灯泡贯流式水轮机主轴密封研究.docx

灯泡贯流式水轮机主轴密封研究周忠浩，陈美娟，熊建平( 东芝水电设备( 杭州) 有限公司，杭州310016)Study on Main Shaft Sealing of Bulb Tubular TurbineZHOU Zhong hao，CHEN Mei juan，XIONG Jian ping( Toshiba Hydro Power ( Hangzhou) Co ，Ltd，Hangzhou 310016，China)Abstract: The main shaft sealing is one key part of bulb tubular turbine In this paper，main structural types and corresponding applica- tion effects of the main shaft sealing of bulb tubular turbine designed by Toshiba Hydro Power ( Hangzhou) Co ，Ltd are introduced Is- sues such as type selection of the main shaft sealing are discussed as wellKey words: Bulb tubular turbine; main shaft sealing; carbon sealing; stuffing sealing; labyrinth sealing东芝水电设备( 杭州) 有限公司( 简称: 东芝水电) 在灯泡贯流式水轮发电机组方面拥有良好的业 绩，在主轴密封设计及应用方面也积累了丰富的经 验。灯泡贯流式水轮机主轴密封按其工作性质可以 分为主轴检修密封和主轴工作密封，灯泡贯流式水 轮机一般同时设置主轴检修密封和主轴工作密封 2 种主轴密封。主轴检修密封在水轮机停机或检修时 候起密封作用; 而主轴工作密封在水轮机运转情况 下起密封流道压力水的作用。本文对贯流式水轮机主轴检修密封进行了简要 说明，着重对东芝水电灯泡贯流式水轮机主轴工作 密封结构型式及其实际应用情况作了一些总结分 析，并对主轴工作密封的设计及形式选择方面进行 一些探讨。0前言主轴密封是灯泡贯流式水轮机的关键部件之一，设置在水导轴承与转轮之间，作用是减少水轮机 转动部件( 主要指主轴) 与固定部件间的漏水量，其 性能优劣对机组运行稳定性、可靠性和电站效益有 着重要的影响，水轮机主轴密封设计、制造及安装等 各个环节都必须非常重视。灯泡贯流式水轮机由于受本身结构特点的限 制，其主轴密封有许多特殊要求。首先，对灯泡贯流 式水轮机主轴密封的可靠性要求很高。由于主轴密 封漏水靠自重排至电站集水井内，一旦漏水不能及 时排走积聚在灯泡体内，将造成严重事故。其次，由 于灯泡体内空间窄小，要求主轴密封结构简单，便于 拆装和检修。设计一种结构简单合理、运行可靠、成 本低、维护简便的主轴工作密封结构形式，一直是灯 泡贯流式机组研究的重点和难点之一。主轴检修密封主轴检修密封是主轴密封的一道辅助密封，在 水轮机停机状态下投入，此时可以避免流道内压力 水通过工作密封而泄漏，理论上此时可以在机组流1收稿日期: 2012-07-28作者简介: 周忠浩( 1967 ) ，男，工程师，从事水轮机设计工作摘 要: 主轴密封是灯泡贯流式水轮机的关键部件，文章介绍了东芝水电设备( 杭州) 有限公司设计的灯泡贯流式水轮机主轴密封主要结构型式及其应用效果，并对主轴密封结构选型等问题进行了探讨。关键词: 灯泡贯流式水轮机; 主轴密封; 碳精密封; 盘根密封; 迷宫密封中图分类号: TK733 + 8; TM312 文献标识码: A西北水电2012 年增刊 1131封、梳齿密封、平板橡胶密封、端面密封等形式，也可由上述几种形式组合构成。