水輪機靜壓自調(diào)式主軸端面密封設(shè)計

顏海霞，陳維勤，熊建平（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

水輪機靜壓自調(diào)式主軸端面密封設(shè)計

顏海霞，陳維勤，熊建平
（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

摘要：靜壓自調(diào)式端面密封是一種目前國內(nèi)大中型機組中應(yīng)用較廣泛的水輪機主軸密封，這種密封性能良好、密封穩(wěn)定可靠。本文結(jié)合功果橋水輪機設(shè)計較系統(tǒng)介紹了靜壓式主軸端面密封的結(jié)構(gòu)特點及工作原理，并對其計算數(shù)學(xué)模型及計算結(jié)果進行了簡要說明。

關(guān)鍵詞：水輪機；靜壓自調(diào)式主軸端面密封

1　前言

目前國內(nèi)大中型水輪機主軸密封較廣泛地使用靜壓自調(diào)式端面密封，該密封設(shè)置在水導(dǎo)軸承與轉(zhuǎn)輪之間，可以有效地減少或防止壓力水從轉(zhuǎn)動部件與固定部件之間泄漏，避免淹沒水導(dǎo)軸承，防止機組事故，保證電站的安全，其密封性能良好、密封穩(wěn)定可靠。

我公司設(shè)計、制造的功果橋電站水輪機主軸密封采用了靜壓自調(diào)式端面密封，該電站位于瀾滄江中下游河段規(guī)劃梯級的最上游一級，庫尾緊接苗尾水電站，下游與小灣水電站相接。電站共安裝4臺混流式水輪發(fā)電機組，額定水頭58m，單機額定容量225MW，總裝機容量900MW，年發(fā)電量40.41億kW·h。

本文結(jié)合功果橋水輪機設(shè)計的主軸端面密封工作原理及結(jié)構(gòu)特點作了一個較全面的介紹，并對其計算數(shù)學(xué)模型及計算結(jié)果進行了簡要說明，以供同行在今后水輪機采用該密封設(shè)計時提供參考。

2　結(jié)構(gòu)簡圖

靜壓自調(diào)式端面密封結(jié)構(gòu)簡圖見圖1所示，它主要由轉(zhuǎn)動部件、軸向可動部件、固定部件及監(jiān)測部件等組成。其轉(zhuǎn)動部件主要指安裝在水輪機主軸（項1）上的主軸保護罩（項12）和抗磨環(huán)（項11）。軸向可動部件主要有浮動密封支座（項2）、工作密封塊（項9）及彈簧（項8）。其固定部件主要有水箱（項4）、彈簧塞堵（項5）、調(diào)整墊塊（項6）、彈簧支座（項7）、支撐法蘭（項9）及供排水管路附件等組成。簡圖中項3表示密封磨損監(jiān)測裝置。

圖1靜壓自調(diào)式端面密封簡圖

1-主軸2-浮動密封支座3-密封磨損量監(jiān)測裝置4-水箱 5-彈簧塞堵6-調(diào)整墊塊7-彈簧支座8-彈簧9-支撐法蘭10-工作密封塊11-抗磨環(huán)12-主軸保護罩

3　工作原理

當水輪機運轉(zhuǎn)時，通過頂蓋與轉(zhuǎn)輪間隙泄漏的水匯集于A腔中，形成一定的水壓。

帶壓力的清潔水分8路均勻通過浮動密封支座的進水孔進入工作密封塊，與安裝在主軸保護罩上的抗磨環(huán)形成密封副，轉(zhuǎn)動后即可形成水膜，保證工作密封塊與抗磨環(huán)不發(fā)生直接的物理接觸，這樣可以減小工作密封塊及抗磨環(huán)的磨損，提高密封使用壽命。

清潔供水壓力設(shè)置應(yīng)高于A腔水壓，根據(jù)經(jīng)驗，兩者壓力差通常不小于0.05MPa，因此隔斷了含沙量大的渾水進入工作密封塊與抗磨環(huán)的摩擦面，起到了潤滑冷卻作用。如果A腔的壓力變大時，浮動支座受到向下的水壓力增大，在特定的彈簧力下，水膜的厚度隨著A腔壓力增大而減小，作用在密封塊內(nèi)部向上的力將變大，從而使密封塊往上運動，直到形成合適的水膜厚度，反之亦然，因此該端面密封具有自調(diào)式能力。

