小型水輪機(jī)組主軸密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李會(huì)敏 楊光永 陳躍斌 蔣小輝

水輪機(jī)是實(shí)現(xiàn)水利發(fā)電最重要的設(shè)備之一，它與水輪發(fā)電機(jī)、電站控制設(shè)備、勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速器配套在一起使用。不同水電站的水輪機(jī)是不一樣的，主要是根據(jù)不同地方水的流量來設(shè)計(jì)的，其作用是將不同高度水的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電[1-2]。

水輪機(jī)的導(dǎo)軸承是水輪機(jī)的重要組成部分，它的主要作用是承受由軸傳來的徑向力和振擺力，固定機(jī)組軸線位置，同時(shí)確保機(jī)組穩(wěn)定性。為了確保水導(dǎo)軸承正常工作，必須在水導(dǎo)軸承和轉(zhuǎn)輪之間安裝密封裝置，以防止壓力水從主軸和頂蓋之間的縫隙滲漏到機(jī)坑內(nèi)，導(dǎo)致水導(dǎo)軸承不能正常工作，影響機(jī)組的正常運(yùn)行[3-4]。

1 水輪機(jī)主軸密封系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)

一般來說，水輪機(jī)主軸密封按其工作性質(zhì)的不同，可分為檢修密封和工作密封兩種[5]。水輪機(jī)工作密封的原理是，尾水通過管道產(chǎn)生符合工作狀況的水壓力，利用壓力水使環(huán)形活塞壓住與轉(zhuǎn)輪連為一體的不銹鋼抗磨環(huán)，形成水封密封圈（如圖1所示），阻止水流從主軸與頂蓋之間的間隙上溢，防止水導(dǎo)軸承被淹。水輪機(jī)檢修密封的原理是：空氣圍帶與密封環(huán)座、壓蓋形成氣封密封圈（如圖1所示），它能防止尾水在尾水位較高時(shí)倒灌進(jìn)入機(jī)坑內(nèi)。

圖1 主軸密封外部圖

2 水封管道設(shè)計(jì)和氣封管道設(shè)計(jì)

圖2為水封管路系統(tǒng)圖。其工作原理是：打開電動(dòng)閥 3、5、7→抽水泵 1工作→尾水進(jìn)入管道 1中（通過濾水器，使凈化后的尾水）→形成去水密封圈；同理，打開電動(dòng)閥 4、6、8→抽水泵 2工作→也可形成去水密封圈；當(dāng)抽水泵1或抽水泵2需要更換或者檢修時(shí)，打開手動(dòng)閥 9，尾水會(huì)交叉流入管道 1或者管道 2，形成去水密封圈。去水密封圈上設(shè)有電磁流量計(jì)和壓力感應(yīng)器，運(yùn)用施耐德PLC，控制抽水泵工作[6-8]。

圖2 水封管路系統(tǒng)圖

圖3 是氣封管道系統(tǒng)圖。其工作原理是：打開發(fā)動(dòng)機(jī)M21→充氣泵1工作→空氣進(jìn)入管道1中→形成去氣密封圈；同理，打開發(fā)動(dòng)機(jī)M22→讓充氣泵2工作→也可形成去氣密封圈；當(dāng)充氣泵1或充氣泵 2需要更換或者檢修時(shí)，打開手動(dòng)閥 9，空氣會(huì)交叉流入管道 1或管道 2，形成去氣密封圈。去氣密封圈上設(shè)有壓力感應(yīng)開關(guān)，運(yùn)用施耐德PLC，可以控制充氣泵工作[6-8]。

圖3 氣封管路系統(tǒng)圖

3 主軸密封控制回路設(shè)計(jì)

3.1 水封密封圈的控制回路設(shè)計(jì)

1）抽水泵的控制回路設(shè)計(jì)

圖4（a）表示的抽水泵1的主電路，主電路由刀開關(guān)QF1、熔斷器FU1、接觸器KM1的主觸點(diǎn)、熱繼電器FR1的熱元件和電動(dòng)機(jī)M1構(gòu)成。