以下主要阐述灯泡贯流 式水轮机中常见的主轴工作密封形式。2 1主轴盘根密封盘根密封是一种最常规的密封形式，具有结构 简单、维护方便的特点，广泛应用于贯流式水轮机主 轴密封设计中，能有效地满足主轴密封的要求。盘 根密封典型结构如图 2 所示。道不排水状态下进行主轴工作密封的检修、维护。鉴于卧式灯泡贯流式机组的特殊性，也有部分 小型灯泡贯流式机组没有设置主轴检修密封，此时 如果机组停机，则主轴工作密封一直有较小漏水需 要排出。一般情况下，灯泡贯流式水电站通常会落下流 道进口闸门和尾水检修闸门，排干机组流道水，之后 再检修或更换主轴工作密封，以进一步确保检修时 人身安全。东芝水电贯流式水轮机一般采用图 1 所示实心 结构空气围带式检修密封。其结构简单、制作容易、 维护方便，密封效果良好。主轴检修密封主要由供气管路、连接法兰、空气 围带和主轴构成。在流道中没有充水或者水轮机运 转时，空气围带不充气，此时空气围带与主轴间有 2 mm 左右的间隙; 在机组停机时，需要投入检修密 封，在空气围带的外腔通入的 0 5 0 7 MPa 的压缩 空气，空气围带充胀贴紧旋转部件( 如: 主轴或抗磨 环) 起到密封作用，阻止流道内河水通过主轴工作 密封而泄漏，此时检修密封处于工作状态。空气围带结构有多种，主要有空心和实心 2 种 围带形式。空气围带的橡胶材质、模压尺寸偏差、接 头粘接质量以及设计的压缩量均会影响检修密封的 封水效果。另外，内锥体固定部件与转轮密封环转 动部件之间形成约 2 mm 的间隙密封，防止河水中 大颗粒杂质进入，对检修密封和工作密封起到了一 定保护作用。主轴检修密封在出厂前均需要在厂内进行密封 试验，检查其气密性，以求达到设计要求的密封效 果。盘根密封结构2 1 1盘根密封结构主要由水封盖、水封支撑、密封圈、工字环、抗磨环和压力调节装置及供水管路等组 成。盘根密封作用原理为密封圈端面在压力作用下 径向扩张与抗磨环形成接触密封。密封圈中间设一 工字环通入密封冷却水。密封冷却水的作用: 一是 冷却盘根和抗磨环，防止盘根因摩擦发热而烧损; 二 是起到水润滑的作用; 三是阻止河水进入，减小泥沙 磨损。通常盘根密封设置自动调整装置，自动调节盘 根轴向压缩量从而保证密封漏水量正常，减小电站 盘根密封的维护工作量。盘根密封采用耐磨性能好的聚四氟乙烯浸碳纤 维材料，抗磨环采用不锈钢制作。当主轴密封漏水 量偏大而可能危害安全运行时，应考虑对盘根进行 更换，同时抗磨环的磨损程度，考虑是否需要对抗磨 环进行补焊修磨或更换抗磨环。2 1 2密封供水量控制问题盘根密封在实际应用中一个较为普遍的问题是 密封供水量控制的问题，其主要表现为:( 1)在机组投产的时候，密封水流量较小达不到正常设计流量，并往往低于开机流量，造成机组无主轴工作密封主轴工作密封是机组主轴密封的关键部件，其 型式多种多样，主要有盘根密封、碳精密封、迷宫密2图 1 实心结构空气围带式检修密封简图图 2 盘根密封典型结构简图周忠浩，陈美娟，熊建平 灯泡贯流式水轮机主轴密封研究132精支座可以在弹簧座上轴向移动，滑板直接把合在主轴法兰上。机组运转时，两道碳精环在弹簧力的 作用下压在旋转的滑板上，在两道碳精环和滑板形 成的密封腔中通入润滑水，润滑水在密封腔中形成 的压力与弹簧的压力保持平衡，在碳精环与滑板之 间形成水膜润滑摩擦副。润滑水膜厚度不随密封磨 损而变化，并带走摩擦产生的热量。从碳精环内侧 泄漏的润滑水通过排水管流至电站集水井，从碳精 环外侧泄漏的润滑水进入与尾水相通的流道内，因 此主轴密封供水压力必须大于流道内的水压力，才 能阻止河水进入密封腔中。法开机。( 2) 在机组运行一段时间后，密封水流量进一 步减少，最终的稳定流量很小，远低于设计流量，流 量变送器很难将实际流量采集送出，供计算机监控 使用。