回龍電站水泵水輪機主軸密封設計計算

賈 允, 高 欣

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

1 主軸密封工作條件及設計要求

主軸密封運行條件參見表1。

其他工況條件：

機組設計運行工況變換方式：水輪機工況、水泵工況、過渡工況

單機平均每天開停機次數：8次。

密封冷卻水給水壓力：0.7～1.0 MPa

汛期多年平均過機泥沙含量：0.023 kg/m3

多年平均過機泥沙含量：0.006 kg/m3

極端最高水溫：25 ℃

水質PH值：6.3～7.1

旋轉方向：正反轉雙向交替運行

主軸密封設計要求：

主軸密封由工作密封和檢修密封兩部分構成。工作密封不僅要求具有良好的封水性，同時應有良好的封氣性。主軸的軸向位移及徑向擺動應對其密封性能影響很小。工作密封中密封副的轉動環選用不銹鋼材料，固定環選用高耐磨、低硬度、耐腐蝕材料，并應具有足夠的剛強度和水中尺寸穩定性。密封結構應具有運行中的自動補償功能。檢修密封采用常規空氣圍帶式。

表1 主軸密封運行條件

2 密封結構形式選擇

水泵水輪機主軸密封的運行條件復雜：機組吸出高度較常規水輪機大，有時可達－70m，抽水蓄能電站運行時，上、下庫水位變化大且頻繁，這使得主軸密封前的壓力較高且變化較大；機組運行工況多，啟動頻繁，發電和抽水時密封腔內的介質是水，水泵壓水啟動和調相運行時，密封腔內的介質是氣，工況轉換時主軸密封前的壓力變化大；機組雙向旋轉且一般轉速較高，主軸密封處的運行切向線速度較高（30～50m/s）；高水頭水泵水輪機的廠房在地面以下較深處，所以要求機組在停機及運行狀態主軸密封均應投入，主軸密封的故障可能導致水淹廠房的嚴重后果。

水泵水輪機主軸密封的設計制造應滿足上述苛刻的運行條件，一般要求為：主軸密封不僅應有良好的封水性，并應兼有良好的封氣性，能保證密封面在各種復雜工況變化時的良好配合；應有較大的結構剛度，以適應各種工況變化時的沖擊壓力；密封副結構應有良好的自補償性；密封副材料應有良好的耐磨性，最好兼有自潤滑性；密封抗磨環應具有較高的表面硬度并方便更換；如采用徑向密封，在主軸上需裝設可更換的不銹鋼襯套以避免主軸磨損；密封副的接觸面要求供給潤滑、冷卻水，供水壓力應滿足高封水壓力的要求；檢修密封的結構型式，應比較空氣圍帶式與水壓實心密封圈式，根據密封壓力要求選擇。

針對運行的特殊需要，最終設計選擇多層扇形塊式自補償徑向密封作為回龍電站機組的主密封型式，其基本結構參見圖1。

圖1 回龍電站水輪機主軸密封基本結構

工作密封基本組成為：在水輪機主軸上設有馬氏體不銹鋼材料抗磨軸襯。主軸工作密封的密封塊布置為軸向3層，每層周向由6塊高分子材料扇形塊組成封閉圓環，環抱軸徑。密封塊外側設有分段壓板和周向拉伸彈簧，密封塊上下端面設有限制其相對轉動的定位銷。兩層密封塊間通有潤滑冷卻水。

密封工作原理及特點：

利用3層共18塊扇形密封塊環抱旋轉軸徑，阻斷水流的軸向泄漏。利用外供清潔壓力水進行潤滑和冷卻，同時為密封塊提供徑向密封力和補償力，另設拉伸彈簧提供輔助徑向補償力。

該徑向式密封的結構相對簡單，布置緊湊，便于運行、維護及更換密封件，軸向自由度大，密封性能受徑向擺度的影響很小。密封塊磨損后有足夠的徑向補償量。不足之處是需增設主軸抗磨襯套且對軸襯的磨損不易修復和更換。密封件的制造成本高。

該密封形式曾在加拿大GE公司設計的清江隔河巖機組上應用，效果很好。密封為外方設計供貨，設計技術沒有轉讓。由于對密封力、摩擦熱量、泄漏量、密封材料等技術關鍵缺乏認知，使得這一密封形式一直未在哈爾濱電機廠有限責任公司自行設計的機組中推廣應用。回龍電站機組設計中，通過設計人員的立項研究，明確了密封各性能參數間的相互作用關系，得到了正確的定性分析和初步定量分析，為該密封形式的進一步應用提供了技術保障。

3 密封設計概述

3.1 密封壓力設計

密封壓力是指扇形塊應獲得的用于克服其與軸徑間的漏水壓力而實現密封作用的徑向力。回龍電站密封結構的密封壓力由彈簧力和密封水（電站提供的引至扇形塊背側的清潔壓力水）壓力的合力提供。設計使密封水壓力對封水起主導作用，彈簧力只占密封壓力的很小部分。

