張璽琛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

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溧陽(yáng)水泵水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張璽琛

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

摘要：溧陽(yáng)抽水蓄能電站擔(dān)負(fù)著為江蘇電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、填谷和備用容量的任務(wù)，同時(shí)可承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)，其特殊性使得機(jī)組擁有水輪機(jī)和水泵兩種工況。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與主軸法蘭處的主軸密封既要在水輪機(jī)和水泵工況下起到密封即潤(rùn)滑的作用，也需要在機(jī)組調(diào)相造壓過(guò)程中扮演密封高壓空氣的角色，同時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速較高，因此主軸密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

關(guān)鍵詞：輪機(jī)；水泵；主軸密封；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1工程概況

溧陽(yáng)抽水蓄能電站地處江蘇省西南部的溧陽(yáng)市境內(nèi)，下水庫(kù)區(qū)經(jīng)天目湖鎮(zhèn)平橋至溧陽(yáng)市公路里程為32 km。為地下廠房，廠房?jī)?nèi)安裝了6臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW。

機(jī)組的轉(zhuǎn)速較高，其額定轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min，轉(zhuǎn)輪中心線高程-57 m，下水庫(kù)正常蓄水位為19 m。即下游水位至機(jī)組中心線的尾水壓力最大約為0.8 MPa。

2主軸密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸密封是水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重要部件，主軸密封布置在水導(dǎo)軸承的下部，它的作用是減少轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋之間的水向外泄漏，并在機(jī)組調(diào)相和造壓起動(dòng)過(guò)程中起到封氣的作用。

水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的壓力渾水經(jīng)過(guò)水輪機(jī)主軸與頂蓋之間的間隙進(jìn)入上冠與頂蓋形成的渾水腔內(nèi)，在渾水腔內(nèi)形成一定的壓力。廠房清潔水通過(guò)濾水器和節(jié)流孔板以后經(jīng)過(guò)浮動(dòng)密封環(huán)內(nèi)孔進(jìn)入工作密封塊與耐磨環(huán)所形成的空腔內(nèi)，分兩部分流出。一部分經(jīng)過(guò)工作密封塊與耐磨環(huán)之間的間隙流到渾水腔，另一部分則流向清潔水腔。為了能夠阻止渾水腔內(nèi)的臟水通過(guò)密封流入主軸上端，清潔水的壓力必須高于尾水壓力。此電站的技術(shù)供水壓力為1.6 MPa，滿足主軸密封的供水壓力要求。

溧陽(yáng)抽水蓄能水泵水輪機(jī)的主軸密封采用軸向端面水壓式主軸密封，此種密封為哈電的成熟結(jié)構(gòu)，在五強(qiáng)溪、三峽左岸、三峽右岸、三峽地下，龍頭石、構(gòu)皮灘、寶泉、白蓮河、蒲石河等大中型混流式水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)上獲得了成功應(yīng)用。

軸向端面水壓式主軸密封由轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件組成。轉(zhuǎn)動(dòng)部件包括工作密封塊、抗磨轉(zhuǎn)環(huán)，其中工作密封塊通過(guò)螺栓固定在浮動(dòng)環(huán)上，抗磨轉(zhuǎn)環(huán)通過(guò)螺栓固定在主軸或轉(zhuǎn)輪端面上；固定部件包括浮動(dòng)環(huán)、密封支架、密封座、壓緊彈簧、水箱、供水軟管、供水環(huán)管及排水管等管路附件。結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

工作密封塊上開有環(huán)形密封水腔，用螺栓固定于浮動(dòng)環(huán)下方。浮動(dòng)環(huán)上部與導(dǎo)向環(huán)之間裝有數(shù)個(gè)彈簧，利用導(dǎo)向環(huán)上的壓緊螺母將彈簧壓在工作密封塊上，使工作密封環(huán)與抗磨轉(zhuǎn)環(huán)緊密接觸[1]。

密封水箱分與轉(zhuǎn)輪室相通的渾水腔和清潔水腔，在密封支架和浮動(dòng)環(huán)相接觸位置設(shè)有U型密封條，用以隔斷渾水腔和清潔水腔。在浮動(dòng)環(huán)內(nèi)鉆有數(shù)個(gè)通孔，用以將清潔水引入工作密封塊與抗磨轉(zhuǎn)環(huán)之間形成潤(rùn)滑水膜，不僅達(dá)到密封渾水的目的，同時(shí)還對(duì)密封塊起到一定的潤(rùn)滑作用。

