水電廠水輪機(jī)主軸密封的優(yōu)缺點(diǎn)分析

梁仲堅(jiān)

（廣州市水電建設(shè)工程有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，在發(fā)展的同時(shí)，對供電的需求也不斷提高，而現(xiàn)如今電力生產(chǎn)的主要渠道是通過水電廠，水電廠如今和人們的生活密切相連。在水電廠中，水輪機(jī)是其重要的組成部分，而對水輪機(jī)來說，主軸密封是不可缺少的重要部件。但是主軸密封容易出現(xiàn)故障，其安全性沒有得到非常好的保障，所以這個(gè)問題也是目前國內(nèi)水電行業(yè)亟待解決的問題。目前水輪機(jī)通常會在高壓、高速的環(huán)境下進(jìn)行工作，這對水輪機(jī)的工作又造成了非常大的壓力，其中的密封件容易受到水中的泥沙磨損，漏水的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這使得工作效率急劇下降，可靠性也隨之降低，所以需要定時(shí)的更換密封件。針對出現(xiàn)的這種狀況，水輪機(jī)的主軸密封才開始出現(xiàn)，它的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的水輪機(jī)密封元件，能夠使水輪機(jī)正常運(yùn)作，且提高了工作效率和質(zhì)量。

2 水輪機(jī)主軸密封的意義和分類

水輪機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)化機(jī)器，是通過一定的方式將水能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，產(chǎn)生機(jī)械能之后，再通過轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)動機(jī)產(chǎn)生電能。水輪機(jī)的動力來源于水，由于我國的地勢特點(diǎn)以及河流特點(diǎn)，河流中的泥沙較多，尤其是在雨季，較多的泥沙會給傳統(tǒng)的密封方式帶來破壞。很多密封方式在使用一段時(shí)間之后會產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，從而影響正常的使用，開始出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

水輪機(jī)的主軸密封能夠?qū)λ啓C(jī)起到保護(hù)作用，這種裝置的使用能夠保證水輪機(jī)正常運(yùn)行，它能夠有效的阻擋水流從主軸與頂蓋之間間隙上溢，能夠防止水輪機(jī)導(dǎo)軸承及頂蓋被淹，能夠維持軸承和機(jī)組的正常運(yùn)行。

在目前水輪機(jī)主軸密封主要有兩種分類：①按工作性質(zhì)劃分的，分為檢修密封和工作密封。工作密封中有又有許多分類，按照密封的結(jié)構(gòu)型式可以分為：平板密封、盤根密封、端面密封等；②按水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)劃分的，分為接觸式密封和非接觸式密封。非接觸式密封方式包括反螺旋密封、離心式密封。

3 多種水輪機(jī)密封方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 盤根密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

盤根密封是最傳統(tǒng)的水輪機(jī)主軸密封方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)主軸盤根密封結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，盤根在主軸和前蓋板之間纏繞，纏繞后再由壓蓋和螺釘對其進(jìn)行加固操作。

優(yōu)點(diǎn)：這種密封結(jié)構(gòu)非常簡單，制作方便，不需要投入較多的成本。

缺點(diǎn)：這種密封結(jié)構(gòu)的適用范圍較小，其只能用于周圍泥沙含量較少的電站，因?yàn)槿绻嗌澈枯^多，使用盤根密封的水輪機(jī)主軸會容易受到泥沙的影響，過多的泥沙會對主軸產(chǎn)生很大程度的磨損。

3.2 反螺旋密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)[1]

由于接觸式密封方式的適用范圍小，若泥沙含量較大容易受到磨損，所以應(yīng)優(yōu)先選擇非接觸式密封方式。

反螺旋密封方式的設(shè)計(jì)原理是：利用螺旋的思想對密封方式進(jìn)行改進(jìn)，借助刻有螺旋槽的一面，如果軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，螺旋能夠通過間隙內(nèi)的流體產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)，這個(gè)壓強(qiáng)能夠防止流體發(fā)生泄漏。