究其原因，主要是采用盘根密封结构的机组密 封间隙小，所需要的密封水量本来就不大，机组运行 一段时间后由于压力作用及材料膨胀的原因，使得 主轴抗磨环与盘根的过流间隙变得更小。主轴密封 供水量是受盘根密封漏水量制约的，在漏水量很小 的情况下密封供水量也很小，造成上述问题。解决的对策为:碳精密封的特点2 2 2碳精密封除前面所述的优点，还有下面特点:( 1) 进口的碳精环密封材料 p v 允许值为 80( 1)通过重新核算盘根密封所需的冷却水流量，重新整定设计流量值。( 2) 更换盘根密封材料，盘根密封材料要求具 有良好的耐热性能，防止因冷却水量小而烧损。盘根密封属接触密封，其缺点是机械磨损大，使 用寿命较短，特别是当河水泥沙含量大时，磨损更加 严重，需要经常更换。同时，盘根密封的摩擦阻力较 大，也增加了水轮机的机械损失。所以选用时应综 合比较。2 2碳精密封碳精密封因其磨损小，使用寿命长，运行维护方 便，在许多贯流式机组中得到了推广应用。碳精密 封结构如图 3 所示。2kg / cm m / s，这对于灯泡贯流式水轮机来说，p v值是能满足要求的。( 2) 在主轴有振动及偏移的情况下，碳精密封 有比径向盘根密封更好的适应性。( 3)碳精环在清水中的摩耗非常少，但抗泥沙磨蚀能力很弱，保证流过滑板面的水是清水对碳精密封来说是至关重要的。水轮机运转时，碳精环与 滑板间之间形成的水膜( 即密封间隙) 非常小，仅为0 05 0 1 mm，因此密封水的过滤精度要求较高， 要求杂质颗粒直径不大于 30 m，一般应选择 80 目 以上滤网。因此，电站必须设置能满足设计要求的 清洁水源，同时密封面的加工精度、安装精度对密封 间隙的形成就是非常重量的，也是控制的难点。2 2 3实际应用中出现的问题及原因分析某电站自 1999 年投运后，没有过多长时间 1 号 机主轴密封即发生严重磨损。至 2006 年 3 台机组 主轴密封漏水情况均较为严重，尤其是主汛期常出 现严重漏水。另有一电站自 2003 年投运后，2 台机组分别于2004 年 12 月和 2005 年 7 月发生 2 次主轴密封损坏 事故。主轴密封损坏致使低压供油系统进水，机组 发电机导轴承、水轮机导轴承由于进水而发生锈蚀， 机组被迫停运检修。上述 2 个电站主轴密封损坏的直接原因是碳精 环过度磨损，而造成碳精环过度磨损的原因是由于 滑动面间有泥沙等杂质进入，这也从反面验证了碳 精密封抗硬质颗粒磨损能力弱的缺点。在实际运行 维护中，必须保证碳精环清水润滑，否则难以达到预结构原理2 2 1碳精密封主要有水封盖、弹簧座、碳精支座、碳精环、滑板和供水管等组成。弹簧座通过连接法兰 与内导环固定，碳精环固定在碳精支座上成一体，碳图 3 碳精密封结构简图西北水电2012 年增刊 1133期寿命。由于碳精密封进口价格高、采购周期长及电站 水质难以达到设计要求等原因，东芝水电对部分电 站的主轴密封进行了改造，均改成了下面将详细说 明的“迷宫和橡胶平板组合式密封”形式。密封。其原理是利用水流通过梳齿收缩扩散形成压力损耗，达到降压密封的目的，同时转动的梳齿密封 也有分离泥砂，清洁水流的作用。迷宫和橡胶平板组合式密封结构原理2 32 3 1迷宫和橡胶平板组合式密封结构如图 4 所示，主要有抗磨环、橡胶密封板、迷宫环、支撑环等组成。图 5 梳齿和橡胶平板组合式密封结构简图抗磨环和密封板等构成第 2 道橡胶平板密封， 利用固定在主轴上旋转的斜向橡胶密封板与固定的 抗磨环进行密封。为改善摩擦面的冷却与润滑条 件，在橡胶密封板摩擦面上开有径向沟槽。转动的 橡胶密封板斜面与抗磨环之间需要有一定的预压 量，使橡胶板斜面与抗磨环贴合。流道中的水流通 过摩擦斜面上的径向沟槽，从沟槽漏入的少量水在 摩擦面形成一层水润滑膜，起润滑冷却作用。梳齿和橡胶平板组合式密封结构简单、可靠、维 护方便，实际运行稳定、密封效果良好。