溧阳水泵水轮机主轴密封结构设计

张玺琛

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)



溧阳水泵水轮机主轴密封结构设计

张玺琛

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

摘要：溧阳抽水蓄能电站担负着为江苏电力系统提供调峰、填谷和备用容量的任务，同时可承担系统的调频、调相等任务，其特殊性使得机组拥有水轮机和水泵两种工况。水轮机转轮与主轴法兰处的主轴密封既要在水轮机和水泵工况下起到密封即润滑的作用，也需要在机组调相造压过程中扮演密封高压空气的角色，同时机组的转速较高，因此主轴密封的结构设计尤为重要。

关键词：轮机；水泵；主轴密封；结构设计

1工程概况

溧阳抽水蓄能电站地处江苏省西南部的溧阳市境内，下水库区经天目湖镇平桥至溧阳市公路里程为32 km。为地下厂房，厂房内安装了6台单机容量为250 MW的混流可逆式水泵水轮电动发电机组，总装机容量1 500 MW。

机组的转速较高，其额定转速达到300 r/min，转轮中心线高程-57 m，下水库正常蓄水位为19 m。即下游水位至机组中心线的尾水压力最大约为0.8 MPa。

2主轴密封的结构设计

主轴密封是水泵水轮机转动部分的重要部件，主轴密封布置在水导轴承的下部，它的作用是减少转轮上冠与顶盖之间的水向外泄漏，并在机组调相和造压起动过程中起到封气的作用。

水轮机运行时，转轮室内的压力浑水经过水轮机主轴与顶盖之间的间隙进入上冠与顶盖形成的浑水腔内，在浑水腔内形成一定的压力。厂房清洁水通过滤水器和节流孔板以后经过浮动密封环内孔进入工作密封块与耐磨环所形成的空腔内，分两部分流出。一部分经过工作密封块与耐磨环之间的间隙流到浑水腔，另一部分则流向清洁水腔。为了能够阻止浑水腔内的脏水通过密封流入主轴上端，清洁水的压力必须高于尾水压力。此电站的技术供水压力为1.6 MPa，满足主轴密封的供水压力要求。

溧阳抽水蓄能水泵水轮机的主轴密封采用轴向端面水压式主轴密封，此种密封为哈电的成熟结构，在五强溪、三峡左岸、三峡右岸、三峡地下，龙头石、构皮滩、宝泉、白莲河、蒲石河等大中型混流式水轮机和水泵水轮机上获得了成功应用。

轴向端面水压式主轴密封由转动部件和固定部件组成。转动部件包括工作密封块、抗磨转环，其中工作密封块通过螺栓固定在浮动环上，抗磨转环通过螺栓固定在主轴或转轮端面上；固定部件包括浮动环、密封支架、密封座、压紧弹簧、水箱、供水软管、供水环管及排水管等管路附件。结构示意图见图1。

工作密封块上开有环形密封水腔，用螺栓固定于浮动环下方。浮动环上部与导向环之间装有数个弹簧，利用导向环上的压紧螺母将弹簧压在工作密封块上，使工作密封环与抗磨转环紧密接触[1]。

密封水箱分与转轮室相通的浑水腔和清洁水腔，在密封支架和浮动环相接触位置设有U型密封条，用以隔断浑水腔和清洁水腔。在浮动环内钻有数个通孔，用以将清洁水引入工作密封块与抗磨转环之间形成润滑水膜，不仅达到密封浑水的目的，同时还对密封块起到一定的润滑作用。

由于机组在运行过程中，浮动环与密封支架时刻保持轴向相对运动，为了减小在运动过程中接触密封面的损伤，在密封支架上与浮动环接触的位置采用堆焊不锈钢的方法，既可降低接触面的硬度，减小密封面的刚性磨损，又可避免长期泡在水中产生锈蚀的风险，同时还可保证相对移动的密封表面的光洁度要求[2]。

1.压紧弹簧 2.水箱盖3.水箱 4.密封支架

轴向端面水压式主轴密封的工作原理：主轴密封块固定在浮动环上，均布在密封支架上的不锈钢压紧弹簧作用于浮动环上使密封块紧压在转环上。这样就保证在润滑水中断的情况下以及在机组停机后，仍具有良好的密封功能。来自压力钢管的密封润滑水经减压过滤后，引入主轴密封块与转环之间的空腔内，随着主轴的高速旋转，有压密封水在主轴密封块与转环之间形成水膜，使主轴密封块在带压水膜的作用下与转环分离，水膜具有良好的密封作用。由于压紧弹簧的作用，主轴密封的密封块具有自补偿功能。

主轴密封的密封块采用进口高分子耐腐蚀材料，密封采用水润滑和冷却，所有仪表按招标文件“水轮机仪表、控制设备、仪表盘和端子箱”的要求配置，工作密封用的压板、螺栓、螺母等均采用不锈钢材料，采用固定螺栓和定位销等措施防止密封环转动[3]。

3主轴密封块的设计改进

在主轴密封块底部圆周上，布置若干数量的Ketron圆柱销，如主轴密封块在运行过程中过热，其热量将传递给Ketron圆柱销，因Ketron销和Cestidur材料的热膨胀系数的不同，Ketron销将先行胀出，与转环接触，主轴密封块与转环脱开，在密封水的作用下，主密封材料得到迅速冷却，冷却后的主轴密封块将会使Ketron圆柱销的温度降低，使Ketron圆柱销缩回主轴密封块内，主密封材料又重新投入正常运作，起到保护主轴密封块的作用。

4结论

溧阳抽水蓄能电站由于机组转速较高，同时又具有水轮机工况、水泵工况、过渡工况，这对主轴密封块的磨损会比较严重。根据以往电站端面水压密封块在以往电站运行中均表现出良好的密封性和耐磨性。而溧阳主轴密封的结构形式是在端面水压密封的结构基础上，增加了保护密封块Ketron圆柱销，提高了密封块的使用寿命。

参考文献：

[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京：机械工业出版社，1976：59-65.

[2]刘天宝，程兆雪.流体力学与叶栅理论[M].北京：机械工业出版社，1990：26-34.

[3]程云山.水泵水轮机主轴密封及烧损故障处理[J].水利水电科技进展，2007，27(06)：19-22.

中图分类号：TK730

文献标识码：B

[作者简介]张玺琛(1982-)，男，山西绛县人，工程师，从事水轮机设计工作。

[收稿日期]2015-10-28

文章编号：1007-7596(2016)01-0037-02