水轮机主轴密封的研究与实践.docx

水轮机主轴密封的研究与实践颜海霞，裘学军，熊建平（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）摘 要：结合东芝水电针对不同型式主轴密封的研究与实践，较系统地介绍了水轮机主轴密封装置的基本原理、结构型式及特点，供水轮机主轴密封设计时参考。关键词：水轮机；主轴密封；结构；原理；研究；实践中图分类号：TK730.3+25文献标识码：A文章编号：1672- 5387（2011）06- 0001- 05水轮机主轴密封是机组的关键部件之一, 设置在水导轴承与转轮之间，用以减少或防止压力水从 转动部件（主要指主轴）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。主 轴密封的好坏直接关系到机组的运行安全、检修周 期及电站经济效益。因此，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。东芝水电综合国内外旋转机械主轴密封结构、 密封材料及使用情况，进行了较深入的研究。近年 来，在水轮机主轴密封结构设计、新材料应用方面也 不断有新的发展。在新电站设计时，一般来说，采用 成熟可靠、检修方便的主轴密封结构，同时也可以根 据用户要求，设计所需要的各种密封结构，以满足不 同电站需求。水轮机主轴密封按其工作性质可以分为水轮机 工作密封和水轮机检修密封，水轮机一般同时设置 工作密封和检修密封两种密封。下面，将分别介绍， 供设计时探讨。1 水轮机工作密封水轮机工作密封是主轴密封的一道主密封，是 为了机组运转时减小密封漏水量而设置的，按照密 封结构型式主要可分为径向密封、轴向密封、非接触 式密封及组合式密封等。1.1 径向密封 径向密封分填料式和剖环式两种，主要是利用耐磨材料，在机械弹簧等方式作用下，沿径向与套在 主轴上的抗磨衬套形成径向密封面，并通清洁水进 行润滑，该密封面主要通过接触压力和润滑水来止 漏、密封。1.1.1 填料式径向密封填料式径向密封比剖环式径向密封结构简单应 用更广泛，其结构简图如图 1 所示。1- 主轴4- 弹簧2- 甩水环5- 密封压板3- 抗磨环6- 密封箱9- 止动针7- 填料密封圈 8- 工字环图 1 填料式密封结构简图填料式密封用密封压板（项 5）靠螺栓施加轴向 压力使多层填料压紧，从而使填料密封圈（项 7）内 表面与抗磨环（项 3）密切接合，达到密封的效果。为了防止转轮侧流道水流的进入，要求密封填 料与主轴密封抗磨环间保持较小的间隙。填料密封 圈的中央附近设置一工字环（项 8），通过工字环向 内注入清洁压力水，要求密封供水压力大于转轮侧 水压，使密封圈的间隙内充满清洁润滑水，转动时形 成水膜，其目的是为了进行润滑、冷却及防止转轮侧 的不清洁水进入水导轴承侧，有效地减小填料密封 圈和水封抗磨环的磨损，延长密封使用寿命。填料式密封具有结构简单、维护方便、调整容收稿日期：2011-08-09作者简介：颜海霞（1977-），女，工程师，从事水轮机设计工作。水 电 站 机 电 技 术2第 34 卷易、密封性能稳定等特点，但使用寿命相对较短。为解决这一问题，在结构上优化为自调整式填料密封， 即增加一组弹簧（项 4），靠弹簧的作用力，保证密封 压板（项 5）压紧密封盘根，减小漏水量，即为具有自 调整功能的填料密封结构。在材料上填料一般采用 聚四氟乙烯浸渍碳纤维盘根材料，而抗磨环采用不 锈钢材料，不易磨损。填料式径向密封广泛应用于中低水头水电站水 轮机主轴工作密封。我公司设计、制造的浙江白水坑、浙江应村水电 站等机组均采用了该密封形式，其中应村水电站的 额定转速达 750 r/min，线速度 14.7 m/s。1.1.2 剖环式径向密封剖环式径向密封是由多层扇形碳精环和树脂 环在钢扇形块内靠弹簧紧压在主轴上。上面两层采 用的是滑动特性出色、热传导特性好的碳精环，下 层由于与流体直接接触，选用了耐磨性好的树脂材 料，通过一层层不同材质的密封，形成安全性能高 的密封结构。为了有效的冷却和润滑须注入清洁水。供水压力 要大于被密封水压力，从而防止转轮侧的不清洁水进 入，有效地减少碳精环的磨损，延长其使用寿命。在密封圈内开有小排水孔，漏出的水由此排出。该密封的示意图如图 2 所示。1.2.1 平板密封平板密封包括了单层平板密封和双层平板密封， 单层平板密封主要是利用单层橡皮板（项 5）与固定在 主轴上的不锈钢转环（项 3）端面形成密封，靠水压力 进行密封。单层平板密封简图如图 3 所示。1- 主轴4- 压板2- 转环3- 抗磨环5- 橡皮板6- 托板图 3 单层平板密封结构简图双层平板密封由上、下橡皮板和上、下抗磨板组 成，靠引入压力水使橡皮板贴紧抗磨板起到端面密封 作用。