水輪機主軸密封的優(yōu)化設(shè)計

熊建軍，沈 丹

(浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江杭州310030)

0 引 言

水輪機主軸密封結(jié)構(gòu)繁多，本文主要討論幾種常用密封的應用情況和在設(shè)計中的選擇。早期水電站使用較多為石棉盤根填料密封，后續(xù)高水頭高轉(zhuǎn)速混流機的開發(fā)，帶泵板結(jié)構(gòu)的無接觸密封得到廣泛應用，密封性能反饋良好。隨著技術(shù)的進步，大型機組得到廣泛的開發(fā)，液壓靜平衡軸向密封由于廣泛的適應性和高度可靠的性能，在大型機組上得到廣泛應用。以前較多文獻僅專注在密封的結(jié)構(gòu)上，對密封的運行原理及計算關(guān)鍵參數(shù)沒有進行較多的研究，沒能提供密封運行的數(shù)學解析方程式，當密封運行出現(xiàn)問題時，難以確認是密封的選擇錯誤還是設(shè)計錯誤。為了解決長期設(shè)計的困難，對各種密封的水力性能進行了較詳細的研究，解析了各種密封的運行參數(shù)，應用在實際電站上，基本符合實際情況，具有實踐指導意義。

1 典型密封結(jié)構(gòu)介紹

1.1 填料密封

填料密封是一種使用時間悠久的傳統(tǒng)密封，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜(見圖1)。

1-主軸不銹鋼襯套；2-壓環(huán)；3-填料密封環(huán)；4-支撐環(huán)；5-進水管；6-排水管；7-密封室
圖1填料密封結(jié)構(gòu)示意

早期密封材料為石棉填料，由于石棉材料會造成環(huán)境污染，威脅人身安全，現(xiàn)在基本已被聚四氟乙烯浸漬碳纖維填料取代。密封原理為定制填料密封環(huán)(項3)放置在密封室(項7)內(nèi)，密封環(huán)通過壓環(huán)(項2)壓緊，使密封環(huán)與不銹鋼襯套和密封室表面緊密貼合，以達到密封水流的目的。清潔水通過支撐環(huán)(項4)注入，以潤滑密封，避免密封材料的快速磨損。填料密封環(huán)如果在壓環(huán)上沒有通過彈簧預緊，由于密封材料的磨損就需要頻繁調(diào)節(jié)壓緊量。另外，由于這種類型的密封對軸的跳動很敏感，密封外殼應設(shè)計成徑向浮動結(jié)構(gòu)。

1.2 帶泵板無接觸密封

這類密封依靠轉(zhuǎn)輪的高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力(見圖2)，通過設(shè)置在轉(zhuǎn)輪上冠上的泵板結(jié)構(gòu)(項3)將水流排出頂蓋，避免水流進入主軸密封。

在機組正常運行時，空氣通過補氣管(項5)，經(jīng)過主軸上的通氣孔對轉(zhuǎn)輪進行補氣。機組啟動和停機過程中，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速較低，有水流進入密封處，這些水流通過密封上的排水孔排出至集水井。機組停機檢修時，檢修密封(項6)投入，避免滲漏。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)大量用于高水頭混流式機組，其中包括水頭超過600 m的高水頭混流式水輪機和吸出高程-85 m的機組。

1-主軸不銹鋼襯套；2-固定密封；3-泵板結(jié)構(gòu)；4-頂蓋排水管；5-補氣管；6-檢修密封
圖2帶泵板無接觸密封結(jié)構(gòu)示意

1.3 液壓靜平衡軸向密封

液壓靜平衡軸向密封在靜壓密封的運行過程中(見圖3)，清潔潤滑水通過浮動環(huán)(項6)上過流孔，被送入兩個密封表面之間的環(huán)形腔室中，并形成約0.05 mm厚的水膜，水膜形成水壓靜軸承。兩個環(huán)之間因為沒有直接摩擦接觸，理論上沒有磨損。因此也要求清潔水源固體顆粒尺寸小于運行水膜厚度，以保證密封材料的壽命；通常需要設(shè)置高精度過濾器。浮動環(huán)(項6)通過多個不銹鋼彈簧(項4)壓緊在抗磨環(huán)上，這些彈簧還可確保設(shè)備處于停機狀態(tài)且潤滑水停止供應時的部分密封功能。