清潔水的流向分成兩部分，一部分經(jīng)密封塊和抗磨環(huán)之間的間隙流到A腔，另一部分通過浮動密封支座與水輪機主軸之間的間隙匯集至水箱，通過1-DN150排水管道排入廠房滲漏集水井。

4　結(jié)構(gòu)特點

4.1耐磨密封副材料選擇及相關(guān)設(shè)計

工作密封塊與抗磨環(huán)構(gòu)成密封副，密封副作為密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在，選用材料的耐用性及合理可靠性是我們的主要關(guān)注點。

根據(jù)工作密封塊的平均線速度及水質(zhì)，目前材料有碳精、高分子聚合物及橡膠等。

功果橋電站的工作密封塊平均線速度為12.6m/s，選用了某進口高分子材料，其主要性能參數(shù)見表1。

表1高分子材料主要性能參數(shù)

從表1可以看出該材料耐泥沙性能好，耐磨性好，耐腐蝕，耐溫性強，抗沖擊性能好，水脹率小且水摩擦系數(shù)較小。

從經(jīng)濟和安裝方便考慮，工作密封塊通常分成多瓣。密封塊分瓣面采用插接形式，組裝成圓環(huán)后用螺栓固定在浮動密封支座的下部。圖2為功果橋電站工作密封塊接頭處示意圖，該密封塊分為6瓣。

安裝在主軸保護罩上的抗磨環(huán)采用了優(yōu)良的耐磨不銹鋼鋼板。通過增加板厚、筋板等保證主軸保護罩有足夠剛度，特別對抗磨環(huán)的平面度進行嚴格控制，以保證密封副水膜厚度均勻，不發(fā)生直接的物理接觸。

圖2 工作密封塊接頭處示意圖

為了讓密封副處受力符合計算模型，從而保證水膜均勻，需要有效地隔斷A腔與B腔的通道。我們在浮動密封支座與彈簧支座之間安裝耐磨的氟橡膠密封條。彈簧處則采用了特殊的彈簧塞堵壓緊并安裝有可靠的O型圈密封。

同時，為了保證工作密封塊只做軸向運動，防止周向的轉(zhuǎn)動，以避免相對轉(zhuǎn)動后造成彈簧錯位從而損壞密封裝置的事故，我們通過在浮動密封支座上設(shè)置4塊止動板，與安裝在彈簧支座上的4個止動銷形成止動，兩者采用了小間隙配合。

為了方便檢測到密封塊的實際磨損量，我們在浮動支座上安裝了指針，水箱蓋上設(shè)置了可調(diào)的刻度盤及高精度的行程開關(guān)，前者可以在現(xiàn)場直觀讀數(shù)，后者精確地將磨損量及時傳遞到監(jiān)控室。

4.2密封塊使用壽命設(shè)計

功果橋電站合同要求工作密封塊應(yīng)至少能運行40000h或5年而不用更換。

端面密封用彈簧設(shè)計作用力范圍一般是12mm，在此范圍彈簧力滿足使用要求，否則會造成彈簧性能及穩(wěn)定性不良，彈簧受力圖見圖3。受此影響，密封塊一般在磨損12mm后需要更換，而密封塊廠家給出的密封塊磨損12mm時使用壽命不小于20000h，針對這種情況，我們對密封結(jié)構(gòu)進行了特殊設(shè)計，設(shè)置了一個可拆除的12mm厚調(diào)整墊塊，并將密封塊可磨損厚度設(shè)計為24mm。

圖3彈簧受力簡圖

當磨損量達到12mm時，行程開關(guān)會報警。檢修時撤去12mm厚的調(diào)整墊塊，重新安裝調(diào)整彈簧，其壓縮量重新回到初始安裝的狀態(tài)，此時可調(diào)的磨損檢測裝置中的指針及刻度盤將回復(fù)到磨損指示為0mm，這樣密封塊可在再磨損12mm后更換。