虽然双层板密封比单层板密封的效果要好，但由 于结构要复杂，所以安装时要特别调节上、下橡皮板的 间隙，间隙过大漏水量就要增大，间隙太小就会烧坏橡 胶，因此安装要求较高。双层平板密封简图如图 4 所示。1- 主轴4- 转架7- 压力水箱2- 上橡皮板3- 密封箱5- 下橡皮板6- 托板图 2 剖环式径向密封示意图采用合适的碳精环材质、磨损性能、硬度及相关 的弹簧和压力水等参数，可达到良好的密封效果。此 密封通常适用于泥沙含量低、水质好的电站东芝公司设计、制造的日本神流川、日本奥清津 水电站等机组也采用了该密封形式，其中神流川电 站为抽水蓄能水电站，水头为 675 m，扬程为 728 m， 密封性能良好。1.2 轴向密封 轴向密封包含了平板密封、水压式端面密封、静压自调式端面密封等多种结构型式。图 4 双层平板密封结构简图使用平板密封结构，必须要求发电机的相关设计 满足转动部件在电站实际运行的轴向位移量非常小（一般小于 0.5 mm）的条件，否则可能造成机组在不同 负荷时平板端面与固定部件的密封面间隙变化，密封效果不佳，甚至造成两者接触在一起而引起密封橡胶板烧毁的事故。对于轴向位移大的机组，不应使用平板密封。平板密封主要特点是可避免主轴的磨损，结构简 单，密封件更换容易，能自动调整橡皮板被磨损的间隙。单层橡皮平板密封适用于水质较好的水电站，双层第 6 期颜海霞，等：水轮机主轴密封的研究与实践3橡皮平板密封适用于水质较差的多泥沙的水电站。这种密封的缺点是摩擦副补偿能力差，对轴向振动较大 的机组，密封效果不理想。为了达到更好的密封效果，许多电站采取了橡皮 平板密封与其它类型相结合的方式。1.2.2 水压式端面密封 水压式端面密封结构有多种型式，虽然表现形式不同，但工作原理是一致的。本文介绍其中的一 种，具体简图如图 5 所示，其特点是采用橡胶块、碳 精或尼龙等抗磨材料组成环形端面密封（项 3），其位 于水封压盖（项 2）和密封支座（项 4）之间，只能上下 作活塞式移动而不能转动。在机组正常运行时，端面 密封（项 3）与抗磨环（项 6）构成了一个环形槽，通入 清洁压力水后，利用水压作用使端面密封贴紧抗磨 板起密封作用。机组也采用了该密封形式，其中青海苏只电站水轮机转轮直径 D1=8.4 m ，为轴流转桨式机组，主轴密封即采 用了类似结构，密封性能达到了预期的效果。当然，密封效果的好环与安装有着密切的关系， 只有满足设计要求，密封才能保持良好的效果，这在电站实际运行时是有切身体验的，否则密封可能会因为活塞运行不灵活而产生发卡，导致端面密封偏 磨或烧损事故。总之，这种密封结构简单，允许磨损量较大，封水 效果好，运行可靠，使用寿命长。但是对于中高水头、高 转速、大容量的电站，除采用水压式端面密封外，还希 望采用静压自调式端面密封。1.2.3 静压自调式端面密封 静压自调式端面密封结构简图见图 6 所示，它主要由转动部件和固定部件两部分组成，其转动部件主 要是水轮机主轴（项 1）和抗磨环（项 6）。其固定部件主 要有密封块（顶 5）、浮动密封支座（项 2）、弹簧（项 4）及 弹簧塞堵、弹簧支座（项 3）、连接法兰、水箱、密封磨损 量监测装置、供排水管路及附件等组成。1- 主轴4- 密封支座2- 水封压盖 3- 端面密封5- 斜向密封 6- 抗磨环图 5 水压式端面密封结构简图水压式端面密封需要清洁润滑水，清洁水的压力 必须略大于被密封的水压力。否则浑水就会进入摩擦 面，使密封面损坏，失去密封功能。此密封通常与其它类型的密封进行组合，如“水压 式端面密封 + 平板密封”即水压式端面密封与平板密 封的组合，我公司设计制造的甘肃大峡、湖南碗米坡水 电站等机组也采用了该密封形式。我公司还设计过其它的组合形式如“水压式端面 密封 + 斜向密封”，见简图 5 所示。斜向密封（件 5）用一圈压板通过螺栓安装在水 轮机轴法兰保护罩上，工作面与密封支座（件 4）上的抗磨环相接触，在机组甩负荷时，斜向密封可阻止 抬机过程中大量漏水。同时，该密封可以有效地阻止 泥沙进入下一道水压式端面密封，从而延长端面密封的使用寿命。我公司设计、制造的福建雍口、青海苏只水电站等1- 主轴2- 浮动密封支座 3- 弹簧支座4- 弹簧5- 密封块6- 抗磨环图 6 静压自调式端面密封结构简图水箱分成浑水腔（从顶盖与转轮间隙泄漏来的水 汇集于此）和清洁水汇集的清水腔，在弹簧支座（项 3） 和浮动密封支座（项 2）连接处装有密封条，用以隔断 浑水腔和清水腔。当水轮机运转时，从蜗壳来的水流通 过转轮止漏环间隙进入转轮上冠与顶盖形成的空腔 内，然后通过水轮机主轴与顶盖之间的间隙流入浑水 腔，在浑水腔内形成一定的水压。