.2Mpa
壓力調節氣缸數：6只（均布）
氣壓調節范圍：0-1.0MPa
6.2新型主軸密封的工作原理
新型主軸密封取消了原主軸密封的固定壓力操作腔，利用移動環及密封環的受力面積和壓力降使密封在壓力變化范圍內自動平衡，移動環上的壓緊力將隨尾水壓力自動變化，只要移動環上受壓面積選擇合理，就可使密封能夠自動適應工況轉換而運行穩定。具體描述如下：正常運行條件下，主軸密封的外環1、移動環2、支撐環7、密封環3（合成纖維脂材料，抗變形能力較弱）和抗磨環4等形成的壓力腔內充滿著尾水壓力，該壓力隨下庫水位、機組轉速、運行工況等變化而變化，如圖4所示P0，就天荒坪電站而言，它的變化范圍為0.3~1.2MPa。同時機組技術供水系統供一路冷卻水在主軸密封密封環3與抗磨板4處形成壓力P2，該壓力沿里側方向泄至零，沿外側方向泄至尾水壓力P0，P2既受機組技術供水壓力影響，也受機組密封環與抗磨板之間的液態冷卻膜厚度的影響，事實上，移動環（包括密封環）在水壓作用下的變形和移動環上所受的豎直方向的力都將影響其液態冷卻膜的厚度和壓力分布，從而影響移動環的平衡。因此主軸密封能否穩定運行取決于主軸密封上的移動環的受力情況及其抗變形能力，如果移動環所受向上的合力過大，則主軸密封移動環將向上抬起，造成主軸密封泄漏；如果移動環所受的向下的合力過大，則將導致密封環與抗磨板之間的液態冷卻膜過薄或冷卻水中斷而發生干摩擦，主軸密封溫度高而燒損或機組跳機。主軸密封的結構設計應主要考慮控制移動環所受的力和變形，也就是密封環的厚度、高度，位置以及移動環上的受力面積。為了保證主軸密封穩定運行，并補償密封環長期運行的不均勻磨損，在移動環上均勻布置有六只壓力調節氣缸，以便正常運行時進行調節。
7新主軸密封的特點
新型主軸密封有以下幾個特點（與舊密封相比）：
7.1取消了操作腔，結構簡單，安裝方便。移動環壓緊力隨尾水變化而自動調整，運行穩定可靠，工況轉換時不需要人員調整壓力，可節省運行人員的人力。
7.2更換后安裝磨合期短，經首次開機約10分鐘磨合就可投入運行，且溫度不高（磨合期比冷卻水溫高5℃左右）。
7.3防轉動裝置安裝在主軸密封外部，更換方便，不用拆卸外環而重新打壓,同時磨損指示裝置不再穿過操作腔，因而不會造成泄壓而密封抬起。
7.4ENDSEAL被磨損后，對其冷卻潤滑水回路不構成影響，而舊的主軸密封的ENDSEAL被磨損后，移動環進入ENDSEAL的槽內將惡化其冷卻潤滑效果，造成主軸密封ENDSEAL的惡性循環磨損，且大軸的擺動將加劇ENDSEAL的破裂，導致主軸密封的使用壽命降低。
7.5新型主軸密封的Endseal高度降低，將意味著可磨損量的減小，但將明顯提高其剛度，如密封面保持良好地液體摩擦，endseal的磨損將保持在較低的水平。另外，舊的Endseal中間開有冷卻水溝，將削弱其結構強度，且當Endseal被磨損后，不銹鋼移動環將嵌入Endseal，機組旋轉時大軸擺動將對其進行不停的撞擊，導致其破裂。而新型的密封內采用水孔通水，且Endseal被磨損后仍將處于自由狀態而不受大軸擺動的影響。因此主軸密封的壽命不但不會縮短，反而將得到延長。
7.6主軸密封外環在水壓作用下應會有少量的變形，從1#機組、3#機組的主軸密封運行經驗來看，其變形應為長期的和微量的，舊的主軸密封的外環也同樣存在外環在水壓作用下變形的可能性，其變形造成的漏水、漏氣等、以及主軸密封的操作腔的調壓節流片堵塞也將對主軸密封操作腔的壓力產生較大的影響，從而影響機組的運行性能，而新型主軸密封的變形產生的把合面漏水、漏氣將不會對主軸密封的密封性能產生影響，也不會造成主軸密封的運行溫度升高而燒損，僅增加主軸密封的漏水、漏氣。而內環是一個受壓的圓柱體，抗變形能力應更好。
7.7移動環壓力調節采用壓緊彈簧的形式，容易造成各彈簧的受力不均勻，且調整壓緊力時需要作較多的防轉動隔離措施，采用調節氣缸后，供氣壓力取自同一壓力源，保證了移動環六個方向受力均勻，同時壓力調整裝置可以放在水車室外，因而調整方便。
8新型主軸密封改造后的運行情況和調試情況
主軸密封經改造后，運行穩定性比舊的密封有很大提高，經過了發電、發電調相、抽水、抽水調相等工況的6小時熱運行試驗及工況轉換試驗，各種工況下，密封運行溫度比冷卻水溫約高2~3℃，同時也經過了夏季高溫天氣的考驗，2003年夏季冷卻進口水溫最高達到33℃（設計最高水溫為28℃），而主軸密封在各工況下的運行溫度也未超過36℃，也未出現溫度突升的情況。（密封網mf.go-we.com）
在抽水調相工況下，轉輪室補氣間隔達到3分半鐘以上，補氣時間約為半分鐘，發電調相工況補氣時間也約3分鐘，而補氣間隔達到16分鐘，大大減小了調相用氣量，也減小了空壓機的運行小時數，而舊的密封發電調相工況不能正常運行。
經過約一年的運行，主軸密封的磨損量小于1mm/1000小時，達到了原技術要求。
9改造體會
9.1現在國內已建或在建的高水頭、高轉速的抽水蓄能電站越來越多，上下庫的水位變幅也大，在選擇主軸密封時，應主軸密封的結構和原理盡量簡單，并應隨著主軸密封處的尾水壓力變化而自動變化，而不宜采用固定操作壓力的方式。
9.2密封環如剛度不高，可磨損部分就不能太高，否則將導致密封環在不同水壓作用下變形不均勻，影響密封效果。
9.3密封設計應考慮在水壓作用下變形的影響。
9.4密封磨損率應作為考核密封性能的重要指標。
10結束語
天荒坪抽水蓄能電站主軸密封經過多次改造，終于獲得成功，達到了有關技術規范的要求，提高了機組的啟動成功率、運行可靠性、穩定性和可用率，降低了設備故障率，為天荒坪電站的生產目標完成提供了可靠的保障。目前在建和擬建的抽水蓄能電站越來越多，希望天荒坪機組的主軸密封改造能夠為他們提供參考。