通過該結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大延長了密封塊的使用壽命，使其壽命增加了1倍，這樣保證了滿足合同要求的正常工作范圍內(nèi)密封使用壽命。

4.3安裝及檢修方便性設(shè)計

一般說來，該密封結(jié)構(gòu)中的彈簧支座和支撐法蘭通常設(shè)置為同一部件，但考慮到水導(dǎo)軸承、頂蓋及轉(zhuǎn)輪之間安裝的空間小，為了方便密封裝置的安裝及檢修，我們對該處結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，不僅浮動支座采用了分瓣結(jié)構(gòu)，而且分別設(shè)置了彈簧支座和支撐法蘭。

采用這種結(jié)構(gòu)，彈簧支座與支撐法蘭可以設(shè)置較小尺寸，加上采用分瓣結(jié)構(gòu)，安裝時該密封各部件均能很方便吊裝，最大限度地利用有限的空間。

5　計算模型、程序及結(jié)果說明

5.1計算模型

工作時，該密封副軸向受力的模型簡圖見圖4。

圖4密封副軸向受力簡圖

通過分析該密封副特點，由于水膜厚度與間隙寬度相比足夠小，故此處密封副可簡化為定常、有粘性、不可壓縮的平行平板間的徑向流動。

其中：

5.2計算程序

為了達到理想的密封效果，需要選擇合適的參數(shù)，經(jīng)歷了初定→驗算→最終確定的反復(fù)計算過程，計算程序框圖見圖5。

圖5計算程序框圖

其中判定參數(shù)選取是否合理的一個重要的評判關(guān)鍵是水膜的厚度值是否落在設(shè)定的上、下限值區(qū)間內(nèi)。

若水膜小于設(shè)定的下限值，由于密封塊與抗磨環(huán)之間間隙太小，無法形成均勻的水膜，容易出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。

若水膜大于設(shè)定的上限值，造成漏水量大，密封失效現(xiàn)象，不符合電站經(jīng)濟節(jié)能運行。

5.3計算結(jié)果說明

我們通過計算程序反復(fù)計算了不同工況下，功果橋電站密封副前期及后期的各種曲線關(guān)系，現(xiàn)選取其中一組曲線圖，詳見圖6、圖7示例。

圖6被密封A腔P3與總供水量關(guān)系圖

圖7總供水量與水膜厚度關(guān)系圖

其中：

圖6、圖7列出了某工況下被密封A腔與總供水量、總供水量與水膜厚度的關(guān)系曲線。

我們可以直觀地看出該密封副水膜厚度值基本上處于設(shè)定值區(qū)間內(nèi)。

通過以上曲線，我們認為該密封副可根據(jù)密封A腔壓力自動適應(yīng)能力，即密封水壓產(chǎn)生的向上作用力與向下作用力存在一定的關(guān)系，滿足轉(zhuǎn)動時水膜的形成條件，可以相互作用達到動態(tài)平衡，因此可以預(yù)見該密封結(jié)構(gòu)封水性能穩(wěn)定可靠，具有壽命長等優(yōu)點。

6　結(jié)語

本文對水輪機靜壓自調(diào)式主軸端面密封結(jié)構(gòu)及設(shè)計要領(lǐng)進行了較詳細介紹，功果橋水輪機采用了該密封結(jié)構(gòu)，該電站四臺機自2011年11月先后投運至今，主軸端面密封性能良好，密封塊磨損量小，運行安全穩(wěn)定，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，具有較高的推廣價值。

參考文獻：

[1]顏海霞．裘學(xué)軍．熊建平．水輪機主軸密封的研究和實踐[J]．水電站機電技術(shù)，2011(6)．

[2]李觀虎．水壓式主軸密封的數(shù)學(xué)分析[J]．大電機技術(shù)，1993(5)．

中圖分類號：TK730.3+25

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0005-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.002

收稿日期：2014-11-28

作者簡介：顏海霞（1977-），女，工程師，從事水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。