水轮机主轴密封技术及改造设计

祝继文

摘要：水轮机是否能够安全运行，水轮机的主轴密封起决定因素，主轴密封是装在水导轴承的下面，以防止水在压力的作用下从主轴和顶盖处渗漏到机器内，水轮机主轴密封不好，将导致漏水量大，会使水导轴承被水淹，导致水轮机断电，漏电，严重威胁水电站的安全。

关键词：水轮机；主轴密封；水电站

前言

水轮机是一种能量转换设备，水轮机通过两次能量的转换来完成其工作职能，第一次是水能转换为机械能，第二次是机械能转换为电能。水轮机工作的动力来源是水，运行的首要条件是主轴密封，目前水轮机普遍存在启用不久后就漏水的现象，因此要对主轴密封加以研究和改造。

1 水轮机主轴密封的形式

主轴密封可以分为主轴检修密封和主轴工作密封两大类。检修密封根据密封结构形式可细分为空气围带式检修密封、机械式检修密封和抬机式检修密封。工作密封根据密封结构形式可细分为主轴平板密封、主轴径向密封、主轴盘根密封、主轴端面密封和主轴迷宫环密封。以下针对各种工作密封技术做介绍。

1.1 主轴平板密封

主轴平板密封就是依靠橡胶板与固定在主轴上的不锈钢转环端凭借水的压力实现密封，包括单层平板密封和双层平板密封。单层平板密封的框架比较简单，但是密封性不是很好，使用寿命也不长；双层平板密封的框架比较复杂，但是密封作用非常好，并且使用寿命比单层的要长很多。

1.2 主轴径向密封

主轴径向密封是由很多个与水轮机钢扇形块形状相似的碳精块凭借弹簧的压力紧压在主轴上，达到密封效果，碳精块形成的是一层又一层的开有小排水孔的密封圈，这样少量渗漏出来的水可以通过小排水孔排出。径向密封只适合应用在干净的水中，由于它的耐磨性能不好，维修起来又费事，所以在含杂质较多的水中不使用。

1.3 主轴盘根密封

主轴盘根密封是由底封环、盘根、水封环、水封管和压盖等部件组成，实现原理是将底封环和压盖使劲扣紧后套在中间的盘根上从而达到密封效果。

1.4 主轴端面密封

主轴端面密封包括机械式和水压式两种。机械式端面密封是依靠弹簧弹力将装有圆形橡胶块的圆盘拖起，使圆形橡胶块和固定在主轴上的不锈钢转环紧紧贴合从而达到密封效果。橡胶密封环固定在水轮机的顶盖上，这种密封的优点是架构简单，便于维护和调整，缺点是受弹簧性能的影响，容易因受力不均发生偏卡、摩擦，导致密封效果不稳定。

1.5 主轴迷宫环密封

主轴迷官环密封是这两年新发现的一种密封方式。它的实现原理是在水轮机转轮的顶部装置一个泵板装置，由于泵板的吸引力作用，使主轴法兰始终处于空气之中，轴与轴封间隔着一层空气，彼此不接触，因此这种密封又被称作非接触密封，该密封由紧靠着轴上的转动套、密封座和主轴密封排水管等部件组成。迷宫环密封的使用寿命在所有密封方式中是最长的。

在水轮机正常运行情况下，整个负荷范围内密封盒上无水压。水轮机转轮顶部的泵板随转轮同时旋转以阻止水漏入主轴密封。排水管的作用一是阻止沙子等固体杂质沉淀在水轮机顶盖下，二是将少量漏水排至集水井。迷宫环密封现在已经被很多水电站使用，并且使用的效果都很显著。

2 非接触式密封

2.1 非接触式密封的优点

国内外通常采用的水轮机主轴密封方式主要为接触式密封，如上述的平板密封、径向密封、盘根密封等。在不含杂质的清水中运行的水轮机，采用上述几种接触式密封，都能满足密封要求，起到防漏密封的作用，密封效果也能保持很长的时间。但是在杂质较多的水环境中运行的水轮机，如果采用上述接触式主轴密封，就无法达到良好的密封效果。尤其在汛期，机组过机泥沙量增大，过机泥沙粒径增大，导致密封结构磨损加快，从而造成机组漏水加大，造成经济损失。

水轮机主轴非接触式密封结构由主轴、轴套以及密封座体组成，主轴上固装有轴套，密封座体内圈上紧固有轴瓦并制有多个凹槽，密封座体轴瓦内侧面与轴套之间设有间隙，密封座体最下或上层的凹槽上连接有密封排水管。非接触式密封优点在于，该轴封的密封座体与轴套部分不接触，减少了不必要的磨损，延长了主轴密封的使用寿命；解决了水压密封因水压不稳而带来的密封性能不稳定的问题；在正常水轮机运行时不需要冷却或润滑，可降低生产成本。

2.2 非接触式密封设计

下图1是根据水轮机非接触式密封原理设计的轴流、离心式密封结构示意图，图2是密封结构中密封叶片位置的示意图。

图1所示的这种水轮机非接触密封中，叶片组是直接与主轴相连接的，叶片随着主轴的转动而转动，如图2所示。由于非接触设计，密封结构与主轴间不存在摩擦，也不会有由于摩擦产生的热量的影响。叶片实现密封效果的动力来源于水轮机的转轮，而不需增加其它任何辅助设备和消耗其它任何能量就能实现较好的密封效果，从而保证电站的发电效率和经济效益。

密封叶片的设计是根据水轮机结构及漏水量的大小进行的。对现运行的机组，还可以根据具体的空间进行改造设计。这种密封结构最突出的优点是允许采用较大的密封间隙，因此能在处于杂质沙粒较多的水质中运行的水轮机上安全可靠的起到密封效果，可以做到零泄漏，零磨损，具有结构简单、易于维护、密封效果可靠、使用寿命长等诸多优点。

3 结束语

非接触式密封是在近几年出现的一种新型密封结构。这种型式的密封由于采用非接触而极大的降低了摩擦，甚至可以说是零摩擦，由此动力的消耗也随之降低，使用的寿命也随之延长。目前非接触式密封已被广泛使用在大型，复杂，高速运转的水轮机上，达到的密封效果非常好，取得了显著的经济效益。

参考文献

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