灯泡贯流水轮机主轴密封结构选型

灯泡贯流水轮机主轴密封结构选型

甘锦健

(梧州桂江电力有限公司广西梧州543000)

摘要：在灯泡贯流水轮机中，主轴密封是其中作为关键，且起着决定性作用的部件，其密封效果直接决定着整体的工作效率。本文对灯泡贯流水轮机的主轴密封结构的不同密封方式进行了分析，并且对主轴密封结构的选型进行了探讨。

关键词：灯泡贯流水轮机；主轴密封；选型

引言：主轴密封只设置在水导轴承与转轮之间的一个重要部件，其作用是用于减少主轴与固定部件之间的漏水量，主轴密封的效果和性能直接决定着机组是否能够稳定运行，甚至影响着整个电站的经济效益，所以，对于有关水轮机主轴密封的各个环节，都应该加以重视。灯泡贯流式水轮机之所以会对主轴密封有着较高的要求，是因为一旦主轴密封发生漏水现象，并且漏水不断积聚在灯泡体内，就会造成严重的安全事故，也由于灯泡体内的容积较小，所以在进行主轴密封时，其结构一定要尽可能的简单，以方便日后的检修和更换，但是，如何设计出一款结构简单、维护方便和成本低的主轴密封结构，至今都是人们在不断探索的问题。从灯泡贯流水轮机的性质上来看，具体可以分为主轴检修密封和主轴工作密封，两种密封结构的作用有着明显不同。

一、主轴检修密封

主轴检修密封其实是主轴密封工作的一个辅助手段，当水轮机停止工作时，主轴检修密封就开始发挥其作用，避免流道内的压力水在检修过程中流入工作室中，进而影响到检修工作。鉴于灯泡贯流式机组的特殊性，也有部分小型灯泡贯流式机组没有设置主轴检修密封，此时如果机组停机，则主轴工作密封一直有较小漏水需要排出。一般情况下，灯泡贯流式水电站通常会落下流道进水口检修闸门和尾水检修闸门，排干机组流道水，之后再检修或更换主轴工作密封，以进一步确保检修时的人身安全。空气围带式检修密封。其结构简单、制作容易、维护方便，密封效果良好。主轴检修密封主要由供气管路、连接法兰、空气围带和主轴构成。

在流道中没有充水或者水轮机运转时，空气围带不充气，此时空气围带与主轴间有2mm左右的间隙；在机组停机时，需要投入检修密封，向空气围带充入0.4～0.7Mpa的空气压力，空气围带充胀贴紧旋转部件(如：主轴或抗磨环)起到密封作用，阻止流道内河水通过主轴工作密封而泄漏，此时检修密封处于工作状态。

二、主轴工作密封

主轴工作密封是机组主轴密封的关键部件，其型式多种多样，主要有盘根密封、碳精密封、迷宫密封、梳齿密封、平板橡胶密封、端面密封等形式，也可由上述几种形式组合构成。以下主要阐述灯泡贯流式水轮机中常见的主轴工作密封形式。

1.主轴盘根密封

盘根密封是一种最常规的密封形式，具有结构简单、维护方便的特点，广泛应用于贯流式水轮机主轴密封设计中，能有效地满足主轴密封的要求。

1.1盘根密封结构

盘根密封结构主要由水封盖、水封支撑、密封圈、工字环、抗磨环和压力调节装置及供水管路等组成。盘根密封作用原理为密封圈端面在压力作用下径向扩张与抗磨环形成接触密封。密封圈中间设置密封冷却水。密封冷却水的作用：一是冷却盘根和抗磨环，防止盘根因摩擦发热而烧损；二是起到水润滑的作用；三是阻止河水进入，减小泥沙磨损。通常盘根密封设置自动调整装置，自动调节盘根轴向压缩量从而保证密封漏水量正常，减小电站盘根密封的维护工作量。

