賈 允, 高 欣

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

1 主軸密封工作條件及設(shè)計(jì)要求

主軸密封運(yùn)行條件參見(jiàn)表1。

其他工況條件：

機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行工況變換方式：水輪機(jī)工況、水泵工況、過(guò)渡工況

單機(jī)平均每天開(kāi)停機(jī)次數(shù)：8次。

密封冷卻水給水壓力：0.7～1.0 MPa

汛期多年平均過(guò)機(jī)泥沙含量：0.023 kg/m3

多年平均過(guò)機(jī)泥沙含量：0.006 kg/m3

極端最高水溫：25 ℃

水質(zhì)PH值：6.3～7.1

旋轉(zhuǎn)方向：正反轉(zhuǎn)雙向交替運(yùn)行

主軸密封設(shè)計(jì)要求：

主軸密封由工作密封和檢修密封兩部分構(gòu)成。工作密封不僅要求具有良好的封水性，同時(shí)應(yīng)有良好的封氣性。主軸的軸向位移及徑向擺動(dòng)應(yīng)對(duì)其密封性能影響很小。工作密封中密封副的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)選用不銹鋼材料，固定環(huán)選用高耐磨、低硬度、耐腐蝕材料，并應(yīng)具有足夠的剛強(qiáng)度和水中尺寸穩(wěn)定性。密封結(jié)構(gòu)應(yīng)具有運(yùn)行中的自動(dòng)補(bǔ)償功能。檢修密封采用常規(guī)空氣圍帶式。

表1 主軸密封運(yùn)行條件

2 密封結(jié)構(gòu)形式選擇

水泵水輪機(jī)主軸密封的運(yùn)行條件復(fù)雜：機(jī)組吸出高度較常規(guī)水輪機(jī)大，有時(shí)可達(dá)－70m，抽水蓄能電站運(yùn)行時(shí)，上、下庫(kù)水位變化大且頻繁，這使得主軸密封前的壓力較高且變化較大；機(jī)組運(yùn)行工況多，啟動(dòng)頻繁，發(fā)電和抽水時(shí)密封腔內(nèi)的介質(zhì)是水，水泵壓水啟動(dòng)和調(diào)相運(yùn)行時(shí)，密封腔內(nèi)的介質(zhì)是氣，工況轉(zhuǎn)換時(shí)主軸密封前的壓力變化大；機(jī)組雙向旋轉(zhuǎn)且一般轉(zhuǎn)速較高，主軸密封處的運(yùn)行切向線速度較高（30～50m/s）；高水頭水泵水輪機(jī)的廠房在地面以下較深處，所以要求機(jī)組在停機(jī)及運(yùn)行狀態(tài)主軸密封均應(yīng)投入，主軸密封的故障可能導(dǎo)致水淹廠房的嚴(yán)重后果。

水泵水輪機(jī)主軸密封的設(shè)計(jì)制造應(yīng)滿足上述苛刻的運(yùn)行條件，一般要求為：主軸密封不僅應(yīng)有良好的封水性，并應(yīng)兼有良好的封氣性，能保證密封面在各種復(fù)雜工況變化時(shí)的良好配合；應(yīng)有較大的結(jié)構(gòu)剛度，以適應(yīng)各種工況變化時(shí)的沖擊壓力；密封副結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的自補(bǔ)償性；密封副材料應(yīng)有良好的耐磨性，最好兼有自潤(rùn)滑性；密封抗磨環(huán)應(yīng)具有較高的表面硬度并方便更換；如采用徑向密封，在主軸上需裝設(shè)可更換的不銹鋼襯套以避免主軸磨損；密封副的接觸面要求供給潤(rùn)滑、冷卻水，供水壓力應(yīng)滿足高封水壓力的要求；檢修密封的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)比較空氣圍帶式與水壓實(shí)心密封圈式，根據(jù)密封壓力要求選擇。

針對(duì)運(yùn)行的特殊需要，最終設(shè)計(jì)選擇多層扇形塊式自補(bǔ)償徑向密封作為回龍電站機(jī)組的主密封型式，其基本結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。

圖1 回龍電站水輪機(jī)主軸密封基本結(jié)構(gòu)

工作密封基本組成為：在水輪機(jī)主軸上設(shè)有馬氏體不銹鋼材料抗磨軸襯。主軸工作密封的密封塊布置為軸向3層，每層周向由6塊高分子材料扇形塊組成封閉圓環(huán)，環(huán)抱軸徑。密封塊外側(cè)設(shè)有分段壓板和周向拉伸彈簧，密封塊上下端面設(shè)有限制其相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的定位銷(xiāo)。兩層密封塊間通有潤(rùn)滑冷卻水。