带压力的清洁水流入主轴密封，通过浮动密封支 座（项 2）的进水孔进入密封块和抗磨环之间，转动后 形成水膜，水膜的厚度一般控制在 0.040.10 mm，从而 使密封块与抗磨环实际不发生物理接触，同时清洁水水 电 站机电技术4第 34 卷的压力比浑水的水压要大，清洁水的流动确保浑水（含沙量高）不会流进密封块与抗磨环的摩擦面，对密封块 起到润滑冷却的作用。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浑水腔，另一部 分水流能过浮动密封支座（项 2）与水轮机主轴（项 1） 之间的间隙汇集到水箱，然后通过自流排水管道排入 厂房渗漏集水井。当密封块磨损时，在弹簧的弹力和浮动密封支座 的重力作用下，密封块会自动补偿，同时磨损量检测器 也和浮动密封支座一起下移，这样就能很方便检测到 密封块的实际磨损量。主要的工作密封块的材料可选择碳精、聚氨酯，高 分 子 聚合物赛思德 尔 （CESTIDUR） 及 赛 龙（THORDON）材料，此密封最大特点在于其具有根据 密封水压力自动调整封水间隙的功能，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， 因此封水性能稳定可靠，寿命长等优点，只是结构较其 它密封复杂。该结构在我公司生产的高水头水电站四川硗碛 项目上已投产运行多年，运行工况较稳定，密封性能 良好。云南功果桥水电站是我公司设计、制造的大型 混流式机组，也采用了以上的密封形式，该电站装机容量为 4225 MW，转轮直径 D1=6.69 m，预计 2011年投产发电。我们在研究应用该型式密封时，进行了反复的理 论分析、计算，形成了符合密封材料外协厂家计算结果 的计算程序，确立了计算判断标准，可以方便地进行类 似电站的密封结构设计、密封块尺寸确认。1.3 组合式密封 为了更好地保证主轴密封性能，实际设计时，常同时使用多种形式密封，即组合式密封，如前面的图 5 中 使用了“水压式端面密封 + 斜向密封”结构、图 7 中使 用了“泵板密封 + 非接触式间隙密封”结构、图 8 中使 用的“梳齿 + 平板式主轴密封”等，实际上也都是组合 式密封。1.3.1 泵板密封 + 非接触式间隙密封 在高水头、高转速的混流式水轮机主轴密封设计时，可使用“泵板密封 + 非接触式间隙密封”的密封结 构。这种密封由于转轮上泵板作用，经过非接触式间隙密封的水量很少，甚至没有，因此非接触密封处几乎不存在磨损，因此，此密封是非常有效的。1- 主轴4- 检修密封7- 泵板密封2- 抗磨环3- 工作密封5- 围带支撑6- 顶盖8- 转轮图 7 泵板密封 + 非接触式间隙密封结构简图图 7 所示为该密封结构简图，其中泵板密封是指 转轮（项 8）上装有径向筋板，即泵板（项 7）；而非接触 式间隙密封是由转动部分与静止部分组成，转动部分 由固定在主轴上的抗磨环（项 2） 及挡水环等部件组 成，静止部分主要包括工作密封（项 3）、围带支撑（项5）、检修密封（项 4）及顶盖（项 6）等部件组成。泵板密封 + 非接触式间隙密封的工作原理：水轮 机正常运行时，安装在转轮上的泵板装置（项 7）随转 轮一起旋转，由于转速高，水受泵板旋转、搅拌产生的 离心作用向外甩水，使转轮上冠止漏环后的压力水经 顶盖上布置的泄压管排出，导致主轴密封前水压减小、 水量减小，有效地防止泥沙或固体物质沉积在水机顶 盖（项 5）下，使主轴密封不接触水中的沙和其它固体 物质，从而有效防止泥沙进入主轴密封，并减小密封漏 水量。在水轮机停机时，通过安装在密封箱下的静止密 封（即检修密封）来封水，转轮的少量漏水可通过主轴 密封排水管排出。该密封不需水冷却或润滑，无需定时维修，且无磨 损部分，不需要定期替换，维护十分方便，适用于高水 头、高转速机组。由于取消了主轴密封的供水系统，简 化了结构及机组的控制系统，减少了电站的辅助设备， 因此运用该技术可有效地节约成本，减小电站投入。云南大盈江水电站是我公司设计、制造的混流式 机组，采用了以上的密封形式，该电站装机容量为 4175 MW，最大水头 331 m，额定转速 300 r/min，于 2009年 48 月投产发电，该密封形式在机组运行时主轴密 封处无漏水现象，密封效果非常好，值得推广。1.3.2 梳齿 + 平板式主轴密封结构 下面将介绍另外一种我公司在灯泡贯流式机组中使用的组合式密封：梳齿 + 平板式主轴密封结构。第 6 期颜海霞，等：水轮机主轴密封的研究与实践5此结构见图 8 所示，采用先设置一道梳齿密封，再设一道平板密封的型式。