1.2密封供水量控制问题

盘根密封在实际应用中一个较为普遍的问题是密封供水量控制的问题，其主要表现为：(1)在机组投产的时候，密封水流量较小达不到正常设计流量，并往往低于开机流量，造成机组无法开机。(2)在机组运行一段时问后，密封水流量进一步减少，最终的稳定流量很小，远低于设计流量，流量变送器很难将实际流量采集送出，供计算机监控使用。究其原因，主要是采用盘根密封结构的机组密封问隙小，所需要的密封水量本来就不大，机组运行一段时间后由于压力作用及材料膨胀的原因，使得主轴抗磨环与盘根的过流间隙变得更小。主轴密封供水量是受盘根密封漏水量制约的，在漏水量很小的情况下密封供水量也很小，造成上述问题。解决的对策为：(1)通过重新核算盘根密封所需的冷却水流量，重新整定设计流量值。(2)更换盘根密封材料，盘根密封材料要求具有良好的耐热性能，防止因冷却水量小而烧损。盘根密封属接触密封，其缺点是机械磨损大，使用寿命较短，特别是当河水泥沙含量大时，磨损更加严重，需要经常更换。同时，盘根密封的摩擦阻力较大，也增加了水轮机的机械损失。所以选用时应进行综合比较。

2.碳密密封结构原理

碳精密封主要有水封盖、弹簧座、碳精支座、碳精环、滑板和供水管等组成。弹簧座通过连接法兰与内导环固定，碳精环固定在碳精支座上成一体，碳精支座可以在弹簧座上轴向移动，滑板直接把合在主轴法兰上。机组运转时，两道碳精环在弹簧力的作用下压在旋转的滑板上，在两道碳精环和滑板形成的密封腔中通人润滑水，润滑水在密封腔中形成的压力与弹簧的压力保持平衡，在碳精环与滑板之间形成水膜润滑摩擦副。润滑水膜厚度不随密封磨损而变化，并带走摩擦产生的热量。

3.迷宫和橡胶平板组合密封结构原理

迷宫和橡胶平板组合式密封结构主要由抗磨环、橡胶密封板、迷宫环、支撑环等组成，迷宫环上设置4组依次排列的环形密封齿，齿与齿之间形成一系列节流间隙与膨胀空腔，当水流通过迷宫间隙时产生节流效应，形成很大的水力损耗，使水头大为下降，从而达到减压密封的目的。在迷宫密封后为平板密封，橡胶密封板与抗磨环的间隙可以根据漏水量大小进行调整。

三、密封结构形式的选择

由于主轴密封结构的形式是多种多样的，所以，如何选择出一个合适的形式就成为了首要问题，一定要在综合考虑之后做出选择，在进行选择的过程中，不仅仅要考虑河水中的砂质含量，还要考虑所选择的供水设备在后期的维修成本，并且做好一旦发生意外，如何及时解决的准备，由上述可知，盘根密封结构的结构形式十分简单，其性能也十分稳定，尽管现在已经是一种技术十分成熟的常规结构，但是，其抗磨损能力较差，且磨损后的维修十分麻烦。

碳精密封对密封水质有较高的要求，供水系统成本较高，同时国产碳精环质量难以满足使用要求，采用进口碳精环成本又很高，而且对密封面加工及安装要求高。因此，近几年已很少采用此形式。作为改造方案，用高分子材料密封块代替碳精环也是一种选择，在耐磨性方面会有改善。但对于卧式机组来说，主轴挠度、密封块支座重力及弹簧力不平稳等因素易造成密封块转动时摆度加大、漏水量增加以及磨损加剧，密封的实际使用寿命较难达到设计要求。迷宫、梳齿分别与橡胶平板组合而成的密封结构原理基本相同，但梳齿结构比直通式迷宫阻流效果更好，并且梳齿结构为端面密封，密封齿沿径向布置，轴向结构较为紧凑，有利于减小转轮悬臂长度，改善主轴及导轴承受力状况。由于布置位置等限制，对于电站改造采用迷宫和橡胶平板组合密封结构是合适的，而对于新设计的灯泡贯流机组一般可采用梳齿橡胶平板组合式密封结构型式。这两种密封结构形式的共同特点是结构性能可靠、摩擦损失小、使用寿命长、运行维护成本低，是较为合理可靠的结构形式。

结语：随着我国科学技术的不断发展，灯泡贯流式水轮机主轴密封结构的性能正在不断提升，许多水电企业都开始根据电站的实际生产情况与经济承载能力对主轴密封的结构形式进行选择，但是，如何选择出一个最为合适的贯流式水轮机的主轴密封结构，仍然是目前许多业内人士正在研究的话题，今后也将继续深入探讨这个问题，使后期的主轴密封工作能够更加可靠、安全。

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