高水头混流式水轮机主轴密封研究

张强

【摘要】根据高水头混流式的水轮设计情况，对其存在的主要部件进行介绍，对主轴密封情况进行深入研究。

【关键词】高水头；混流式；水轮机；主轴密封

引言

水轮机，一种能够将水的能量进行旋转，通过机械能的转换，转轮将发动机转子进行驱动，进而产生电能。这种将机械能转化为电能的机器，能够将水转化为能量。。

1、反螺旋式的主轴密封

相比于传统的接触式密封结构，非接触式的密封结构主要是以螺旋纹为原理，将主轴进行密封设计的改进。这类密封的轴两个表面设计有螺旋槽，在进行轴转动时，螺旋能够将密封间隙中的流体与其构成压差，以这种方式阻止泄露，这就是反螺旋密封设计。

2、高水头混流式水轮机情况分析

离心式密封本身是在非接触密封结构中的一种，在这类应用中广泛流传，且不会因为高温的限制，在压差很小甚至本身就等于零的时候非常适合。离心的密封能够利用转子的旋转进而带动水流进行旋转，产生离心力之后，甩水环能够借助离心力的作用，径向将水甩出，进而避免了水进入泄露缝隙中，密封的目的就此达到。这类离心密封最大的优点是，较大的密封间隙被允许存在，这种能够将密封住本身含有沙泥杂质的水流，确保出现零泄漏。这类设备的磨损程度很小，结构非常的简单，进行检修时更加方便，价格也更加低廉，使用起来非常可靠，寿命相对较长。

3、螺旋动力泵主轴密封的研制

（1）转轮缝隙的漏水分析。漏水量随着水轮机工作水头下损失过程更大。水压达到一定程度之后，漏水能够从各个止水环中有减小趋势，止水的作用就较为明显。但在实际环境中，设备间隙内水流雷诺数较大，若主轴的密封止水效果较好，漏水量则小，设计的泄水孔也更加合理。

（2）含有沙泥的水流对密封结构损坏。水轮机止漏是依靠梳齿结构和摩擦副结构，受到快速损坏时可能有以下两种原因：第一，含沙泥的水流速度大，磨损的程度则更快；含沙泥的水流速度与各个因素有直接或间接的关系。第二，含沙泥的多少以及含沙泥的成分、硬度。这些直接影响这密封结构磨损情况以及止漏密封件的寿命。磨损量的计算公式为W=KNnVmt，K主要与泥沙的硬度、粒径、重度等有关，本身是经验系数，W作为磨损量，单位为cm，V是相对速度，m/s，N则是每年平均含沙量，kg/m3，t则是磨损时间。n一般取2.0，m一般取3.0 。泥沙的磨损量在设备中与含有泥沙的水流速度表现出m次方正相关，与磨损的时间呈正相关，与年平均含沙量表现出n次方。

（3）螺旋动力泵式主轴密封的研究。目前国内在进行水轮机主轴密封时，一般会选择端面式主轴密封，这种密封的基本原理是主要如下：流动时水力会形成损失，水流能量降低，大量泄漏情况因此被阻止，从而达到最终目的。这种密封的重要特征是压力之下能够进行接触式的摩擦，对摩擦面进行润滑和冷却，进而得到较好的效果。具体来说，转环和静环上具备的两个方向相反螺旋槽和叶片泵，能够在机组转动时形成压头阻力，使得水流泄漏得到阻止。当设备本身参数和设计调试合理后，密封能够维持长时间的不泄露。且因为这类设备本身的密封不会依赖于转换和静环间隙内水利，所以泥沙的磨损对密封性能的影响也是非常小，密封间隙对这类设备影响小，从便于安装调整的角度上来说将间隙加大，能够得到较好的效果。螺旋动力式的主轴密封基本原理，主要是动力泵的原理，原件在机组内进行传动，水流能够产生压头，阻止了泄漏情况。所以在进行螺旋动力泵设计时最关键的需要对螺旋泵的流道、齿形的参数以及压头、安装角度进行完善的计算和调整，使得参数值对其密封情况不会产生影响。

本次选择的高水头混流式水轮机（型号：HL（TF5008）-LJ-315.5）是从东芝公司引进的CFD水力设计技术。为330 MW总装机、三台110 MW单机容量的混流式水轮发电机组。转轮的公称直径为3.155 m，额定转速为333.3 r/min，功率为112.5 MW，流量为45.2 m3/s。工作效率为93.43 %，轴向的最大推力可达到333.4 KN，旋转方向选择俯视顺时针。

对漏水量以公式展开：q=u f （2gh）1/2，u代表流量系数，f代表缝隙面积，h是止漏系统的压力差。按照这个公式对本次研究的设备进行分析：主轴密封效果较好，则漏水量q小，泄水孔设计更为合理，则上梳齿在通过泄水孔流向尾水管时，主轴密封压力小，这能使得主轴密封更为有利。反之，压力若设计较大则会出现封水效果一般的情况。

本次研究时，对其进行水力设计和模型试验时，这类水轮机选择的是长短叶片的结构，这类设备的水力特性和运行特点均为先进的水轮机。这类水轮机的转轮已经通过水力设计和模型试验，得出的结论是技术更优、效率更高、运行非常稳定。总体设备设计上，立轴混流式的水轮机，其金属蜗壳的包角为345度，其尾水管选择的是弯肘型构造。水轮机本身与交流发电机直接连接，由主要部件和辅助系统构成，主要部件有：机坑里衬、尾水、环、主轴和中间轴、液压以及主轴中心孔补气、油气水管路。

4、 总结

高水头混流式水轮机主轴密封情况在很大程度上决定着，其在运用过程中的多方面效率，在实际生产中，必须对其加以重视。

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