圖4（b）表示的是抽水泵1的控制回路，它由起動(dòng)按鈕SB1-1、停止按鈕SB1-2、接觸器KM1動(dòng)合觸點(diǎn)和線圈KM1、應(yīng)用PLC技術(shù)控制的開關(guān)KA1和KA10構(gòu)成。

圖4 抽水泵1的接線原理圖

抽水泵1的工作原理如下。

（1）起動(dòng)。合上 QF1→按下起動(dòng)按鈕 SB1-1→接觸器KM1線圈通電→KM1主觸點(diǎn)閉合→電動(dòng)機(jī)M1接通電源運(yùn)行；或者通過開關(guān)KA1來使電動(dòng)機(jī)M1運(yùn)行。

（2）停止。按下停止按鈕SB1-2→KM1線圈通電→KM1主觸點(diǎn)斷開→電動(dòng)機(jī)M1斷電停止運(yùn)行；或者通過開關(guān)KA10來使電動(dòng)機(jī)M1停止運(yùn)行[9-12]。

抽水泵2的接線原理圖與抽水泵1一致，這里略去。

2）電動(dòng)閥3的控制回路設(shè)計(jì)圖

圖5（a）表示的電動(dòng)閥3的主電路，主電路由刀開關(guān)QF3、熔斷器FU3、接觸器KM3-1和KM3-2的主觸點(diǎn)、熱繼電器FR3的熱元件和電動(dòng)機(jī)M3構(gòu)成。

圖5（b）的是開起電動(dòng)閥3的控制回路，它由起動(dòng)按鈕 SB3-1、停止按鈕 SB3-4-1、行程開關(guān)ST3-1、接觸器KM3-1動(dòng)合觸點(diǎn)和線圈KM3-1、以及應(yīng)用PLC技術(shù)控制的開關(guān)KA3-1構(gòu)成。

圖5（c）表示的是關(guān)閉電動(dòng)閥3的控制回路，它由起動(dòng)按鈕SB3-2、停止按鈕SB3-4-2、行程開關(guān)ST3-2、接觸器KM3-2動(dòng)合觸點(diǎn)和線圈KM3-2、以及應(yīng)用PLC技術(shù)控制的開關(guān)KA3-2構(gòu)成。

圖5 電動(dòng)閥3的接線原理圖

開閥門的工作原理如下。

（1）起動(dòng)：合上 QF3→按下起動(dòng)按鈕 SB3-4-1→接觸器 KM3-1線圈通電→KM3-1主觸點(diǎn)閉合→電動(dòng)機(jī) M3接通電源正轉(zhuǎn)運(yùn)行，閥門打開；或者通過開關(guān)KA3-1使電動(dòng)機(jī)M3正轉(zhuǎn)運(yùn)行，閥門打開；當(dāng)閥門開到定點(diǎn)時(shí)，行程開關(guān)ST3-1被觸發(fā)，開閥門回路斷電，M3停止正轉(zhuǎn)運(yùn)行，開閥門行程結(jié)束。

（2）停止：按下停止按鈕 SB3-4-1→KM3-1線圈通電→KM3-1主觸點(diǎn)斷開→電動(dòng)機(jī) M3斷電停止運(yùn)行。

關(guān)閥門的工作原理如下。

（1）起動(dòng)。合上 QF3→按下起動(dòng)按鈕 SB3-4-2→接觸器 KM3-2線圈通電→KM3-2主觸點(diǎn)閉合→電動(dòng)機(jī) M3接通電源反轉(zhuǎn)運(yùn)行，閥門關(guān)閉；或者通過開關(guān)KA3-2來使電動(dòng)機(jī)M3反轉(zhuǎn)運(yùn)行，關(guān)閉閥門；當(dāng)閥門關(guān)好后，行程開關(guān)ST3-2被觸發(fā)，關(guān)閥門回路斷電，M3停止反轉(zhuǎn)運(yùn)行，關(guān)閉閥門行程結(jié)束。