1-集水環(huán)；2-支撐環(huán)；3-密封蓋；4-彈簧；5-指示桿；6-浮動環(huán)；7-密封塊；8-抗磨環(huán)；9-主軸；10-檢修密封
圖3液壓靜平衡軸向密封結(jié)構(gòu)示意

2 密封選擇前提條件

密封的使用環(huán)境決定了密封形式的選擇，這些外部環(huán)境條件主要包含：

機組如果在密封處出現(xiàn)負的壓力，需要提供清潔水進行冷卻，避免干摩擦和溫度升高。需要調(diào)相運行機組，密封處也需要供水，避免壓力空氣泄漏。被密封水質(zhì)泥沙含量較高，需要考慮如何避免泥沙進入密封材料內(nèi)部，以減少密封件的磨損。機組轉(zhuǎn)速也影響密封材料的選擇。另外，對于需要機組轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力排出泄漏水的密封結(jié)構(gòu)，需要校核產(chǎn)生的動態(tài)水壓是否可以克服排出水流的阻力。機組型式?jīng)Q定密封材料是否容易更換和維護，對于小型臥式機組可以選擇結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜的密封形式，出現(xiàn)問題更換密封時間較短，也比較容易。徑向、軸向自由活動空間，影響密封的安裝和拆卸，需要選擇對應的密封結(jié)構(gòu)。運行時密封件的位移，用以設(shè)置合適的補償間距及合適的密封間隙。

軸承如果需要利用密封的泄漏水作為額外冷卻措施，應優(yōu)先考慮液壓靜平衡軸向密封。

3 密封的計算

3.1 填料密封

密封用水量和密封壽命都難以進行理論計算，密封供水量一般采用估算公式D/20(L/min)。

3.2 帶泵板無接觸密封

帶泵板無接觸密封以EGAT項目為例，機組轉(zhuǎn)速為600 r/min,額定水頭640 m，最大水頭690 m。

(1)計算通過轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)的水量，可以結(jié)合CFD模擬和經(jīng)驗公式計算，計算結(jié)果為：最大水頭690 m，迷宮環(huán)前水頭497 m，迷宮環(huán)后水頭10 m，轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)漏水量設(shè)計間隙130 L/s，轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)漏水量磨損后261 L/s。

(2)計算結(jié)果作為計算頂蓋排水管沿程損失的輸入條件，管路水力損失按達西公式：

局部管接頭水力損失可以折算為管路長度進行計算，頂蓋排水管水力損失計算結(jié)果為：等效管路直徑160 mm，等效管路長度16.5 m，管路水力損失7.85 m。

(3)泵板揚程計算按照泵板進出口線速度壓力差乘以轉(zhuǎn)換效率：

計算結(jié)果為：

轉(zhuǎn)速600 r/min，進口直徑1 290 mm，出口直徑1 500 mm，有效揚程27 m。

(4)校核泵板結(jié)構(gòu)排水能力，泵板揚程需要大于排出高度與管路阻力損失：有效揚程27 m，排水管路損失7.85 m，排出高度12 m，揚程余量7.15 m。

3.3 液壓靜平衡軸向密封

(1)液壓靜平衡軸向密封計算需要首先進行結(jié)構(gòu)的力平衡計算，以保證清潔水密封壓力高于尾水壓力(見圖4)。

圖4計算簡圖

通過浮動環(huán)受力平衡,計算出 P2，需要保證在整個尾水壓力變化范圍內(nèi)，始終大于尾水壓力0.05 MPa。

作用于浮動環(huán)向上的力為:F1、 F2、 F3；作用于浮動環(huán)向下的力為:FR、F4、F5。FR:浮動環(huán)重量+彈簧力+摩擦力(通常忽略);使浮動環(huán)處于穩(wěn)定平恒必然有:F1+F2+F3=FR+F4+F5；F1=(P1+P2)/2×S1；F2=P2×S2；F3=(P2+P3)/2×S3；F4=P1×S4；F5=P3×S5。

下面以GYN項目為例，項目基本數(shù)據(jù)如下所示(見表1)：

表1 GYN項目基本數(shù)據(jù)

