高水頭混流式水輪機(jī)主軸密封研究

張強(qiáng)

【摘要】根據(jù)高水頭混流式的水輪設(shè)計(jì)情況，對(duì)其存在的主要部件進(jìn)行介紹，對(duì)主軸密封情況進(jìn)行深入研究。

【關(guān)鍵詞】高水頭；混流式；水輪機(jī)；主軸密封

引言

水輪機(jī)，一種能夠?qū)⑺哪芰窟M(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過(guò)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)輪將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電能。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)器，能夠?qū)⑺D(zhuǎn)化為能量。。

1、反螺旋式的主軸密封

相比于傳統(tǒng)的接觸式密封結(jié)構(gòu)，非接觸式的密封結(jié)構(gòu)主要是以螺旋紋為原理，將主軸進(jìn)行密封設(shè)計(jì)的改進(jìn)。這類密封的軸兩個(gè)表面設(shè)計(jì)有螺旋槽，在進(jìn)行軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋能夠?qū)⒚芊忾g隙中的流體與其構(gòu)成壓差，以這種方式阻止泄露，這就是反螺旋密封設(shè)計(jì)。

2、高水頭混流式水輪機(jī)情況分析

離心式密封本身是在非接觸密封結(jié)構(gòu)中的一種，在這類應(yīng)用中廣泛流傳，且不會(huì)因?yàn)楦邷氐南拗?，在壓差很小甚至本身就等于零的時(shí)候非常適合。離心的密封能夠利用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)水流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力之后，甩水環(huán)能夠借助離心力的作用，徑向?qū)⑺Τ?，進(jìn)而避免了水進(jìn)入泄露縫隙中，密封的目的就此達(dá)到。這類離心密封最大的優(yōu)點(diǎn)是，較大的密封間隙被允許存在，這種能夠?qū)⒚芊庾”旧砗猩衬嚯s質(zhì)的水流，確保出現(xiàn)零泄漏。這類設(shè)備的磨損程度很小，結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單，進(jìn)行檢修時(shí)更加方便，價(jià)格也更加低廉，使用起來(lái)非?？煽?，壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

3、螺旋動(dòng)力泵主軸密封的研制

（1）轉(zhuǎn)輪縫隙的漏水分析。漏水量隨著水輪機(jī)工作水頭下?lián)p失過(guò)程更大。水壓達(dá)到一定程度之后，漏水能夠從各個(gè)止水環(huán)中有減小趨勢(shì)，止水的作用就較為明顯。但在實(shí)際環(huán)境中，設(shè)備間隙內(nèi)水流雷諾數(shù)較大，若主軸的密封止水效果較好，漏水量則小，設(shè)計(jì)的泄水孔也更加合理。

（2）含有沙泥的水流對(duì)密封結(jié)構(gòu)損壞。水輪機(jī)止漏是依靠梳齒結(jié)構(gòu)和摩擦副結(jié)構(gòu)，受到快速損壞時(shí)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(gè)因素有直接或間接的關(guān)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(jié)構(gòu)磨損情況以及止漏密封件的壽命。磨損量的計(jì)算公式為W=KNnVmt，K主要與泥沙的硬度、粒徑、重度等有關(guān)，本身是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，W作為磨損量，單位為cm，V是相對(duì)速度，m/s，N則是每年平均含沙量，kg/m3，t則是磨損時(shí)間。n一般取2.0，m一般取3.0 。泥沙的磨損量在設(shè)備中與含有泥沙的水流速度表現(xiàn)出m次方正相關(guān)，與磨損的時(shí)間呈正相關(guān)，與年平均含沙量表現(xiàn)出n次方。

