小型水轮机组主轴密封系统设计

李会敏 杨光永 陈跃斌 蒋小辉

水轮机是实现水利发电最重要的设备之一，它与水轮发电机、电站控制设备、励磁系统和调速器配套在一起使用。不同水电站的水轮机是不一样的，主要是根据不同地方水的流量来设计的，其作用是将不同高度水的势能转变为机械能，从而带动水轮发电机发电[1-2]。

水轮机的导轴承是水轮机的重要组成部分，它的主要作用是承受由轴传来的径向力和振摆力，固定机组轴线位置，同时确保机组稳定性。为了确保水导轴承正常工作，必须在水导轴承和转轮之间安装密封装置，以防止压力水从主轴和顶盖之间的缝隙渗漏到机坑内，导致水导轴承不能正常工作，影响机组的正常运行[3-4]。

1 水轮机主轴密封系统管道设计

一般来说，水轮机主轴密封按其工作性质的不同，可分为检修密封和工作密封两种[5]。水轮机工作密封的原理是，尾水通过管道产生符合工作状况的水压力，利用压力水使环形活塞压住与转轮连为一体的不锈钢抗磨环，形成水封密封圈（如图1所示），阻止水流从主轴与顶盖之间的间隙上溢，防止水导轴承被淹。水轮机检修密封的原理是：空气围带与密封环座、压盖形成气封密封圈（如图1所示），它能防止尾水在尾水位较高时倒灌进入机坑内。

图1 主轴密封外部图

2 水封管道设计和气封管道设计

图2为水封管路系统图。其工作原理是：打开电动阀 3、5、7→抽水泵 1工作→尾水进入管道 1中（通过滤水器，使净化后的尾水）→形成去水密封圈；同理，打开电动阀 4、6、8→抽水泵 2工作→也可形成去水密封圈；当抽水泵1或抽水泵2需要更换或者检修时，打开手动阀 9，尾水会交叉流入管道 1或者管道 2，形成去水密封圈。去水密封圈上设有电磁流量计和压力感应器，运用施耐德PLC，控制抽水泵工作[6-8]。

图2 水封管路系统图

图3 是气封管道系统图。其工作原理是：打开发动机M21→充气泵1工作→空气进入管道1中→形成去气密封圈；同理，打开发动机M22→让充气泵2工作→也可形成去气密封圈；当充气泵1或充气泵 2需要更换或者检修时，打开手动阀 9，空气会交叉流入管道 1或管道 2，形成去气密封圈。去气密封圈上设有压力感应开关，运用施耐德PLC，可以控制充气泵工作[6-8]。

图3 气封管路系统图

3 主轴密封控制回路设计

3.1 水封密封圈的控制回路设计

1）抽水泵的控制回路设计

图4（a）表示的抽水泵1的主电路，主电路由刀开关QF1、熔断器FU1、接触器KM1的主触点、热继电器FR1的热元件和电动机M1构成。

图4（b）表示的是抽水泵1的控制回路，它由起动按钮SB1-1、停止按钮SB1-2、接触器KM1动合触点和线圈KM1、应用PLC技术控制的开关KA1和KA10构成。

图4 抽水泵1的接线原理图

抽水泵1的工作原理如下。

（1）起动。合上 QF1→按下起动按钮 SB1-1→接触器KM1线圈通电→KM1主触点闭合→电动机M1接通电源运行；或者通过开关KA1来使电动机M1运行。

（2）停止。按下停止按钮SB1-2→KM1线圈通电→KM1主触点断开→电动机M1断电停止运行；或者通过开关KA10来使电动机M1停止运行[9-12]。

抽水泵2的接线原理图与抽水泵1一致，这里略去。

2）电动阀3的控制回路设计图

图5（a）表示的电动阀3的主电路，主电路由刀开关QF3、熔断器FU3、接触器KM3-1和KM3-2的主触点、热继电器FR3的热元件和电动机M3构成。

图5（b）的是开起电动阀3的控制回路，它由起动按钮 SB3-1、停止按钮 SB3-4-1、行程开关ST3-1、接触器KM3-1动合触点和线圈KM3-1、以及应用PLC技术控制的开关KA3-1构成。

