水轮机静压自调式主轴端面密封设计

颜海霞，陈维勤，熊建平（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

水轮机静压自调式主轴端面密封设计

颜海霞，陈维勤，熊建平
（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

摘要：静压自调式端面密封是一种目前国内大中型机组中应用较广泛的水轮机主轴密封，这种密封性能良好、密封稳定可靠。本文结合功果桥水轮机设计较系统介绍了静压式主轴端面密封的结构特点及工作原理，并对其计算数学模型及计算结果进行了简要说明。

关键词：水轮机；静压自调式主轴端面密封

1　前言

目前国内大中型水轮机主轴密封较广泛地使用静压自调式端面密封，该密封设置在水导轴承与转轮之间，可以有效地减少或防止压力水从转动部件与固定部件之间泄漏，避免淹没水导轴承，防止机组事故，保证电站的安全，其密封性能良好、密封稳定可靠。

我公司设计、制造的功果桥电站水轮机主轴密封采用了静压自调式端面密封，该电站位于澜沧江中下游河段规划梯级的最上游一级，库尾紧接苗尾水电站，下游与小湾水电站相接。电站共安装4台混流式水轮发电机组，额定水头58m，单机额定容量225MW，总装机容量900MW，年发电量40.41亿kW·h。

本文结合功果桥水轮机设计的主轴端面密封工作原理及结构特点作了一个较全面的介绍，并对其计算数学模型及计算结果进行了简要说明，以供同行在今后水轮机采用该密封设计时提供参考。

2　结构简图

静压自调式端面密封结构简图见图1所示，它主要由转动部件、轴向可动部件、固定部件及监测部件等组成。其转动部件主要指安装在水轮机主轴（项1）上的主轴保护罩（项12）和抗磨环（项11）。轴向可动部件主要有浮动密封支座（项2）、工作密封块（项9）及弹簧（项8）。其固定部件主要有水箱（项4）、弹簧塞堵（项5）、调整垫块（项6）、弹簧支座（项7）、支撑法兰（项9）及供排水管路附件等组成。简图中项3表示密封磨损监测装置。

图1静压自调式端面密封简图

1-主轴2-浮动密封支座3-密封磨损量监测装置4-水箱 5-弹簧塞堵6-调整垫块7-弹簧支座8-弹簧9-支撑法兰10-工作密封块11-抗磨环12-主轴保护罩

3　工作原理

当水轮机运转时，通过顶盖与转轮间隙泄漏的水汇集于A腔中，形成一定的水压。

带压力的清洁水分8路均匀通过浮动密封支座的进水孔进入工作密封块，与安装在主轴保护罩上的抗磨环形成密封副，转动后即可形成水膜，保证工作密封块与抗磨环不发生直接的物理接触，这样可以减小工作密封块及抗磨环的磨损，提高密封使用寿命。

清洁供水压力设置应高于A腔水压，根据经验，两者压力差通常不小于0.05MPa，因此隔断了含沙量大的浑水进入工作密封块与抗磨环的摩擦面，起到了润滑冷却作用。如果A腔的压力变大时，浮动支座受到向下的水压力增大，在特定的弹簧力下，水膜的厚度随着A腔压力增大而减小，作用在密封块内部向上的力将变大，从而使密封块往上运动，直到形成合适的水膜厚度，反之亦然，因此该端面密封具有自调式能力。

清洁水的流向分成两部分，一部分经密封块和抗磨环之间的间隙流到A腔，另一部分通过浮动密封支座与水轮机主轴之间的间隙汇集至水箱，通过1-DN150排水管道排入厂房渗漏集水井。

4　结构特点

4.1耐磨密封副材料选择及相关设计

工作密封块与抗磨环构成密封副，密封副作为密封结构的关键所在，选用材料的耐用性及合理可靠性是我们的主要关注点。

根据工作密封块的平均线速度及水质，目前材料有碳精、高分子聚合物及橡胶等。

功果桥电站的工作密封块平均线速度为12.6m/s，选用了某进口高分子材料，其主要性能参数见表1。

表1高分子材料主要性能参数

从表1可以看出该材料耐泥沙性能好，耐磨性好，耐腐蚀，耐温性强，抗冲击性能好，水胀率小且水摩擦系数较小。

从经济和安装方便考虑，工作密封块通常分成多瓣。密封块分瓣面采用插接形式，组装成圆环后用螺栓固定在浮动密封支座的下部。图2为功果桥电站工作密封块接头处示意图，该密封块分为6瓣。

安装在主轴保护罩上的抗磨环采用了优良的耐磨不锈钢钢板。通过增加板厚、筋板等保证主轴保护罩有足够刚度，特别对抗磨环的平面度进行严格控制，以保证密封副水膜厚度均匀，不发生直接的物理接触。