密封工作原理及特點(diǎn)：

利用3層共18塊扇形密封塊環(huán)抱旋轉(zhuǎn)軸徑，阻斷水流的軸向泄漏。利用外供清潔壓力水進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，同時(shí)為密封塊提供徑向密封力和補(bǔ)償力，另設(shè)拉伸彈簧提供輔助徑向補(bǔ)償力。

該徑向式密封的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，布置緊湊，便于運(yùn)行、維護(hù)及更換密封件，軸向自由度大，密封性能受徑向擺度的影響很小。密封塊磨損后有足夠的徑向補(bǔ)償量。不足之處是需增設(shè)主軸抗磨襯套且對(duì)軸襯的磨損不易修復(fù)和更換。密封件的制造成本高。

該密封形式曾在加拿大GE公司設(shè)計(jì)的清江隔河巖機(jī)組上應(yīng)用，效果很好。密封為外方設(shè)計(jì)供貨，設(shè)計(jì)技術(shù)沒(méi)有轉(zhuǎn)讓。由于對(duì)密封力、摩擦熱量、泄漏量、密封材料等技術(shù)關(guān)鍵缺乏認(rèn)知，使得這一密封形式一直未在哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司自行設(shè)計(jì)的機(jī)組中推廣應(yīng)用?；佚堧娬緳C(jī)組設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)人員的立項(xiàng)研究，明確了密封各性能參數(shù)間的相互作用關(guān)系，得到了正確的定性分析和初步定量分析，為該密封形式的進(jìn)一步應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

3 密封設(shè)計(jì)概述

3.1 密封壓力設(shè)計(jì)

密封壓力是指扇形塊應(yīng)獲得的用于克服其與軸徑間的漏水壓力而實(shí)現(xiàn)密封作用的徑向力?；佚堧娬久芊饨Y(jié)構(gòu)的密封壓力由彈簧力和密封水（電站提供的引至扇形塊背側(cè)的清潔壓力水）壓力的合力提供。設(shè)計(jì)使密封水壓力對(duì)封水起主導(dǎo)作用，彈簧力只占密封壓力的很小部分。

式中： P2—— 引入密封裝置的密封水壓力，MPa；

P1—— 密封裝置前被密封水的壓力，MPa；

K —— 系數(shù)，推薦K取1.15～1.2。

彈簧設(shè)置的目的主要用于提供安裝、停機(jī)時(shí)的初始“抱緊力”，使扇形塊能夠正確就位，即徑向抱緊軸徑，軸向使密封塊單側(cè)泄壓間隙為零（即使得扇形塊背壓面與金屬支架靠緊），從而使密封水能夠有效建立起密封壓力。彈簧力在機(jī)組運(yùn)行中的作用是在主軸振動(dòng)中隨時(shí)保證扇形塊環(huán)抱軸徑，從而保證密封水能夠始終建立起穩(wěn)定的密封壓力。彈簧徑向力設(shè)計(jì)不考慮克服密封副間軸向漏水壓力作用于扇形塊上形成的徑向力。其選取原則應(yīng)是當(dāng)扇形塊達(dá)到最大補(bǔ)償量時(shí)，彈簧徑向力的最小值對(duì)扇形塊形成的軸向分力能夠克服扇形塊重力（忽略浮力作用）并略有裕量。

式中： T——扇形塊達(dá)到最大補(bǔ)償量時(shí)作用于單塊扇形塊上的彈簧徑向力，N；

θ——彈簧力與主軸軸線間的銳角角度值，（°）；

K——系數(shù)，推薦K取1.5～ 1.2；

Ms——單塊扇形塊質(zhì)量，kg；

G——重力加速度，m/s2。

則當(dāng)由6塊扇形塊配以6只彈簧組成整圓時(shí)有：

式中：Fs——每只彈簧周向最小設(shè)計(jì)拉力，N。

3.2 密封補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為保證扇形塊磨損后的自動(dòng)補(bǔ)償，扇形塊之間的搭接需留有允許其徑向補(bǔ)償?shù)摹把a(bǔ)償間隙”，間隙值根據(jù)補(bǔ)償量換算確定。

