水電廠水輪機主軸密封的優缺點分析

梁仲堅

（廣州市水電建設工程有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

近年來我國經濟持續穩定發展，在發展的同時，對供電的需求也不斷提高，而現如今電力生產的主要渠道是通過水電廠，水電廠如今和人們的生活密切相連。在水電廠中，水輪機是其重要的組成部分，而對水輪機來說，主軸密封是不可缺少的重要部件。但是主軸密封容易出現故障，其安全性沒有得到非常好的保障，所以這個問題也是目前國內水電行業亟待解決的問題。目前水輪機通常會在高壓、高速的環境下進行工作，這對水輪機的工作又造成了非常大的壓力，其中的密封件容易受到水中的泥沙磨損，漏水的現象時有發生，這使得工作效率急劇下降，可靠性也隨之降低，所以需要定時的更換密封件。針對出現的這種狀況，水輪機的主軸密封才開始出現，它的出現代替了傳統的水輪機密封元件，能夠使水輪機正常運作，且提高了工作效率和質量。

2 水輪機主軸密封的意義和分類

水輪機是一種能量轉化機器，是通過一定的方式將水能轉化為轉輪旋轉的機械能，產生機械能之后，再通過轉輪的旋轉驅動發動機產生電能。水輪機的動力來源于水，由于我國的地勢特點以及河流特點，河流中的泥沙較多，尤其是在雨季，較多的泥沙會給傳統的密封方式帶來破壞。很多密封方式在使用一段時間之后會產生嚴重的磨損，從而影響正常的使用，開始出現漏水的現象。

水輪機的主軸密封能夠對水輪機起到保護作用，這種裝置的使用能夠保證水輪機正常運行，它能夠有效的阻擋水流從主軸與頂蓋之間間隙上溢，能夠防止水輪機導軸承及頂蓋被淹，能夠維持軸承和機組的正常運行。

在目前水輪機主軸密封主要有兩種分類：①按工作性質劃分的，分為檢修密封和工作密封。工作密封中有又有許多分類，按照密封的結構型式可以分為：平板密封、盤根密封、端面密封等；②按水輪機主軸密封結構劃分的，分為接觸式密封和非接觸式密封。非接觸式密封方式包括反螺旋密封、離心式密封。

3 多種水輪機密封方式的結構特點及優缺點分析

3.1 盤根密封的結構特點及優缺點

盤根密封是最傳統的水輪機主軸密封方式，其結構如圖1所示。

圖1 水輪機主軸盤根密封結構示意圖

如圖1所示，盤根在主軸和前蓋板之間纏繞，纏繞后再由壓蓋和螺釘對其進行加固操作。

優點：這種密封結構非常簡單，制作方便，不需要投入較多的成本。

缺點：這種密封結構的適用范圍較小，其只能用于周圍泥沙含量較少的電站，因為如果泥沙含量較多，使用盤根密封的水輪機主軸會容易受到泥沙的影響，過多的泥沙會對主軸產生很大程度的磨損。

3.2 反螺旋密封的結構特點及優缺點[1]

由于接觸式密封方式的適用范圍小，若泥沙含量較大容易受到磨損，所以應優先選擇非接觸式密封方式。

反螺旋密封方式的設計原理是：利用螺旋的思想對密封方式進行改進，借助刻有螺旋槽的一面，如果軸發生轉動，螺旋能夠通過間隙內的流體產生一定的壓強，這個壓強能夠防止流體發生泄漏。

基本的計算是：

（1）首先計算壓強，壓強的計算方法是：再密封液中，取浸入密封液的螺旋長度為L，壓強計算公式是：

在這個公式中，h代表半徑間隙，d代表螺旋的直徑，取這些量的單位為m，密封液的粘稠度用η來表示，ω用來表示角速度，CP是增壓系數。

（2）其次要計算功率，該功率為在密封液中，螺旋浸入密封液的長度為L時，其螺旋密封所消耗的功率[2]。

通過對密封效果和壓強的分析，可以知道，當密封間隙越小，其密封的效果就越好。

優點：可以適用于泥沙含量較大的電站，水輪機主軸不會受到明顯的磨損，且密封效果可控。

缺點：為了提高密封的效果，會加大單邊密封的間隙，在使用較長的一段時間之后，密封的間隙會不斷增大，因而會產生更加嚴重的泄漏情況。如果出現這種狀況，就必須要更換密封環，由于密封環所處的特殊位置，要想更換密封環就必須要停機，停機修理的時間較長，就會對發電的效率產生影響。

3.3 離心式密封的結構特點及優缺點

在所有的密封結構中，離心式密封式使用較多的一種密封方式，并且這種密封方式不會受到高溫的影響，一般將這種方式應用于壓差較低（接近于零）的地方。其工作原理是：使流體產生離心力，產生離心力的方式是利用轉子旋轉。當流體產生離心力后，甩水可以利用離心力的作用控制水的甩出方向，從而能夠避免水進入泄漏縫隙，以免造成其他的影響，這樣也能夠達到密封的作用。

優點：這種密封方式和螺旋密封方式相比，可以允許具有較大的密封間隙，較大的密封間隙，可以將含有較多雜質的水流控制住，不會產生任何泄漏同時不會產生磨損。這種密封方式的結構也比較簡單，如果出現故障后也容易檢修，不需要較大的資金投入，同時還具有較高的可靠性，使用的時間也很長。

基本能計算是[3]：

（1）首先計算壓力差：

其中，ω是密封液的平均角速度，da、di是液體的自由表面直徑，ρ為液體的密度，gc是一種換算因子。

（2）其次需要計算的是所消耗的功率：

與其他密封方式相比，離心式密封的，密封效果最好。在90世紀，我國引進了第一臺進口美國型號為HL110-WJ-50水輪機主軸密封形式改為離心式密封結構。之后，又對其他的一些老產品進行改造，改造的主要內容是，將傳統的主軸盤根密封結構改為離心密封結構。對于新開發的一些水輪機的產品，全部都使用離心密封結構，不再使用傳統的主軸盤根密封結構。這種結構安裝非常方便，并且后期的維修和調整也易于操作。

4 結束語

綜上所述，在水電廠的實際工作中，水輪機的主軸密封處于非常重要的位置，它能夠影響水輪發電機在運行狀態，好的密封方式能夠使水輪發電機處于較穩定、可靠的狀態。就目前來看，主軸密封在水輪機中雖然說是一個比較小的組成部分，但是如果其具有缺陷，影響是非常大的，它會使得水電廠的工作效率降低，使水電廠不能夠正常運作，還會給經濟帶來巨大的壓力。本文主要對傳統的密封方式以及兩種非接觸式密封方式進行具體分析，詳細討論了這幾種水輪機主軸密封的特點及優缺點，通過對其分析可以對今后主軸密封的發展和完善有所幫助。

[1]趙國建.試論主輪機主軸密封原理及應用分析[J].學術討論會，2013（1）：1～15.

[2]劉后桂.密封技術[J].湖南科學技術出版社，2013（12）：18～25.

[3]袁 蕊，田字勤.水輪機檢修[J].中國電力出版社，2013（2）：123～125.