1 概况
某水电站总装机容量48000kW，共计 3 台轴流转浆式机组。电站按无人值班原则设计，目前已采用梯调集控方式运行。该水电站水轮机的容量为17620 千瓦，转速 100 转/分，正常运行水头为 12米，属于低水头低转速立式机组。该水轮机的工作密封属可调水压环形活塞式端面密封结构，由转环、抗磨板、水封座和橡胶密封环组成，其结构如图1 所示。
水轮机密封座 U 型槽内的 Y 型模压橡胶密封环是利用清洁水压在活塞上、下腔形成水压差，使得橡胶密封环向上浮动，与旋转的动环抗磨板形成端面密封状态，从而达到密封不漏水的作用。实际使用中发现橡胶密封圈受卡严重，不能向上浮动，或起浮不均衡，密封圈偏磨、干磨、烧损等缺陷造成工作密封漏水严重、顶盖机坑内水位高等危及机组安全运行的故障。为解决这一问题，笔者收集了该电站 3 台机组近10 年的所有工作密封检修记录以及同类型水电站的密封改造方案，对其进行深入研究，提出了在原结构基础上针对易产生缺陷的部件进行升级改造。笔者利用多台水电机组计划性大修机会，对工作密封进行了改造，反复验证，不断修正、优化了改造方案。
目前，该电站 3 台机组的工作密封全部升级改造完毕，已经经历了 6 年以上的运行检验，未发生一起因工作密封故障而导致停机检修的事故。
2、 改造方案
2.1 原老式工作密封
原老式工作密封属于浮力式端面密封，U 型槽与其内的 Y 型橡胶密封环形成蓄水腔， 利用0.2MPa 清洁水压顶住橡胶密封环上行与抗磨板接触，浮动密封环和转动环之间的水流在转动环的旋转带动下形成一层极薄的压力液膜，压力液的膜厚度设计为 0.03～0.06mm，该液膜不仅起到止水、润滑与冷却作用， 而且还将抗磨板与活塞密封环分开， 使它们在运转中减少摩擦，从而达到减少密封环磨损的目的。经运行观察，这种结构形式的工作密封在实际运行中存在着的诸多缺陷，具体表现为：
(1) 橡胶密封环与 U 型槽壁的摩擦力不均，橡胶密封环起浮不一致，局部卡涩。橡胶密封环容易随抗磨动环发生转动，导致密封环变形偏磨、干磨、烧损等。
(2) 密封清洁水污染、堵塞，造成 U 型密封槽内浮力不足，不能起到密封作用，漏水量大。
(3) 密封水压力过大，活塞式密封环得不到冷却、润滑，橡胶环与转动平板会产生干磨，造成 U 型密封橡胶环烧损。
(4) 密封橡胶环与槽壁有间隙，含泥沙等杂质的顶盖水会顺着间隙进入 U 型槽内的蓄水腔，杂质沉积在蓄水腔内造成水道堵塞，卡阻密封橡胶环。
2.2 改造后的工作密封结构
在保持原结构原理不变的情况下，对原老式工作密封进行改造，将Y 型橡胶密封圈改成密封托架和绞织盘根的形式，如图 2 所示。 改造后的工作密封结构有以下 4 个方面特点。
(1) 将原密封座的 U 型槽壁改用不锈钢板压型镶嵌，再与密封座合体加工，这样既可保证密封座及密封槽的尺寸符合要求，又可使不锈钢材质的 U 型槽壁表面光滑、耐磨，抗锈蚀力强。清洁水通过不锈钢 U 型槽壁与聚氨酯密封托架组合成的蓄水腔，使托架在水浮力的带动下能够让密封座的盘根均衡浮沉。
(2) 将原 Y 型模压橡胶密封圈更换成托架和芳纶纤维聚四氟乙烯交织盘根的形式，这种结构一方面降低了盘根浮沉时的阻力，增加了活塞式密封的灵活性;另一方面依靠托架唇边阻止顶盖水进入密封座。保证 U 型槽内的蓄水腔清洁、干净。该交织盘根的耐磨性和自润滑性高于橡胶，芳纶纤维聚四氟乙烯交织盘根以芳纶纤维为主要材料，多次浸渍润滑剂、四氟乳液等精密编制而成，有较好的高回弹、耐化学性、低冷流、高线速的性能，解决了填料密封对高速高压或流体中含有固体颗粒时的密封失效问题。 同时，相较于橡胶密封圈，交织盘根还有一个优点，就是其浸渍了润滑剂，具有一定的自润滑性，在开机的初期压力水膜未形成前， 不易发生干磨、烧损密封圈的现象。
(3) 密封托架采用车削密封件。车削密封件与传统模压密封件的加工工艺有所不同，车削液压密封件是原材料经过加温熔化后高压挤出成型的毛坯桶料，再通过专用车削数控密封件加工设备车削完成的液压密封件。车削的密封托架还有一优点就是无需承担模压加工需支付开模具的高昂费用及加工等待的时间，价格相对 Y 型模压橡胶密封圈要便宜得多。本改造案例中的密封托架的材质选用的聚氨酯，重量轻、表面光滑、抗变形强。这种车削式Π 型密封托架在低水压情况下，依靠托架唇边的过盈变形产生密封，因接触面积较小，摩擦力相对较低。托架唇边与 U 型槽壁接触，工作密封的供水压力高于水轮机顶盖水压时，在盘根上浮与抗磨板接触的过程中，会阻止含泥沙的顶盖水进入 U 型槽，使 U 型槽内始终保持清洁、干净。
(4) 上述结构成型后，通过后期的运行检验，性能优异，平均单台机的顶盖泵启停间隔从原来的 40 分钟延长至 60～70 分钟。但部分启停频繁的机组正常运行的时间只有 1～2 年，其后漏水量就开始逐渐增大，拆卸后发现是盘根变形较大，盘根接口处撕裂。分析原因应是盘根上浮后随抗磨环的旋转，在摩擦力的带动下发生堆挤。遂将原设计的 2 根限位导杆增加到 4 根，并配套相应的不锈钢筒套。原设计的导杆没有筒套，密封环浮沉时阻力较大，筒套加入后极大地增加了活塞式密封环浮沉时的灵活性和定位效果，并可有效防止盘根与托架的旋转运动，限制其只能沿轴向上下浮动。这 2 根定位导杆的加入，可将这种结构的工作密封正常工作时间提高至 6～8 年。改造后，该电站的 3 台机组工作密封均能无故障运行 1 个大修间隔期(4～6 年)。
2 结论
从浮力活塞式端面密封的设计原理以及改造过程中不断对结构的优化修正的实践探索可以看出：这种浮力式工作密封适用于低水头、低转速立式水电机组。这种水轮机转速过高其耐磨性能就会降低，抗磨板表面磨损严重的话，反过来又会加速盘根的磨损，密封的有效工作时间就会极大地缩短。
笔者在转速 300 转/分的立式机组上做了个对比，该型密封的有效工作时间甚至不如结构更简单的氟橡胶平板水封高。对水头50 米以上的水电机组，其顶盖水的压力就会增大，清洁密封水的压力也要相应地调整，必须根据主轴密封漏水量大小调节供水压力值，使之符合顶盖排水泵排水要求。另外，水轮机主轴密封的选型范围应将水电站的水质情况作为影响密封性能的重要因素充分考虑进去。
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