梳齿密封（项 5）采用不锈钢材料，转动部件与固 定部件应留有足够间隙，防止因制造和安装偏差引起 间隙过小而造成擦碰。为了增大流通的阻力系数即增 大局部阻力，转动部件与固定部件均采用梳齿式迷宫 环，当泄漏水经过该密封时，增加了水流的阻力损耗， 降低了水压力，减小了过水量（包括泥沙量），起到初步 密封作用。平板密封（项 3）材料为耐磨橡胶，密封面上加工 几道沟槽，让河道水直接进入密封面，形成水膜，避免 密封板与密封环发生干磨现象，从而增加密封装置的 使用寿命。在不拆除水导轴承的条件下，可以方便地在 灯泡体内直接调整或更换密封橡胶板。经过平板密封后的最终漏水靠自重从灯泡体内 漏水箱排至集水井内。由于设计上的多种考虑，保证了 灯泡体内无漏水现象。是在水轮机停机或检修时候工作的一种密封。这种密封按其结构型式一般可以分为空气围带式、机械式和 抬机式检修密封。实际上，国内外大多数水轮机都采用 空气围带式检修密封。图 9 是两种常见的中空结构、实 心结构类型的空气围带式检修密封。中空结构型式的检修密封是橡胶密封自身做成 空心结构，类似橡胶轮胎，而实心结构型式的检修密封 则是橡胶密封与固定部件之间形成一空腔。这两种方 式形成的空腔，即为空气围带空腔，作用是充入压缩空 气时使围带产生变形。（a）中空结构型式（b）实心结构型式图 9 空气围带式检修密封常用型式简图在机组停机时，向空气围带空腔中充入 0.50.7MPa 的压缩空气，使空气围带橡胶膨胀，抱紧旋转部件（如：主轴或抗磨环），防止流道水泄漏，此时检修密封 处于工作状态。我公司大多数机组检修密封都采用实心结构的 检修密封，其结构简单、制作容易、维护方便，密封效果 良好。当然，除图示（b）形状的实心结构检修密封外，还 有多种其它形状的同类实心结构的检修密封，其密封 原理都是一样的。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，以达到设计要求的密封效果。4 结语主轴密封设计应根据电站水头、转速、机型、泥沙 含量等情况，选择适合的密封结构，采用性能优良的材 料。设计中应力求结构简单、使用可靠、安装维护方便。 主轴密封设计还应考虑到机组轴向位移的影响，对于 卧式机组，还应考虑机组运行时主轴挠度的影响。主轴密封的失效将威胁机组的安全运行，并可能 导致水淹厂房的事故。我公司在不断总结、改进的基础 上，关注主轴密封设计、制造及安装的全过程，使主轴 密封技术日臻完善，有效地保证电站的安全运行。1- 主轴2- 水封盖3- 平板密封4- 支撑法兰 5- 疏齿密封 6- 主轴保护罩图 8 梳齿 + 平板密封式主轴密封结构简图该密封装置结构简单，安装方便，一般不需要设置 清洁水源及密封供水管路系统，大大减少了电站的经 济投入，特别是给电站今后的运行维护带来了极大的 方便。当然，设计时应考虑机组运行时主轴挠度对密封 的影响。我公司设计、制造的湖南东坪电站、湖南清水塘水 电站、湖北崔家营电站等灯泡贯流机组均采用了上述 密封结构，密封性能良好，均得到业主肯定，据了解，目 前这三个电站装机运行后，主轴密封均还没有进行更 换。其中，清水塘电站装机容量为 432 MW，其转轮直 径为 7.5 m，是我国目前转轮直径最大的灯泡贯流式机 组之一，电站于 2008 年 10 月后相继投产发电，目前机 组运行状况均良好，主轴密封效果也非常好。2 水轮机检修密封水轮机检修密封是主轴密封的一道辅助密封，它 (Vol. 34. No.6) Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station 77 ABSTRACTSResearch and practice of hydro turbine main shaft sealYAN Hai-xia, QIU Xue-jun, XIONG Jian-ping( Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310016, China )Abstract: In combination with the study and practice of main shaft seal by Toshiba Hydro Power (Hangzhou) Co., Ltd., the paper systematically presents the basic principle, typical structure and structural characteristic of main shaft seal, it can be referenced by the hydro turbine