图2 工作密封块接头处示意图

为了让密封副处受力符合计算模型，从而保证水膜均匀，需要有效地隔断A腔与B腔的通道。我们在浮动密封支座与弹簧支座之间安装耐磨的氟橡胶密封条。弹簧处则采用了特殊的弹簧塞堵压紧并安装有可靠的O型圈密封。

同时，为了保证工作密封块只做轴向运动，防止周向的转动，以避免相对转动后造成弹簧错位从而损坏密封装置的事故，我们通过在浮动密封支座上设置4块止动板，与安装在弹簧支座上的4个止动销形成止动，两者采用了小间隙配合。

为了方便检测到密封块的实际磨损量，我们在浮动支座上安装了指针，水箱盖上设置了可调的刻度盘及高精度的行程开关，前者可以在现场直观读数，后者精确地将磨损量及时传递到监控室。

4.2密封块使用寿命设计

功果桥电站合同要求工作密封块应至少能运行40000h或5年而不用更换。

端面密封用弹簧设计作用力范围一般是12mm，在此范围弹簧力满足使用要求，否则会造成弹簧性能及稳定性不良，弹簧受力图见图3。受此影响，密封块一般在磨损12mm后需要更换，而密封块厂家给出的密封块磨损12mm时使用寿命不小于20000h，针对这种情况，我们对密封结构进行了特殊设计，设置了一个可拆除的12mm厚调整垫块，并将密封块可磨损厚度设计为24mm。

图3弹簧受力简图

当磨损量达到12mm时，行程开关会报警。检修时撤去12mm厚的调整垫块，重新安装调整弹簧，其压缩量重新回到初始安装的状态，此时可调的磨损检测装置中的指针及刻度盘将回复到磨损指示为0mm，这样密封块可在再磨损12mm后更换。

通过该结构设计，大大延长了密封块的使用寿命，使其寿命增加了1倍，这样保证了满足合同要求的正常工作范围内密封使用寿命。

4.3安装及检修方便性设计

一般说来，该密封结构中的弹簧支座和支撑法兰通常设置为同一部件，但考虑到水导轴承、顶盖及转轮之间安装的空间小，为了方便密封装置的安装及检修，我们对该处结构进行了优化设计，不仅浮动支座采用了分瓣结构，而且分别设置了弹簧支座和支撑法兰。

采用这种结构，弹簧支座与支撑法兰可以设置较小尺寸，加上采用分瓣结构，安装时该密封各部件均能很方便吊装，最大限度地利用有限的空间。

5　计算模型、程序及结果说明

5.1计算模型

工作时，该密封副轴向受力的模型简图见图4。

图4密封副轴向受力简图

通过分析该密封副特点，由于水膜厚度与间隙宽度相比足够小，故此处密封副可简化为定常、有粘性、不可压缩的平行平板间的径向流动。

其中：

5.2计算程序

为了达到理想的密封效果，需要选择合适的参数，经历了初定→验算→最终确定的反复计算过程，计算程序框图见图5。

图5计算程序框图

其中判定参数选取是否合理的一个重要的评判关键是水膜的厚度值是否落在设定的上、下限值区间内。

若水膜小于设定的下限值，由于密封块与抗磨环之间间隙太小，无法形成均匀的水膜，容易出现烧毁现象。

若水膜大于设定的上限值，造成漏水量大，密封失效现象，不符合电站经济节能运行。

5.3计算结果说明

我们通过计算程序反复计算了不同工况下，功果桥电站密封副前期及后期的各种曲线关系，现选取其中一组曲线图，详见图6、图7示例。

图6被密封A腔P3与总供水量关系图

图7总供水量与水膜厚度关系图

其中：

图6、图7列出了某工况下被密封A腔与总供水量、总供水量与水膜厚度的关系曲线。

我们可以直观地看出该密封副水膜厚度值基本上处于设定值区间内。

通过以上曲线，我们认为该密封副可根据密封A腔压力自动适应能力，即密封水压产生的向上作用力与向下作用力存在一定的关系，满足转动时水膜的形成条件，可以相互作用达到动态平衡，因此可以预见该密封结构封水性能稳定可靠，具有寿命长等优点。

6　结语

本文对水轮机静压自调式主轴端面密封结构及设计要领进行了较详细介绍，功果桥水轮机采用了该密封结构，该电站四台机自2011年11月先后投运至今，主轴端面密封性能良好，密封块磨损量小，运行安全稳定，达到了预期的设计要求，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]颜海霞．裘学军．熊建平．水轮机主轴密封的研究和实践[J]．水电站机电技术，2011(6)．

[2]李观虎．水压式主轴密封的数学分析[J]．大电机技术，1993(5)．

中图分类号：TK730.3+25

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）03-0005-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.002

收稿日期：2014-11-28

作者简介：颜海霞（1977-），女，工程师，从事水轮机结构设计工作。