水輪機主軸密封技術及改造設計

祝繼文

摘要：水輪機是否能夠安全運行，水輪機的主軸密封起決定因素，主軸密封是裝在水導軸承的下面，以防止水在壓力的作用下從主軸和頂蓋處滲漏到機器內，水輪機主軸密封不好，將導致漏水量大，會使水導軸承被水淹，導致水輪機斷電，漏電，嚴重威脅水電站的安全。

關鍵詞：水輪機；主軸密封；水電站

前言

水輪機是一種能量轉換設備，水輪機通過兩次能量的轉換來完成其工作職能，第一次是水能轉換為機械能，第二次是機械能轉換為電能。水輪機工作的動力來源是水，運行的首要條件是主軸密封，目前水輪機普遍存在啟用不久后就漏水的現象，因此要對主軸密封加以研究和改造。

1 水輪機主軸密封的形式

主軸密封可以分為主軸檢修密封和主軸工作密封兩大類。檢修密封根據密封結構形式可細分為空氣圍帶式檢修密封、機械式檢修密封和抬機式檢修密封。工作密封根據密封結構形式可細分為主軸平板密封、主軸徑向密封、主軸盤根密封、主軸端面密封和主軸迷宮環密封。以下針對各種工作密封技術做介紹。

1.1 主軸平板密封

主軸平板密封就是依靠橡膠板與固定在主軸上的不銹鋼轉環端憑借水的壓力實現密封，包括單層平板密封和雙層平板密封。單層平板密封的框架比較簡單，但是密封性不是很好，使用壽命也不長；雙層平板密封的框架比較復雜，但是密封作用非常好，并且使用壽命比單層的要長很多。

1.2 主軸徑向密封

主軸徑向密封是由很多個與水輪機鋼扇形塊形狀相似的碳精塊憑借彈簧的壓力緊壓在主軸上，達到密封效果，碳精塊形成的是一層又一層的開有小排水孔的密封圈，這樣少量滲漏出來的水可以通過小排水孔排出。徑向密封只適合應用在干凈的水中，由于它的耐磨性能不好，維修起來又費事，所以在含雜質較多的水中不使用。

1.3 主軸盤根密封

主軸盤根密封是由底封環、盤根、水封環、水封管和壓蓋等部件組成，實現原理是將底封環和壓蓋使勁扣緊后套在中間的盤根上從而達到密封效果。

1.4 主軸端面密封

主軸端面密封包括機械式和水壓式兩種。機械式端面密封是依靠彈簧彈力將裝有圓形橡膠塊的圓盤拖起，使圓形橡膠塊和固定在主軸上的不銹鋼轉環緊緊貼合從而達到密封效果。橡膠密封環固定在水輪機的頂蓋上，這種密封的優點是架構簡單，便于維護和調整，缺點是受彈簧性能的影響，容易因受力不均發生偏卡、摩擦，導致密封效果不穩定。

1.5 主軸迷宮環密封

主軸迷官環密封是這兩年新發現的一種密封方式。它的實現原理是在水輪機轉輪的頂部裝置一個泵板裝置，由于泵板的吸引力作用，使主軸法蘭始終處于空氣之中，軸與軸封間隔著一層空氣，彼此不接觸，因此這種密封又被稱作非接觸密封，該密封由緊靠著軸上的轉動套、密封座和主軸密封排水管等部件組成。迷宮環密封的使用壽命在所有密封方式中是最長的。

在水輪機正常運行情況下，整個負荷范圍內密封盒上無水壓。水輪機轉輪頂部的泵板隨轉輪同時旋轉以阻止水漏入主軸密封。排水管的作用一是阻止沙子等固體雜質沉淀在水輪機頂蓋下，二是將少量漏水排至集水井。迷宮環密封現在已經被很多水電站使用，并且使用的效果都很顯著。

2 非接觸式密封

2.1 非接觸式密封的優點

國內外通常采用的水輪機主軸密封方式主要為接觸式密封，如上述的平板密封、徑向密封、盤根密封等。在不含雜質的清水中運行的水輪機，采用上述幾種接觸式密封，都能滿足密封要求，起到防漏密封的作用，密封效果也能保持很長的時間。但是在雜質較多的水環境中運行的水輪機，如果采用上述接觸式主軸密封，就無法達到良好的密封效果。尤其在汛期，機組過機泥沙量增大，過機泥沙粒徑增大，導致密封結構磨損加快，從而造成機組漏水加大，造成經濟損失。

水輪機主軸非接觸式密封結構由主軸、軸套以及密封座體組成，主軸上固裝有軸套，密封座體內圈上緊固有軸瓦并制有多個凹槽，密封座體軸瓦內側面與軸套之間設有間隙，密封座體最下或上層的凹槽上連接有密封排水管。非接觸式密封優點在于，該軸封的密封座體與軸套部分不接觸，減少了不必要的磨損，延長了主軸密封的使用壽命；解決了水壓密封因水壓不穩而帶來的密封性能不穩定的問題；在正常水輪機運行時不需要冷卻或潤滑，可降低生產成本。

2.2 非接觸式密封設計

下圖1是根據水輪機非接觸式密封原理設計的軸流、離心式密封結構示意圖，圖2是密封結構中密封葉片位置的示意圖。

圖1所示的這種水輪機非接觸密封中，葉片組是直接與主軸相連接的，葉片隨著主軸的轉動而轉動，如圖2所示。由于非接觸設計，密封結構與主軸間不存在摩擦，也不會有由于摩擦產生的熱量的影響。葉片實現密封效果的動力來源于水輪機的轉輪，而不需增加其它任何輔助設備和消耗其它任何能量就能實現較好的密封效果，從而保證電站的發電效率和經濟效益。

密封葉片的設計是根據水輪機結構及漏水量的大小進行的。對現運行的機組，還可以根據具體的空間進行改造設計。這種密封結構最突出的優點是允許采用較大的密封間隙，因此能在處于雜質沙粒較多的水質中運行的水輪機上安全可靠的起到密封效果，可以做到零泄漏，零磨損，具有結構簡單、易于維護、密封效果可靠、使用壽命長等諸多優點。

3 結束語

非接觸式密封是在近幾年出現的一種新型密封結構。這種型式的密封由于采用非接觸而極大的降低了摩擦，甚至可以說是零摩擦，由此動力的消耗也隨之降低，使用的壽命也隨之延長。目前非接觸式密封已被廣泛使用在大型，復雜，高速運轉的水輪機上，達到的密封效果非常好，取得了顯著的經濟效益。

參考文獻

[1]哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1976.

[2]陳湘勻，麥景朝.高水頭大容量抽水蓄能機組主軸密封改進[J].水力發電，2004.

[3]劉麗娟.水輪機主軸密封的改進[J].潤滑與密封，2002.

[4]王汝美.實用機械密封技術問答[M].北京：中國石化出版社，2004.

[5]任麗，李建斌，王煒.丹江電廠5號機組主軸密封的技術改進[J].華中電力，2004.