在整個尾水壓力變化范圍內(nèi)，密封環(huán)磨損前后P2計算結(jié)果如下所示(見表2)：

表2密封環(huán)磨損前后P2計算結(jié)果

P3/MPaP2(磨損前)/MPaP2～P3/MPaP2(磨損后)/MPaP2～P3/MPa0.0000.0740.0740.0610.0610.0160.0900.0740.0770.0610.0320.1060.074 0.093 0.061 0.047 0.121 0.074 0.108 0.061 0.158 0.232 0.074 0.219 0.061 0.205 0.279 0.074 0.266 0.061 0.253 0.327 0.074 0.314 0.061 0.300 0.374 0.074 0.361 0.061

(2)結(jié)構(gòu)尺寸計算符合要求后，進行管路水力平衡計算，計算出節(jié)流孔大小和密封面水膜厚度。

管路損失主要由以下3個部分組成：

式中，β為相對孔徑，β=d/D，d為節(jié)流孔徑，D為輸水孔徑；V為輸水管流速。

式中，λ為損失系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)和表面粗糙度計算；l為管路長度；d為管內(nèi)徑；g為重力加速度；V為輸水管流速。

Δρ=(λ*1/(2*s)+1.5)*ρ*w2/2

式中，λ為損失系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)和表面粗糙度計算；l為密封長度；s為密封間隙；ρ為水密度；w為密封面流速。

(3)選取供水壓力為0.5 MPa,輸水管大小為DN50,節(jié)流孔選取為12 mm,密封磨損前和磨損后計算結(jié)果如下所示(見表3、表4)：

表3 密封磨損前計算結(jié)果

表4 密封磨損后計算結(jié)果

(4)校核水膜厚度及用水量。水膜厚度需滿足過濾器精度要求，潤滑水量滿足電站水量分配要求。其中，最大水膜厚度0.106 mm，最小水膜厚度0.058 mm，最大潤滑水量119.827 L/min，最小潤滑水量63.480 L/min。

4 總 結(jié)

4.1 填料密封

這類密封設(shè)計主要依靠經(jīng)驗，無成熟的計算理論。一般都應用在小型臥式機組上，密封部件容易維護，密封泄露量超出預期時，易于壓緊；密封材料失效時，也便于更換。

4.2 帶泵板無接觸密封

密封具有以下特點：

泵板無接觸密封因為泵板的抽吸作用密封處基本處于干燥狀態(tài)，只有在停機和啟動過程中，轉(zhuǎn)速較低時會有水流進入密封處。因此理論上密封是無接觸，沒有磨損的，泥沙也不會進入密封間隙處，可以使用非常長的時間，且不需要維護。主要應用在高水頭高轉(zhuǎn)速機組上，通過泵板進出口速度差產(chǎn)生的壓力頭將泄漏水排出至尾水。設(shè)計時需要校核泵板產(chǎn)生的壓力頭是否可以克服尾水壓力和排水管沿程損失，將通過轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)的泄漏水排出至尾水處。

4.3 液壓靜平衡軸向密封

水壓靜平衡密封作為一個全能型密封具有以下特點：

對比其他密封有以下使用制約因素：

液壓靜平衡軸向密封適應范圍廣，性能高度可靠，密封用水量和泄漏水量具有可預測性，密封使用壽命長，且可以在線監(jiān)測磨損情況；具有自動補償能力，使用壽命也可根據(jù)電站時間磨損情況進行較準確的預測；主要應用在軸流機組和大型混流、抽水蓄能機組上。

設(shè)計上需要對密封環(huán)幾何尺寸和預壓緊彈簧力進行準確計算和合理選擇，以保證清潔水壓力始終比被密封水壓力高0.05 MPa左右，隨著被密封水壓力的波動，密封水壓差始終能維持在0.05 MPa左右。另外，計算整個生命周期和不同供水壓力和被密封水壓力情況下密封面處的水膜厚度，以校核過濾器精度是否滿足要求。

因為供水壓力和被密封水壓力都有可能存在較大的壓力波動范圍，因此需要選擇合適的節(jié)流措施，以調(diào)整密封系統(tǒng)的供水壓力和供水流量滿足設(shè)計需求。推薦使用固定式節(jié)流孔，這種節(jié)流方式簡單可靠，已經(jīng)在眾多電站得到廣泛應用。