式中： P2—— 引入密封裝置的密封水壓力，MPa；

P1—— 密封裝置前被密封水的壓力，MPa；

K —— 系數，推薦K取1.15～1.2。

彈簧設置的目的主要用于提供安裝、停機時的初始“抱緊力”，使扇形塊能夠正確就位，即徑向抱緊軸徑，軸向使密封塊單側泄壓間隙為零（即使得扇形塊背壓面與金屬支架靠緊），從而使密封水能夠有效建立起密封壓力。彈簧力在機組運行中的作用是在主軸振動中隨時保證扇形塊環抱軸徑，從而保證密封水能夠始終建立起穩定的密封壓力。彈簧徑向力設計不考慮克服密封副間軸向漏水壓力作用于扇形塊上形成的徑向力。其選取原則應是當扇形塊達到最大補償量時，彈簧徑向力的最小值對扇形塊形成的軸向分力能夠克服扇形塊重力（忽略浮力作用）并略有裕量。

式中： T——扇形塊達到最大補償量時作用于單塊扇形塊上的彈簧徑向力，N；

θ——彈簧力與主軸軸線間的銳角角度值，（°）；

K——系數，推薦K取1.5～ 1.2；

Ms——單塊扇形塊質量，kg；

G——重力加速度，m/s2。

則當由6塊扇形塊配以6只彈簧組成整圓時有：

式中：Fs——每只彈簧周向最小設計拉力，N。

3.2 密封補償設計

為保證扇形塊磨損后的自動補償，扇形塊之間的搭接需留有允許其徑向補償的“補償間隙”，間隙值根據補償量換算確定。

式中：B——補償間隙值，m；

a——單邊徑向補償量，m；

Z——扇形塊數量。

扇形塊的搭接可以有圖2中所示A、B、C三種形式，由于密封水和漏水的壓力都是沿軸向向上遞減的，即總漏水方向向上，A形式漏水量將大于B形式。在B形式基礎上進一步優化，采用如圖中C方式搭接，則又使漏水量進一步減小。

回龍電站密封采取的搭接方式參見圖3。

回龍電站密封扇形塊結構參見圖4。

圖2 密封塊搭接方式

圖3 回龍電站密封扇形塊布置

圖4 回龍電站密封扇形塊結構

3.3 密封泄漏分析

考慮徑向、軸向、動態間隙等因素。

總泄漏量Q的估算為：

式中:Q1——沿扇形瓦徑向間隙的泄漏量，m3/s；

Q2——沿密封副相對滑動面平均間隙的軸向泄漏量，m3/s；

Q3——沿密封副相對滑動面動態不穩定間隙的軸向泄漏量，m3/s；

式中：ΔP——扇形瓦軸向壓差，Pa；

g——重力加速度g= 9.81；

Ag——扇形瓦搭接處軸向間隙的過流面積，m2；

γ——單位體積水重力，γ＝9810N；

L——水流垂直流過截面積為Ag的間隙泄漏所經過的路徑長度，m；

D——軸徑與扇形瓦之間旋轉滑動面處直徑，m；

ΔP——扇形瓦軸向壓差，Pa；

μ——水的動力粘度，30℃時μ＝7.89·10-4(Ns/m2)；

h——扇形瓦軸向高度，m；

ho——軸徑與扇形瓦之間徑向間隙值，m；當密封副旋轉表面與靜止表面粗糙度均值為3.2時，推薦ho＝0.00003m；

W——軸徑與扇形瓦之間動態最大徑向間隙值，m。

3.4 密封冷卻分析

因摩擦副冷卻需要，密封間隙內應始終保證一個最低泄漏量，以帶走摩擦損耗產生的熱量。該流量可按下式估算：

式中：Qw——摩擦副冷卻所需過水流量（m3/s）；

Pf——摩擦功，W；

Cw——水的比熱，Cw＝4180 Nm/kg℃；

ρ——水的密度，ρ＝1000 Kg/m3；

t2——流經密封裝置后的水溫，℃；

t1——進入密封裝置前的水溫，℃。

摩擦功按下式計算：

式中：Z——扇形塊軸向層數；

p——扇形塊與軸徑間的比壓，N/m2；

h——扇形塊軸向高度，m；

D——轉軸外徑，m；

π——圓周率；

υ——相對運動表面線速度，m/s；

μ——水潤滑工況下相對運動表面摩擦系數，主要決定于扇形塊材質。

對于回龍電站密封扇形塊μ＝0.01。

計算所得摩擦副冷卻所需過水流量Qw小于總泄漏量Q即為合格。

4 密封材料選擇

軸徑處不銹鋼襯套的材料選用，應以材質硬度高且易于獲得高精度加工表面為原則，同時允許局部補焊修復。推薦表面硬度260～300 HB，推薦材質S135馬氏體不銹鋼。

扇形塊材料選用應以高耐磨、低硬度、低摩擦系數、加工性好、水中尺寸穩定、具有足夠剛度等為原則。

回龍密封扇形塊選用材料參數參見表3。

表3 回龍電站密封扇形塊選用材料參數

5 結論

通過對回龍電站水泵水輪機主軸密封的設計研究，初步掌握了徑向扇形塊密封結構的技術關鍵，找出了影響密封性能的各設計參數間的相互作用關系，實現了密封性能的初步定量分析，為今后進一步推廣應用打下良好基礎。

回龍電站水泵水輪機主軸密封實際運行效果良好。隨后設計并應用于尼爾基、樂灘、白山等電站機組的此型式主軸密封均運行良好。

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