（2）停止。按下停止按鈕 SB3-4-2→KM3-2線圈通電→KM3-2主觸點(diǎn)斷開→電動(dòng)機(jī) M3斷電停止運(yùn)行。

水封管路系統(tǒng)圖中其他電動(dòng)閥的控制回路設(shè)計(jì)圖與電動(dòng)閥3的控制回路設(shè)計(jì)圖一致，略。

3）測水壓和水流量的控制回路設(shè)計(jì)

圖6是電磁流量計(jì)和壓力感應(yīng)器的控制回路，它由壓力開關(guān)KP、流量開關(guān)KL以及線圈KA11共同構(gòu)成。

圖6 測水壓和水流量的接線原理圖

工作原理：壓力節(jié)點(diǎn)無壓→壓力開關(guān)KP閉合→線圈 KA11通電→抽水泵停止工作。電磁流量計(jì)檢測到水流量→流量開關(guān)KL閉合→線圈KA11通電→抽水泵停止工作。

3.2 氣封密封圈的控制回路設(shè)計(jì)

1）充氣泵的控制回路設(shè)計(jì)

圖7（a）表示的充氣泵1的主電路，主電路由刀開關(guān)QF21、熔斷器FU21、接觸器KM21的主觸點(diǎn)、熱繼電器FR21的熱元件和電動(dòng)機(jī)M21構(gòu)成。

圖7（b）表示的是充氣泵1的控制回路，它由起動(dòng)按鈕SB21-1、停止按鈕SB21-2、接觸器KM21動(dòng)合觸點(diǎn)和線圈KM21、應(yīng)用PLC技術(shù)控制的開關(guān)KA21和KA21-10構(gòu)成。

圖7 充氣泵1的接線原理圖

充氣泵1的工作原理如下。

（1）起動(dòng)。合上 QF21→按下起動(dòng)按鈕 SB21-1→接觸器KM21線圈通電→KM21主觸點(diǎn)閉合→電動(dòng)機(jī)M21接通電源運(yùn)行；或者通過開關(guān)KA21使電動(dòng)機(jī)M21運(yùn)行。

（2）停止。按下停止按鈕SB21-2→KM21線圈通電→KM21主觸點(diǎn)斷開→電動(dòng)機(jī) M21斷電停止運(yùn)行；或者用開關(guān)KA21-10使電動(dòng)機(jī)M21停止運(yùn)行。

充氣泵2的接線圖與抽水泵1一致（略）。

2）氣封密封圈中測氣壓的控制回路設(shè)計(jì)

圖8是測氣壓的控制回路，其由壓力開關(guān)KP2、線圈KA22共同構(gòu)成。

圖8 測氣壓的接線原理圖

工作原理：壓力節(jié)點(diǎn)無壓→線圈KA22通電→充氣泵關(guān)閉，不再充氣。

4 PLC程序設(shè)計(jì)

4.1 水封密封圈的PLC程序設(shè)計(jì)

1）信號(hào)表

表1 數(shù)字輸入符號(hào)表

表2 數(shù)字輸出信號(hào)表

2）開抽水泵和電動(dòng)閥的PLC程序

圖9 開起抽水泵、電動(dòng)閥系統(tǒng)的PLC程序圖

3）關(guān)抽水泵和電動(dòng)閥的PLC程序

圖10 關(guān)閉抽水泵、電動(dòng)閥系統(tǒng)的PLC程序圖

4.2 氣封密封圈的PLC程序設(shè)計(jì)

1）信號(hào)表

表3 數(shù)字輸入符號(hào)表

表4 數(shù)字輸出信號(hào)表

2）打開充氣泵的PLC程序

圖11 開起充氣泵系統(tǒng)的PLC程序圖

3）關(guān)閉充氣泵的PLC程序

圖12 關(guān)閉充氣泵系統(tǒng)的PLC程序圖

5 結(jié)論

本文以小型水輪機(jī)組的主軸密封系統(tǒng)為研究對象，對主軸密封的兩種密封形式進(jìn)行了闡述，并運(yùn)用施耐德PLC設(shè)計(jì)了主軸密封系統(tǒng)，最終基本實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的主軸密封。

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