式中：B——補(bǔ)償間隙值，m；

a——單邊徑向補(bǔ)償量，m；

Z——扇形塊數(shù)量。

扇形塊的搭接可以有圖2中所示A、B、C三種形式，由于密封水和漏水的壓力都是沿軸向向上遞減的，即總漏水方向向上，A形式漏水量將大于B形式。在B形式基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，采用如圖中C方式搭接，則又使漏水量進(jìn)一步減小。

回龍電站密封采取的搭接方式參見(jiàn)圖3。

回龍電站密封扇形塊結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖4。

圖2 密封塊搭接方式

圖3 回龍電站密封扇形塊布置

圖4 回龍電站密封扇形塊結(jié)構(gòu)

3.3 密封泄漏分析

考慮徑向、軸向、動(dòng)態(tài)間隙等因素。

總泄漏量Q的估算為：

式中:Q1——沿扇形瓦徑向間隙的泄漏量，m3/s；

Q2——沿密封副相對(duì)滑動(dòng)面平均間隙的軸向泄漏量，m3/s；

Q3——沿密封副相對(duì)滑動(dòng)面動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定間隙的軸向泄漏量，m3/s；

式中：ΔP——扇形瓦軸向壓差，Pa；

g——重力加速度g= 9.81；

Ag——扇形瓦搭接處軸向間隙的過(guò)流面積，m2；

γ——單位體積水重力，γ＝9810N；

L——水流垂直流過(guò)截面積為Ag的間隙泄漏所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)度，m；

D——軸徑與扇形瓦之間旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)面處直徑，m；

ΔP——扇形瓦軸向壓差，Pa；

μ——水的動(dòng)力粘度，30℃時(shí)μ＝7.89·10-4(Ns/m2)；

h——扇形瓦軸向高度，m；

ho——軸徑與扇形瓦之間徑向間隙值，m；當(dāng)密封副旋轉(zhuǎn)表面與靜止表面粗糙度均值為3.2時(shí)，推薦ho＝0.00003m；

W——軸徑與扇形瓦之間動(dòng)態(tài)最大徑向間隙值，m。

3.4 密封冷卻分析

因摩擦副冷卻需要，密封間隙內(nèi)應(yīng)始終保證一個(gè)最低泄漏量，以帶走摩擦損耗產(chǎn)生的熱量。該流量可按下式估算：

式中：Qw——摩擦副冷卻所需過(guò)水流量（m3/s）；

Pf——摩擦功，W；

Cw——水的比熱，Cw＝4180 Nm/kg℃；

ρ——水的密度，ρ＝1000 Kg/m3；

t2——流經(jīng)密封裝置后的水溫，℃；

t1——進(jìn)入密封裝置前的水溫，℃。

摩擦功按下式計(jì)算：

式中：Z——扇形塊軸向?qū)訑?shù)；

p——扇形塊與軸徑間的比壓，N/m2；

h——扇形塊軸向高度，m；

D——轉(zhuǎn)軸外徑，m；

π——圓周率；

υ——相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面線速度，m/s；

μ——水潤(rùn)滑工況下相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面摩擦系數(shù)，主要決定于扇形塊材質(zhì)。

對(duì)于回龍電站密封扇形塊μ＝0.01。

計(jì)算所得摩擦副冷卻所需過(guò)水流量Qw小于總泄漏量Q即為合格。

4 密封材料選擇

軸徑處不銹鋼襯套的材料選用，應(yīng)以材質(zhì)硬度高且易于獲得高精度加工表面為原則，同時(shí)允許局部補(bǔ)焊修復(fù)。推薦表面硬度260～300 HB，推薦材質(zhì)S135馬氏體不銹鋼。

扇形塊材料選用應(yīng)以高耐磨、低硬度、低摩擦系數(shù)、加工性好、水中尺寸穩(wěn)定、具有足夠剛度等為原則。

回龍密封扇形塊選用材料參數(shù)參見(jiàn)表3。

表3 回龍電站密封扇形塊選用材料參數(shù)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)回龍電站水泵水輪機(jī)主軸密封的設(shè)計(jì)研究，初步掌握了徑向扇形塊密封結(jié)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵，找出了影響密封性能的各設(shè)計(jì)參數(shù)間的相互作用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了密封性能的初步定量分析，為今后進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

回龍電站水泵水輪機(jī)主軸密封實(shí)際運(yùn)行效果良好。隨后設(shè)計(jì)并應(yīng)用于尼爾基、樂(lè)灘、白山等電站機(jī)組的此型式主軸密封均運(yùn)行良好。

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