基本的計(jì)算是：

（1）首先計(jì)算壓強(qiáng)，壓強(qiáng)的計(jì)算方法是：再密封液中，取浸入密封液的螺旋長度為L，壓強(qiáng)計(jì)算公式是：

在這個(gè)公式中，h代表半徑間隙，d代表螺旋的直徑，取這些量的單位為m，密封液的粘稠度用η來表示，ω用來表示角速度，CP是增壓系數(shù)。

（2）其次要計(jì)算功率，該功率為在密封液中，螺旋浸入密封液的長度為L時(shí)，其螺旋密封所消耗的功率[2]。

通過對密封效果和壓強(qiáng)的分析，可以知道，當(dāng)密封間隙越小，其密封的效果就越好。

優(yōu)點(diǎn)：可以適用于泥沙含量較大的電站，水輪機(jī)主軸不會受到明顯的磨損，且密封效果可控。

缺點(diǎn)：為了提高密封的效果，會加大單邊密封的間隙，在使用較長的一段時(shí)間之后，密封的間隙會不斷增大，因而會產(chǎn)生更加嚴(yán)重的泄漏情況。如果出現(xiàn)這種狀況，就必須要更換密封環(huán)，由于密封環(huán)所處的特殊位置，要想更換密封環(huán)就必須要停機(jī)，停機(jī)修理的時(shí)間較長，就會對發(fā)電的效率產(chǎn)生影響。

3.3 離心式密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

在所有的密封結(jié)構(gòu)中，離心式密封式使用較多的一種密封方式，并且這種密封方式不會受到高溫的影響，一般將這種方式應(yīng)用于壓差較低（接近于零）的地方。其工作原理是：使流體產(chǎn)生離心力，產(chǎn)生離心力的方式是利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流體產(chǎn)生離心力后，甩水可以利用離心力的作用控制水的甩出方向，從而能夠避免水進(jìn)入泄漏縫隙，以免造成其他的影響，這樣也能夠達(dá)到密封的作用。

優(yōu)點(diǎn)：這種密封方式和螺旋密封方式相比，可以允許具有較大的密封間隙，較大的密封間隙，可以將含有較多雜質(zhì)的水流控制住，不會產(chǎn)生任何泄漏同時(shí)不會產(chǎn)生磨損。這種密封方式的結(jié)構(gòu)也比較簡單，如果出現(xiàn)故障后也容易檢修，不需要較大的資金投入，同時(shí)還具有較高的可靠性，使用的時(shí)間也很長。

基本能計(jì)算是[3]：

（1）首先計(jì)算壓力差：

其中，ω是密封液的平均角速度，da、di是液體的自由表面直徑，ρ為液體的密度，gc是一種換算因子。

（2）其次需要計(jì)算的是所消耗的功率：

與其他密封方式相比，離心式密封的，密封效果最好。在90世紀(jì)，我國引進(jìn)了第一臺進(jìn)口美國型號為HL110-WJ-50水輪機(jī)主軸密封形式改為離心式密封結(jié)構(gòu)。之后，又對其他的一些老產(chǎn)品進(jìn)行改造，改造的主要內(nèi)容是，將傳統(tǒng)的主軸盤根密封結(jié)構(gòu)改為離心密封結(jié)構(gòu)。對于新開發(fā)的一些水輪機(jī)的產(chǎn)品，全部都使用離心密封結(jié)構(gòu)，不再使用傳統(tǒng)的主軸盤根密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)安裝非常方便，并且后期的維修和調(diào)整也易于操作。

4 結(jié)束語

綜上所述，在水電廠的實(shí)際工作中，水輪機(jī)的主軸密封處于非常重要的位置，它能夠影響水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)，好的密封方式能夠使水輪發(fā)電機(jī)處于較穩(wěn)定、可靠的狀態(tài)。就目前來看，主軸密封在水輪機(jī)中雖然說是一個(gè)比較小的組成部分，但是如果其具有缺陷，影響是非常大的，它會使得水電廠的工作效率降低，使水電廠不能夠正常運(yùn)作，還會給經(jīng)濟(jì)帶來巨大的壓力。本文主要對傳統(tǒng)的密封方式以及兩種非接觸式密封方式進(jìn)行具體分析，詳細(xì)討論了這幾種水輪機(jī)主軸密封的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，通過對其分析可以對今后主軸密封的發(fā)展和完善有所幫助。

[1]趙國建.試論主輪機(jī)主軸密封原理及應(yīng)用分析[J].學(xué)術(shù)討論會，2013（1）：1～15.

[2]劉后桂.密封技術(shù)[J].湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2013（12）：18～25.

[3]袁 蕊，田字勤.水輪機(jī)檢修[J].中國電力出版社，2013（2）：123～125.