（3）螺旋動(dòng)力泵式主軸密封的研究。目前國(guó)內(nèi)在進(jìn)行水輪機(jī)主軸密封時(shí)，一般會(huì)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(dòng)時(shí)水力會(huì)形成損失，水流能量降低，大量泄漏情況因此被阻止，從而達(dá)到最終目的。這種密封的重要特征是壓力之下能夠進(jìn)行接觸式的摩擦，對(duì)摩擦面進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，進(jìn)而得到較好的效果。具體來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)環(huán)和靜環(huán)上具備的兩個(gè)方向相反螺旋槽和葉片泵，能夠在機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成壓頭阻力，使得水流泄漏得到阻止。當(dāng)設(shè)備本身參數(shù)和設(shè)計(jì)調(diào)試合理后，密封能夠維持長(zhǎng)時(shí)間的不泄露。且因?yàn)檫@類設(shè)備本身的密封不會(huì)依賴于轉(zhuǎn)換和靜環(huán)間隙內(nèi)水利，所以泥沙的磨損對(duì)密封性能的影響也是非常小，密封間隙對(duì)這類設(shè)備影響小，從便于安裝調(diào)整的角度上來(lái)說(shuō)將間隙加大，能夠得到較好的效果。螺旋動(dòng)力式的主軸密封基本原理，主要是動(dòng)力泵的原理，原件在機(jī)組內(nèi)進(jìn)行傳動(dòng)，水流能夠產(chǎn)生壓頭，阻止了泄漏情況。所以在進(jìn)行螺旋動(dòng)力泵設(shè)計(jì)時(shí)最關(guān)鍵的需要對(duì)螺旋泵的流道、齒形的參數(shù)以及壓頭、安裝角度進(jìn)行完善的計(jì)算和調(diào)整，使得參數(shù)值對(duì)其密封情況不會(huì)產(chǎn)生影響。

本次選擇的高水頭混流式水輪機(jī)（型號(hào)：HL（TF5008）-LJ-315.5）是從東芝公司引進(jìn)的CFD水力設(shè)計(jì)技術(shù)。為330 MW總裝機(jī)、三臺(tái)110 MW單機(jī)容量的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。轉(zhuǎn)輪的公稱直徑為3.155 m，額定轉(zhuǎn)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(dá)到333.4 KN，旋轉(zhuǎn)方向選擇俯視順時(shí)針。

對(duì)漏水量以公式展開：q=u f （2gh）1/2，u代表流量系數(shù)，f代表縫隙面積，h是止漏系統(tǒng)的壓力差。按照這個(gè)公式對(duì)本次研究的設(shè)備進(jìn)行分析：主軸密封效果較好，則漏水量q小，泄水孔設(shè)計(jì)更為合理，則上梳齒在通過(guò)泄水孔流向尾水管時(shí)，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(shè)計(jì)較大則會(huì)出現(xiàn)封水效果一般的情況。

本次研究時(shí)，對(duì)其進(jìn)行水力設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)時(shí)，這類水輪機(jī)選擇的是長(zhǎng)短葉片的結(jié)構(gòu)，這類設(shè)備的水力特性和運(yùn)行特點(diǎn)均為先進(jìn)的水輪機(jī)。這類水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪已經(jīng)通過(guò)水力設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)，得出的結(jié)論是技術(shù)更優(yōu)、效率更高、運(yùn)行非常穩(wěn)定。總體設(shè)備設(shè)計(jì)上，立軸混流式的水輪機(jī)，其金屬蝸殼的包角為345度，其尾水管選擇的是彎肘型構(gòu)造。水輪機(jī)本身與交流發(fā)電機(jī)直接連接，由主要部件和輔助系統(tǒng)構(gòu)成，主要部件有：機(jī)坑里襯、尾水、環(huán)、主軸和中間軸、液壓以及主軸中心孔補(bǔ)氣、油氣水管路。

4、 總結(jié)

高水頭混流式水輪機(jī)主軸密封情況在很大程度上決定著，其在運(yùn)用過(guò)程中的多方面效率，在實(shí)際生產(chǎn)中，必須對(duì)其加以重視。

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