main shaft seal designers.Key words: hydro turbine; main shaft seal; structure; principle; research; practiceStructural characteristic of 140 MW Pelton turbine generator unitLI Bang-ming, QIAN Sheng-kun, YAN Ke-li(Dongfang Electric Machinery Co., Ltd, Deyang 618000, China)Abstract: The 140 MW Pelton turbine which installed in Jinwo Hydraulic Power Station is the largest output domestic-made Pelton turbine, it is also the largest one in Asia. This article introduces the main structural characteristics of the Pelton turbine through three aspects such as turbine, generator and spherical valve.Key words: turbine generator unit; Pelton turbine; nozzle; generator; spherical valveApplication of PLC in water power station control systemOU Yang-pan(Hunan Unisplendour Measuring & Control Co., Ltd, Changsha 410205, China)Abstract: Expounds advantages and design procedure about application of PLC in water power station, at the same time describes control flow of generator units and shared devices.Key words: PLC; water power station; applicationEstablishment of clock unification calibration system in Baishan Power PlantJIANG Xiang-dong1, LI Wei2, TAO Lin2, DU Xiao-wei1, LIU Xiao-bo2(1. Baishan Power Plant, Huadian 132400, China 2. Beijing IWHR Technology Co., Ltd, Beijing 100038, China)Abstract: As the fundamental support system for intellectualized hydraulic power plant, the time synchronism system offers basic service in construction of intellectualized hydraulic power plant. The paper introduces structure and chief characteristics of clock calibration system in Baishan Power Plant, which using PTP time transfer as the standby signal for the first time, that improving stability and accuracy of clock system and realizing the remote time transfer.Key words: time synchronism; PTP; hydraulic power plant; clock calibrationDielectric loss test of stator winding bar of No.1 generator unit in Jinping-II Hydraulic Power StationYANG Xiao-ling, LI You-chun(Ertan