图5（c）表示的是关闭电动阀3的控制回路，它由起动按钮SB3-2、停止按钮SB3-4-2、行程开关ST3-2、接触器KM3-2动合触点和线圈KM3-2、以及应用PLC技术控制的开关KA3-2构成。

图5 电动阀3的接线原理图

开阀门的工作原理如下。

（1）起动：合上 QF3→按下起动按钮 SB3-4-1→接触器 KM3-1线圈通电→KM3-1主触点闭合→电动机 M3接通电源正转运行，阀门打开；或者通过开关KA3-1使电动机M3正转运行，阀门打开；当阀门开到定点时，行程开关ST3-1被触发，开阀门回路断电，M3停止正转运行，开阀门行程结束。

（2）停止：按下停止按钮 SB3-4-1→KM3-1线圈通电→KM3-1主触点断开→电动机 M3断电停止运行。

关阀门的工作原理如下。

（1）起动。合上 QF3→按下起动按钮 SB3-4-2→接触器 KM3-2线圈通电→KM3-2主触点闭合→电动机 M3接通电源反转运行，阀门关闭；或者通过开关KA3-2来使电动机M3反转运行，关闭阀门；当阀门关好后，行程开关ST3-2被触发，关阀门回路断电，M3停止反转运行，关闭阀门行程结束。

（2）停止。按下停止按钮 SB3-4-2→KM3-2线圈通电→KM3-2主触点断开→电动机 M3断电停止运行。

水封管路系统图中其他电动阀的控制回路设计图与电动阀3的控制回路设计图一致，略。

3）测水压和水流量的控制回路设计

图6是电磁流量计和压力感应器的控制回路，它由压力开关KP、流量开关KL以及线圈KA11共同构成。

图6 测水压和水流量的接线原理图

工作原理：压力节点无压→压力开关KP闭合→线圈 KA11通电→抽水泵停止工作。电磁流量计检测到水流量→流量开关KL闭合→线圈KA11通电→抽水泵停止工作。

3.2 气封密封圈的控制回路设计

1）充气泵的控制回路设计

图7（a）表示的充气泵1的主电路，主电路由刀开关QF21、熔断器FU21、接触器KM21的主触点、热继电器FR21的热元件和电动机M21构成。

图7（b）表示的是充气泵1的控制回路，它由起动按钮SB21-1、停止按钮SB21-2、接触器KM21动合触点和线圈KM21、应用PLC技术控制的开关KA21和KA21-10构成。

图7 充气泵1的接线原理图

充气泵1的工作原理如下。

（1）起动。合上 QF21→按下起动按钮 SB21-1→接触器KM21线圈通电→KM21主触点闭合→电动机M21接通电源运行；或者通过开关KA21使电动机M21运行。

（2）停止。按下停止按钮SB21-2→KM21线圈通电→KM21主触点断开→电动机 M21断电停止运行；或者用开关KA21-10使电动机M21停止运行。

充气泵2的接线图与抽水泵1一致（略）。

2）气封密封圈中测气压的控制回路设计

图8是测气压的控制回路，其由压力开关KP2、线圈KA22共同构成。

图8 测气压的接线原理图

工作原理：压力节点无压→线圈KA22通电→充气泵关闭，不再充气。

4 PLC程序设计

4.1 水封密封圈的PLC程序设计

1）信号表

表1 数字输入符号表

表2 数字输出信号表

2）开抽水泵和电动阀的PLC程序

图9 开起抽水泵、电动阀系统的PLC程序图

3）关抽水泵和电动阀的PLC程序

图10 关闭抽水泵、电动阀系统的PLC程序图

4.2 气封密封圈的PLC程序设计

1）信号表

表3 数字输入符号表

表4 数字输出信号表

2）打开充气泵的PLC程序

图11 开起充气泵系统的PLC程序图

3）关闭充气泵的PLC程序

图12 关闭充气泵系统的PLC程序图

5 结论

本文以小型水轮机组的主轴密封系统为研究对象，对主轴密封的两种密封形式进行了阐述，并运用施耐德PLC设计了主轴密封系统，最终基本实现水轮机的主轴密封。

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