水輪機靜壓自調式主軸端面密封設計

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

水輪機靜壓自調式主軸端面密封設計

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

摘要：靜壓自調式端面密封是一種目前國內大中型機組中應用較廣泛的水輪機主軸密封，這種密封性能良好、密封穩定可靠。本文結合功果橋水輪機設計較系統介紹了靜壓式主軸端面密封的結構特點及工作原理，并對其計算數學模型及計算結果進行了簡要說明。

關鍵詞：水輪機；靜壓自調式主軸端面密封

1　前言

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

我公司設計、制造的功果橋電站水輪機主軸密封采用了靜壓自調式端面密封，該電站位于瀾滄江中下游河段規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臺混流式水輪發電機組，額定水頭58m，單機額定容量225MW，總裝機容量900MW，年發電量40.41億kW·h。

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

2　結構簡圖

靜壓自調式端面密封結構簡圖見圖1所示，它主要由轉動部件、軸向可動部件、固定部件及監測部件等組成。其轉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（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表示密封磨損監測裝置。

圖1靜壓自調式端面密封簡圖

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

3　工作原理

當水輪機運轉時，通過頂蓋與轉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形成密封副，轉動后即可形成水膜，保證工作密封塊與抗磨環不發生直接的物理接觸，這樣可以減小工作密封塊及抗磨環的磨損，提高密封使用壽命。

清潔供水壓力設置應高于A腔水壓，根據經驗，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式能力。

清潔水的流向分成兩部分，一部分經密封塊和抗磨環之間的間隙流到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　結構特點

4.1耐磨密封副材料選擇及相關設計

工作密封塊與抗磨環構成密封副，密封副作為密封結構的關鍵所在，選用材料的耐用性及合理可靠性是我們的主要關注點。

根據工作密封塊的平均線速度及水質，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，其主要性能參數見表1。

表1高分子材料主要性能參數

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較小。

從經濟和安裝方便考慮，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采用了優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，特別對抗磨環的平面度進行嚴格控制，以保證密封副水膜厚度均勻，不發生直接的物理接觸。

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，防止周向的轉動，以避免相對轉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，水箱蓋上設置了可調的刻度盤及高精度的行程開關，前者可以在現場直觀讀數，后者精確地將磨損量及時傳遞到監控室。

4.2密封塊使用壽命設計

功果橋電站合同要求工作密封塊應至少能運行40000h或5年而不用更換。

端面密封用彈簧設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，我們對密封結構進行了特殊設計，設置了一個可拆除的12mm厚調整墊塊，并將密封塊可磨損厚度設計為24mm。

圖3彈簧受力簡圖

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

通過該結構設計，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密封使用壽命。

4.3安裝及檢修方便性設計

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

采用這種結構，彈簧支座與支撐法蘭可以設置較小尺寸，加上采用分瓣結構，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，經歷了初定→驗算→最終確定的反復計算過程，計算程序框圖見圖5。

圖5計算程序框圖

其中判定參數選取是否合理的一個重要的評判關鍵是水膜的厚度值是否落在設定的上、下限值區間內。

若水膜小于設定的下限值，由于密封塊與抗磨環之間間隙太小，無法形成均勻的水膜，容易出現燒毀現象。

若水膜大于設定的上限值，造成漏水量大，密封失效現象，不符合電站經濟節能運行。

5.3計算結果說明

我們通過計算程序反復計算了不同工況下，功果橋電站密封副前期及后期的各種曲線關系，現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與總供水量關系圖

圖7總供水量與水膜厚度關系圖

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定值區間內。

通過以上曲線，我們認為該密封副可根據密封A腔壓力自動適應能力，即密封水壓產生的向上作用力與向下作用力存在一定的關系，滿足轉動時水膜的形成條件，可以相互作用達到動態平衡，因此可以預見該密封結構封水性能穩定可靠，具有壽命長等優點。

6　結語

本文對水輪機靜壓自調式主軸端面密封結構及設計要領進行了較詳細介紹，功果橋水輪機采用了該密封結構，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，運行安全穩定，達到了預期的設計要求，具有較高的推廣價值。

參考文獻：

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

[2]李觀虎．水壓式主軸密封的數學分析[J]．大電機技術，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，從事水輪機結構設計工作。