由于機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，浮動(dòng)環(huán)與密封支架時(shí)刻保持軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了減小在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸密封面的損傷，在密封支架上與浮動(dòng)環(huán)接觸的位置采用堆焊不銹鋼的方法，既可降低接觸面的硬度，減小密封面的剛性磨損，又可避免長(zhǎng)期泡在水中產(chǎn)生銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可保證相對(duì)移動(dòng)的密封表面的光潔度要求[2]。

1.壓緊彈簧 2.水箱蓋3.水箱 4.密封支架

軸向端面水壓式主軸密封的工作原理：主軸密封塊固定在浮動(dòng)環(huán)上，均布在密封支架上的不銹鋼壓緊彈簧作用于浮動(dòng)環(huán)上使密封塊緊壓在轉(zhuǎn)環(huán)上。這樣就保證在潤(rùn)滑水中斷的情況下以及在機(jī)組停機(jī)后，仍具有良好的密封功能。來(lái)自壓力鋼管的密封潤(rùn)滑水經(jīng)減壓過(guò)濾后，引入主軸密封塊與轉(zhuǎn)環(huán)之間的空腔內(nèi)，隨著主軸的高速旋轉(zhuǎn)，有壓密封水在主軸密封塊與轉(zhuǎn)環(huán)之間形成水膜，使主軸密封塊在帶壓水膜的作用下與轉(zhuǎn)環(huán)分離，水膜具有良好的密封作用。由于壓緊彈簧的作用，主軸密封的密封塊具有自補(bǔ)償功能。

主軸密封的密封塊采用進(jìn)口高分子耐腐蝕材料，密封采用水潤(rùn)滑和冷卻，所有儀表按招標(biāo)文件“水輪機(jī)儀表、控制設(shè)備、儀表盤和端子箱”的要求配置，工作密封用的壓板、螺栓、螺母等均采用不銹鋼材料，采用固定螺栓和定位銷等措施防止密封環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

3主軸密封塊的設(shè)計(jì)改進(jìn)

在主軸密封塊底部圓周上，布置若干數(shù)量的Ketron圓柱銷，如主軸密封塊在運(yùn)行過(guò)程中過(guò)熱，其熱量將傳遞給Ketron圓柱銷，因Ketron銷和Cestidur材料的熱膨脹系數(shù)的不同，Ketron銷將先行脹出，與轉(zhuǎn)環(huán)接觸，主軸密封塊與轉(zhuǎn)環(huán)脫開，在密封水的作用下，主密封材料得到迅速冷卻，冷卻后的主軸密封塊將會(huì)使Ketron圓柱銷的溫度降低，使Ketron圓柱銷縮回主軸密封塊內(nèi)，主密封材料又重新投入正常運(yùn)作，起到保護(hù)主軸密封塊的作用。

4結(jié)論

溧陽(yáng)抽水蓄能電站由于機(jī)組轉(zhuǎn)速較高，同時(shí)又具有水輪機(jī)工況、水泵工況、過(guò)渡工況，這對(duì)主軸密封塊的磨損會(huì)比較嚴(yán)重。根據(jù)以往電站端面水壓密封塊在以往電站運(yùn)行中均表現(xiàn)出良好的密封性和耐磨性。而溧陽(yáng)主軸密封的結(jié)構(gòu)形式是在端面水壓密封的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了保護(hù)密封塊Ketron圓柱銷，提高了密封塊的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976：59-65.

[2]劉天寶，程兆雪.流體力學(xué)與葉柵理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990：26-34.

[3]程云山.水泵水輪機(jī)主軸密封及燒損故障處理[J].水利水電科技進(jìn)展，2007，27(06)：19-22.

中圖分類號(hào)：TK730

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[作者簡(jiǎn)介]張璽琛(1982-)，男，山西絳縣人，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

[收稿日期]2015-10-28

文章編號(hào)：1007-7596(2016)01-0037-02