高水頭混流式水輪機主軸密封研究

張強

【摘要】根據高水頭混流式的水輪設計情況，對其存在的主要部件進行介紹，對主軸密封情況進行深入研究。

【關鍵詞】高水頭；混流式；水輪機；主軸密封

引言

水輪機，一種能夠將水的能量進行旋轉，通過機械能的轉換，轉輪將發動機轉子進行驅動，進而產生電能。這種將機械能轉化為電能的機器，能夠將水轉化為能量。。

1、反螺旋式的主軸密封

相比于傳統的接觸式密封結構，非接觸式的密封結構主要是以螺旋紋為原理，將主軸進行密封設計的改進。這類密封的軸兩個表面設計有螺旋槽，在進行軸轉動時，螺旋能夠將密封間隙中的流體與其構成壓差，以這種方式阻止泄露，這就是反螺旋密封設計。

2、高水頭混流式水輪機情況分析

離心式密封本身是在非接觸密封結構中的一種，在這類應用中廣泛流傳，且不會因為高溫的限制，在壓差很小甚至本身就等于零的時候非常適合。離心的密封能夠利用轉子的旋轉進而帶動水流進行旋轉，產生離心力之后，甩水環能夠借助離心力的作用，徑向將水甩出，進而避免了水進入泄露縫隙中，密封的目的就此達到。這類離心密封最大的優點是，較大的密封間隙被允許存在，這種能夠將密封住本身含有沙泥雜質的水流，確保出現零泄漏。這類設備的磨損程度很小，結構非常的簡單，進行檢修時更加方便，價格也更加低廉，使用起來非常可靠，壽命相對較長。

3、螺旋動力泵主軸密封的研制

（1）轉輪縫隙的漏水分析。漏水量隨著水輪機工作水頭下損失過程更大。水壓達到一定程度之后，漏水能夠從各個止水環中有減小趨勢，止水的作用就較為明顯。但在實際環境中，設備間隙內水流雷諾數較大，若主軸的密封止水效果較好，漏水量則小，設計的泄水孔也更加合理。

（2）含有沙泥的水流對密封結構損壞。水輪機止漏是依靠梳齒結構和摩擦副結構，受到快速損壞時可能有以下兩種原因：第一，含沙泥的水流速度大，磨損的程度則更快；含沙泥的水流速度與各個因素有直接或間接的關系。第二，含沙泥的多少以及含沙泥的成分、硬度。這些直接影響這密封結構磨損情況以及止漏密封件的壽命。磨損量的計算公式為W=KNnVmt，K主要與泥沙的硬度、粒徑、重度等有關，本身是經驗系數，W作為磨損量，單位為cm，V是相對速度，m/s，N則是每年平均含沙量，kg/m3，t則是磨損時間。n一般取2.0，m一般取3.0 。泥沙的磨損量在設備中與含有泥沙的水流速度表現出m次方正相關，與磨損的時間呈正相關，與年平均含沙量表現出n次方。

（3）螺旋動力泵式主軸密封的研究。目前國內在進行水輪機主軸密封時，一般會選擇端面式主軸密封，這種密封的基本原理是主要如下：流動時水力會形成損失，水流能量降低，大量泄漏情況因此被阻止，從而達到最終目的。這種密封的重要特征是壓力之下能夠進行接觸式的摩擦，對摩擦面進行潤滑和冷卻，進而得到較好的效果。具體來說，轉環和靜環上具備的兩個方向相反螺旋槽和葉片泵，能夠在機組轉動時形成壓頭阻力，使得水流泄漏得到阻止。當設備本身參數和設計調試合理后，密封能夠維持長時間的不泄露。且因為這類設備本身的密封不會依賴于轉換和靜環間隙內水利，所以泥沙的磨損對密封性能的影響也是非常小，密封間隙對這類設備影響小，從便于安裝調整的角度上來說將間隙加大，能夠得到較好的效果。螺旋動力式的主軸密封基本原理，主要是動力泵的原理，原件在機組內進行傳動，水流能夠產生壓頭，阻止了泄漏情況。所以在進行螺旋動力泵設計時最關鍵的需要對螺旋泵的流道、齒形的參數以及壓頭、安裝角度進行完善的計算和調整，使得參數值對其密封情況不會產生影響。

本次選擇的高水頭混流式水輪機（型號：HL（TF5008）-LJ-315.5）是從東芝公司引進的CFD水力設計技術。為330 MW總裝機、三臺110 MW單機容量的混流式水輪發電機組。轉輪的公稱直徑為3.155 m，額定轉速為333.3 r/min，功率為112.5 MW，流量為45.2 m3/s。工作效率為93.43 %，軸向的最大推力可達到333.4 KN，旋轉方向選擇俯視順時針。

對漏水量以公式展開：q=u f （2gh）1/2，u代表流量系數，f代表縫隙面積，h是止漏系統的壓力差。按照這個公式對本次研究的設備進行分析：主軸密封效果較好，則漏水量q小，泄水孔設計更為合理，則上梳齒在通過泄水孔流向尾水管時，主軸密封壓力小，這能使得主軸密封更為有利。反之，壓力若設計較大則會出現封水效果一般的情況。

本次研究時，對其進行水力設計和模型試驗時，這類水輪機選擇的是長短葉片的結構，這類設備的水力特性和運行特點均為先進的水輪機。這類水輪機的轉輪已經通過水力設計和模型試驗，得出的結論是技術更優、效率更高、運行非常穩定。總體設備設計上，立軸混流式的水輪機，其金屬蝸殼的包角為345度，其尾水管選擇的是彎肘型構造。水輪機本身與交流發電機直接連接，由主要部件和輔助系統構成，主要部件有：機坑里襯、尾水、環、主軸和中間軸、液壓以及主軸中心孔補氣、油氣水管路。

4、 總結

高水頭混流式水輪機主軸密封情況在很大程度上決定著，其在運用過程中的多方面效率，在實際生產中，必須對其加以重視。

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