图 4 迷宫和橡胶平板组合式密封结构简图迷宫环上设 4 组依次排列的环形密封齿，齿与 齿之间形成一系列节流间隙与膨胀空腔，当水流通 过迷宫间隙时产生节流效应，形成很大的水力损耗，使水头大为下降，从而达到减压密封的目的。在迷宫密封后为平板密封，橡胶密封板与抗磨 环的间隙可以根据漏水量大小进行调整。2 3 2实际应用效果东芝水电根据电站改造的需要，经过多个方案 分析比较，采用了迷宫和单平板组合式密封结构，在 几个电站主轴密封改造中取得了成功，得到了业主 的肯定。由于采用了迷宫密封这种无接触密封形式，从 而减少了密封件的磨损，增加了密封的使用寿命。 橡胶密封板价格便宜，安装维护简单，更换方便，大大降低了电站运行、维护成本。2 4梳齿和橡胶平板组合式密封主轴工作密封形式及密封供水说明密封结构形式选择主轴工作密封结构形式多种多样，选择合适的33 1形式非常重要，要通过综合考虑作出确定。影响选择的要素有河水中的砂质及含量、设置供水设备所 需的成本、检查维护保养的难易程度以及发生不良 情况时所产生的影响等等。盘根密封结构简单，性能较为可靠，是一种非常 成熟的常规结构，但抗磨环在泥沙含量较高的电站 磨损较快，并且抗磨环磨损后维护较麻烦。碳精密封对密封水质有较高的要求，供水系统 成本较高，同时国产碳精环质量难以满足使用要求， 采用进口碳精环成本又很高，而且对密封面加工及 安装要求高。因此，近几年已很少采用此形式。作2 4 1结构原理梳齿和橡胶平板组合式密封结构主要有支撑法兰、抗 磨 环、密 封 板、梳 齿 装 配 等 组 成 ( 如 图 5 所 示) 。梳齿装配和支撑法兰形成第 1 道密封，即梳齿周忠浩，陈美娟，熊建平 灯泡贯流式水轮机主轴密封研究134为改造方案，用高分子材料密封块代替碳精环也是一种选择，在耐磨性方面会有改善。但对于卧式机 组来说，主轴挠度、密封块支座重力及弹簧力不平稳 等因素易造成密封块转动时摆度加大、漏水量增加 以及磨损加剧，密封的实际使用寿命较难达到设计 要求。迷宫、梳齿分别与橡胶平板组合而成的密封结 构原理基本相同，但梳齿结构比直通式迷宫阻流效 果更好，并且梳齿结构为端面密封，密封齿沿径向布 置，轴向结构较为紧凑，有利于减小转轮悬臂长度， 改善主轴及导轴承受力状况。由于布置位置等限 制，对于电站改造采用迷宫和橡胶平板组合密封结 构是合适的，而对于新设计的灯泡贯流机组一般可 采用梳齿橡胶平板组合式密封结构型式。这两种密 封结构形式的共同特点是结构性能可靠、摩擦损失 小、使用寿命长、运行维护成本低，是较为合理可靠 的结构形式。3 2 密封供水系统盘根密封和碳精密封必须设置主轴密封供水装 置，并且对水质均有一定的要求，特别是碳精密封要 求清洁水源，以尽可能减缓磨损。迷宫( 或梳齿) 橡胶平板组合式密封是否需要 设置密封供水装置，这里作一点分析探讨。对于迷宫( 或梳齿) 橡胶平板组合式密封来说，密封供水主要目的是预防橡胶密封板与抗磨板因机组转动接触而摩擦生热。如果河水水质较好，河水 流过密封板的沟槽也同样起到冷却效果，同时密封 对阻止泥沙具有一定的作用，因此可以取消密封供 水系统，降低电站投入及维护成本。在多泥沙流域 中，橡胶板寿命会降低，为了延长密封板更换周期， 建议设置密封供水系统。从东芝水电已运行的相关电站情况来看，无密 封供水的梳齿( 迷宫) 橡胶平板组合式密封中的橡 胶密封板寿命可达到 5 a 以上。结语4近年来，随着新材料、新技术应用研究的不断深入，东芝水电灯泡贯流式水轮机主轴密封结构性能 和可靠性不断提高。针对电站实际情况及业主的要求，选择最合适 的贯流式水轮机主轴密封结构，仍是今后设计优化 的重点，以期主轴密封更加简单、可靠。参考文献:1李胜亮 双岭水电站水轮机工作密封改 造J 水 力 发 电，2007，( 1) : 77 79陈 善 贵 浅谈几种常见 的 主 轴 密 封 水电站机 电 技