水轮机无接触主轴密封的探讨

摘要：传统主轴密封磨损大、易冒烟、易漏水等问题长期困扰水电站的运行，我公司在设计过程中采用的无接触主轴密封结构很好的解决了以上问题，经实际运行效果良好，本文就其结构特点、工作运行原理进行了探讨。

关键词： 水轮机; 主轴密封; 无接触密封; 泵盖板

1 前言

主轴部分的密封装置分两种，一种是在机组正常运行中防止机组漏水的主轴密封。如盘根、垫料式密封，单层或双层橡胶密封，径向或端面碳精块（尼龙块）密封，水泵密封等等。另一种密封是机组停机检修轴承和轴承下部主轴密封时防止尾水往机坑内泄漏的检修密封。水轮机主轴密封的作用是减少水轮机转动部件与固定部件之间的漏水量。水轮机主轴密封的漏水问题,直接威胁着机组的安全运行,尤其是多泥沙河流上的水电站,往往由于泥沙磨损或流道堵塞等原因,造成

主轴密封在短时间内因磨损严重而漏水,被迫停机检修。许多电站在机组投产初期就多次发生主轴密封烧磨、冒烟、漏水的事故。有的电站由于主轴密封漏水, 出现水淹水导、水淹厂房的事故, 有的电站特别是浑水电站, 机组投产初期工作密封效果很好, 但运行不长时间, 主轴密封就磨损, 需要更换, 因此在机组结构设计时, 在密封形式选择上应充分考虑, 要结合电站的实际条件, 要特别注意水头和泥沙含量,如盘根密封在清水电站应用可以使用几年, 而多泥沙电站一个汛期就需更换, 有的甚至过不了一个汛期就磨损坏, 造成电站汛期停机, 影响电站的经济效益。为此，制造、安装和运行等单位对主轴密封的结构型式进行了长时间、多方面的试验改进,以期找到一种适用于多泥沙河流上水电站水轮机主轴密封的结构型式。而我们要探讨的就是近年来在水电机组中应用效果较好的一种工作密封形式――无接触密封。本文就将其工作原理、结构特点和使用注意事项做以下介绍。

2结构特点

在卧式、立式高水头高转速机组上我厂采用了无接触式的主轴密封，此种密封对水质要求相对较低、不易磨损、漏水量少，通过旋转件和固定件之间形成很小的曲折间隙来实现密封。现在，此种结构在多个电站已得到应用，受到了业主的好评

图1所示结构即为在混流卧式机组中应用的无接触主轴密封结构，通过转动环与静止环间形成的多道封水间隙达到密封的效果，主轴密封工作时, 主轴密封

的静止部分与转动部分不接触, 所以主轴密封不产生磨损, 这样密封有极长的寿命。对少量漏水经挡水环作用，漏至下方，经排水管排至集水井，达到防止漏水从轴向漏出的目的。

图2所示结构即为在混流立式机组中应用的无接触主轴密封结构, 其工作原理是在在水轮机转轮顶部设有泵板装置，由于泵板的吸出作用，主轴法兰始终处于大气之中，轴与轴封间不接触并只有一层空气，该密封有极长的寿命。该主轴密封为不接触迷宫型，由紧靠着轴上的转动套、密封箱和主轴密封排水管等部件组成。在水轮机正常运行情况下，整个负荷范围内密封盒上无水压。转轮上的泵板随转轮一起旋转防止水和固体进入主轴密封，同时泵板排水管防止沙或固体物质积在水机顶盖下，并将透过上止漏环的少量漏水通过泵板排水管排至尾水。在起动和关闭速度降低情况下。水压可能达到轴封，此时由于迷宫环状密封箱的扩散作用使漏水压力大幅度下降，同时位于每个迷宫环之间的主轴密封排水管可有效地防止水漏在封密箱上，并将渗漏水排至电站集水井。该种新型密封已逐步被推广，在多个电站中被应用，且运行效果较好。

3混流立式机组无接触主轴密封运行原理

3.1 水轮机正常工作时

密封转动并完全干燥, 由于有泵装置, 在额定转速情况下, 整个负荷范围内密封环上无水压。

3.2 低于额定转速连续运行

在起动和关闭速度降低情况下, 水压可能达到轴封, 密封在短期内象迷宫环密封那样工作, 位于每个迷宫环之间的虹吸型排水管可有效防止水漏在密封环上, 排水管通至电站集水井, 对于不淹没式的机组, 排水管直接引至尾水。

3.3 静止状态下

在静止状态下, 可胀大的检修密封可防止水漏过密封环, 如果这个密封失败的话, 其漏水不会很大, 因为密封箱会象一个迷宫环那样工作, 起到密封的效果。

3.4 减压系统

在转轮上冠设计一道或二道梳齿密封, 可以有效减少转轮和顶盖之间的水压值, 转轮密封的密封水通过排水管排出, 转轮和顶盖之间的水压值由排水管中的水压决定。由于随着机组运行,密封的磨损会导致密封水流量的增加, 所以设计排水管的尺寸应足够大。顶盖排水管内的水排至尾水或冷却水系统, 管路上的弯头应尽量少, 不设闸阀或节流阀以免误动作而使排水管不畅通。当密封水被用作冷却水时, 排水管通向冷却水箱, 水位通过溢流或其它方式进行控制。冷却水系统的布置与设计厂家协商决定, 因为进行轴密封系统设计和水推力负荷计算时必须考虑到排水系统中的压力水平。

3.5 空气系统

为了在部分负载和过载情况下稳定运行, 减少尾水管中的压力脉动, 有必要向尾水管中心补充空气, 因为转轮上的泵装置会使主轴法兰上方与密封下方空间内无水, 空气可由装在顶盖上的空气阀、补气管通过转轮进入尾水管。当尾水管中空气压力小于外界大气压时需要充空气。空气将自动被充入尾水管, 空气需要量可由在此系统中的一个固定小孔来调节, 无需压缩空气或自动调节装置。

4无接触密封的运行维护

由于这种无接触密封系统在运行中没有磨损部分, 所以不存在定期替换易损件的问题, 这样不仅运行维护方便, 而且密封的寿命也不会因此而受到限制。但在运行时必须定期检查顶盖压力和密封水流量( 如果流量计是装于排管上的) , 要测量主轴与轴套之间的间隙, 必须指出的是, 当出现顶盖压力上升或密封水流量增加的情况, 可能是由于转轮密封磨损引起, 这不表明轴封系统中有磨损。

5 结束语

总之, 本文介绍的这种无接触密封避免了其它形式的主轴密封出现的诸多问题, 具有无需清洁水、使用寿命长、运行维护方便等特点, 可以有效地防止泥沙对顶盖和主轴密封的腐蚀。