溧陽水泵水輪機主軸密封結構設計

張璽琛

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

?

溧陽水泵水輪機主軸密封結構設計

張璽琛

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

摘要：溧陽抽水蓄能電站擔負著為江蘇電力系統提供調峰、填谷和備用容量的任務，同時可承擔系統的調頻、調相等任務，其特殊性使得機組擁有水輪機和水泵兩種工況。水輪機轉輪與主軸法蘭處的主軸密封既要在水輪機和水泵工況下起到密封即潤滑的作用，也需要在機組調相造壓過程中扮演密封高壓空氣的角色，同時機組的轉速較高，因此主軸密封的結構設計尤為重要。

關鍵詞：輪機；水泵；主軸密封；結構設計

1工程概況

溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省西南部的溧陽市境內，下水庫區經天目湖鎮平橋至溧陽市公路里程為32 km。為地下廠房，廠房內安裝了6臺單機容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪電動發電機組，總裝機容量1 500 MW。

機組的轉速較高，其額定轉速達到300 r/min，轉輪中心線高程-57 m，下水庫正常蓄水位為19 m。即下游水位至機組中心線的尾水壓力最大約為0.8 MPa。

2主軸密封的結構設計

主軸密封是水泵水輪機轉動部分的重要部件，主軸密封布置在水導軸承的下部，它的作用是減少轉輪上冠與頂蓋之間的水向外泄漏，并在機組調相和造壓起動過程中起到封氣的作用。

水輪機運行時，轉輪室內的壓力渾水經過水輪機主軸與頂蓋之間的間隙進入上冠與頂蓋形成的渾水腔內，在渾水腔內形成一定的壓力。廠房清潔水通過濾水器和節流孔板以后經過浮動密封環內孔進入工作密封塊與耐磨環所形成的空腔內，分兩部分流出。一部分經過工作密封塊與耐磨環之間的間隙流到渾水腔，另一部分則流向清潔水腔。為了能夠阻止渾水腔內的臟水通過密封流入主軸上端，清潔水的壓力必須高于尾水壓力。此電站的技術供水壓力為1.6 MPa，滿足主軸密封的供水壓力要求。

溧陽抽水蓄能水泵水輪機的主軸密封采用軸向端面水壓式主軸密封，此種密封為哈電的成熟結構，在五強溪、三峽左岸、三峽右岸、三峽地下，龍頭石、構皮灘、寶泉、白蓮河、蒲石河等大中型混流式水輪機和水泵水輪機上獲得了成功應用。

軸向端面水壓式主軸密封由轉動部件和固定部件組成。轉動部件包括工作密封塊、抗磨轉環，其中工作密封塊通過螺栓固定在浮動環上，抗磨轉環通過螺栓固定在主軸或轉輪端面上；固定部件包括浮動環、密封支架、密封座、壓緊彈簧、水箱、供水軟管、供水環管及排水管等管路附件。結構示意圖見圖1。

工作密封塊上開有環形密封水腔，用螺栓固定于浮動環下方。浮動環上部與導向環之間裝有數個彈簧，利用導向環上的壓緊螺母將彈簧壓在工作密封塊上，使工作密封環與抗磨轉環緊密接觸[1]。

密封水箱分與轉輪室相通的渾水腔和清潔水腔，在密封支架和浮動環相接觸位置設有U型密封條，用以隔斷渾水腔和清潔水腔。在浮動環內鉆有數個通孔，用以將清潔水引入工作密封塊與抗磨轉環之間形成潤滑水膜，不僅達到密封渾水的目的，同時還對密封塊起到一定的潤滑作用。

由于機組在運行過程中，浮動環與密封支架時刻保持軸向相對運動，為了減小在運動過程中接觸密封面的損傷，在密封支架上與浮動環接觸的位置采用堆焊不銹鋼的方法，既可降低接觸面的硬度，減小密封面的剛性磨損，又可避免長期泡在水中產生銹蝕的風險，同時還可保證相對移動的密封表面的光潔度要求[2]。

1.壓緊彈簧 2.水箱蓋3.水箱 4.密封支架

軸向端面水壓式主軸密封的工作原理：主軸密封塊固定在浮動環上，均布在密封支架上的不銹鋼壓緊彈簧作用于浮動環上使密封塊緊壓在轉環上。這樣就保證在潤滑水中斷的情況下以及在機組停機后，仍具有良好的密封功能。來自壓力鋼管的密封潤滑水經減壓過濾后，引入主軸密封塊與轉環之間的空腔內，隨著主軸的高速旋轉，有壓密封水在主軸密封塊與轉環之間形成水膜，使主軸密封塊在帶壓水膜的作用下與轉環分離，水膜具有良好的密封作用。由于壓緊彈簧的作用，主軸密封的密封塊具有自補償功能。

主軸密封的密封塊采用進口高分子耐腐蝕材料，密封采用水潤滑和冷卻，所有儀表按招標文件“水輪機儀表、控制設備、儀表盤和端子箱”的要求配置，工作密封用的壓板、螺栓、螺母等均采用不銹鋼材料，采用固定螺栓和定位銷等措施防止密封環轉動[3]。

3主軸密封塊的設計改進

在主軸密封塊底部圓周上，布置若干數量的Ketron圓柱銷，如主軸密封塊在運行過程中過熱，其熱量將傳遞給Ketron圓柱銷，因Ketron銷和Cestidur材料的熱膨脹系數的不同，Ketron銷將先行脹出，與轉環接觸，主軸密封塊與轉環脫開，在密封水的作用下，主密封材料得到迅速冷卻，冷卻后的主軸密封塊將會使Ketron圓柱銷的溫度降低，使Ketron圓柱銷縮回主軸密封塊內，主密封材料又重新投入正常運作，起到保護主軸密封塊的作用。

4結論

溧陽抽水蓄能電站由于機組轉速較高，同時又具有水輪機工況、水泵工況、過渡工況，這對主軸密封塊的磨損會比較嚴重。根據以往電站端面水壓密封塊在以往電站運行中均表現出良好的密封性和耐磨性。而溧陽主軸密封的結構形式是在端面水壓密封的結構基礎上，增加了保護密封塊Ketron圓柱銷，提高了密封塊的使用壽命。

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，1976：59-65.

[2]劉天寶，程兆雪.流體力學與葉柵理論[M].北京：機械工業出版社，1990：26-34.

[3]程云山.水泵水輪機主軸密封及燒損故障處理[J].水利水電科技進展，2007，27(06)：19-22.

中圖分類號：TK730

文獻標識碼：B

[作者簡介]張璽琛(1982-)，男，山西絳縣人，工程師，從事水輪機設計工作。

[收稿日期]2015-10-28

文章編號：1007-7596(2016)01-0037-02