水电厂水轮机主轴密封的优缺点分析

梁仲坚

（广州市水电建设工程有限公司 广东广州 510000）

1 引言

近年来我国经济持续稳定发展，在发展的同时，对供电的需求也不断提高，而现如今电力生产的主要渠道是通过水电厂，水电厂如今和人们的生活密切相连。在水电厂中，水轮机是其重要的组成部分，而对水轮机来说，主轴密封是不可缺少的重要部件。但是主轴密封容易出现故障，其安全性没有得到非常好的保障，所以这个问题也是目前国内水电行业亟待解决的问题。目前水轮机通常会在高压、高速的环境下进行工作，这对水轮机的工作又造成了非常大的压力，其中的密封件容易受到水中的泥沙磨损，漏水的现象时有发生，这使得工作效率急剧下降，可靠性也随之降低，所以需要定时的更换密封件。针对出现的这种状况，水轮机的主轴密封才开始出现，它的出现代替了传统的水轮机密封元件，能够使水轮机正常运作，且提高了工作效率和质量。

2 水轮机主轴密封的意义和分类

水轮机是一种能量转化机器，是通过一定的方式将水能转化为转轮旋转的机械能，产生机械能之后，再通过转轮的旋转驱动发动机产生电能。水轮机的动力来源于水，由于我国的地势特点以及河流特点，河流中的泥沙较多，尤其是在雨季，较多的泥沙会给传统的密封方式带来破坏。很多密封方式在使用一段时间之后会产生严重的磨损，从而影响正常的使用，开始出现漏水的现象。

水轮机的主轴密封能够对水轮机起到保护作用，这种装置的使用能够保证水轮机正常运行，它能够有效的阻挡水流从主轴与顶盖之间间隙上溢，能够防止水轮机导轴承及顶盖被淹，能够维持轴承和机组的正常运行。

在目前水轮机主轴密封主要有两种分类：①按工作性质划分的，分为检修密封和工作密封。工作密封中有又有许多分类，按照密封的结构型式可以分为：平板密封、盘根密封、端面密封等；②按水轮机主轴密封结构划分的，分为接触式密封和非接触式密封。非接触式密封方式包括反螺旋密封、离心式密封。

3 多种水轮机密封方式的结构特点及优缺点分析

3.1 盘根密封的结构特点及优缺点

盘根密封是最传统的水轮机主轴密封方式，其结构如图1所示。

图1 水轮机主轴盘根密封结构示意图

如图1所示，盘根在主轴和前盖板之间缠绕，缠绕后再由压盖和螺钉对其进行加固操作。

优点：这种密封结构非常简单，制作方便，不需要投入较多的成本。

缺点：这种密封结构的适用范围较小，其只能用于周围泥沙含量较少的电站，因为如果泥沙含量较多，使用盘根密封的水轮机主轴会容易受到泥沙的影响，过多的泥沙会对主轴产生很大程度的磨损。

3.2 反螺旋密封的结构特点及优缺点[1]

由于接触式密封方式的适用范围小，若泥沙含量较大容易受到磨损，所以应优先选择非接触式密封方式。

反螺旋密封方式的设计原理是：利用螺旋的思想对密封方式进行改进，借助刻有螺旋槽的一面，如果轴发生转动，螺旋能够通过间隙内的流体产生一定的压强，这个压强能够防止流体发生泄漏。

基本的计算是：

（1）首先计算压强，压强的计算方法是：再密封液中，取浸入密封液的螺旋长度为L，压强计算公式是：

在这个公式中，h代表半径间隙，d代表螺旋的直径，取这些量的单位为m，密封液的粘稠度用η来表示，ω用来表示角速度，CP是增压系数。

（2）其次要计算功率，该功率为在密封液中，螺旋浸入密封液的长度为L时，其螺旋密封所消耗的功率[2]。

通过对密封效果和压强的分析，可以知道，当密封间隙越小，其密封的效果就越好。

优点：可以适用于泥沙含量较大的电站，水轮机主轴不会受到明显的磨损，且密封效果可控。

缺点：为了提高密封的效果，会加大单边密封的间隙，在使用较长的一段时间之后，密封的间隙会不断增大，因而会产生更加严重的泄漏情况。如果出现这种状况，就必须要更换密封环，由于密封环所处的特殊位置，要想更换密封环就必须要停机，停机修理的时间较长，就会对发电的效率产生影响。

3.3 离心式密封的结构特点及优缺点

在所有的密封结构中，离心式密封式使用较多的一种密封方式，并且这种密封方式不会受到高温的影响，一般将这种方式应用于压差较低（接近于零）的地方。其工作原理是：使流体产生离心力，产生离心力的方式是利用转子旋转。当流体产生离心力后，甩水可以利用离心力的作用控制水的甩出方向，从而能够避免水进入泄漏缝隙，以免造成其他的影响，这样也能够达到密封的作用。

优点：这种密封方式和螺旋密封方式相比，可以允许具有较大的密封间隙，较大的密封间隙，可以将含有较多杂质的水流控制住，不会产生任何泄漏同时不会产生磨损。这种密封方式的结构也比较简单，如果出现故障后也容易检修，不需要较大的资金投入，同时还具有较高的可靠性，使用的时间也很长。

基本能计算是[3]：

（1）首先计算压力差：

其中，ω是密封液的平均角速度，da、di是液体的自由表面直径，ρ为液体的密度，gc是一种换算因子。

（2）其次需要计算的是所消耗的功率：

与其他密封方式相比，离心式密封的，密封效果最好。在90世纪，我国引进了第一台进口美国型号为HL110-WJ-50水轮机主轴密封形式改为离心式密封结构。之后，又对其他的一些老产品进行改造，改造的主要内容是，将传统的主轴盘根密封结构改为离心密封结构。对于新开发的一些水轮机的产品，全部都使用离心密封结构，不再使用传统的主轴盘根密封结构。这种结构安装非常方便，并且后期的维修和调整也易于操作。

4 结束语

综上所述，在水电厂的实际工作中，水轮机的主轴密封处于非常重要的位置，它能够影响水轮发电机在运行状态，好的密封方式能够使水轮发电机处于较稳定、可靠的状态。就目前来看，主轴密封在水轮机中虽然说是一个比较小的组成部分，但是如果其具有缺陷，影响是非常大的，它会使得水电厂的工作效率降低，使水电厂不能够正常运作，还会给经济带来巨大的压力。本文主要对传统的密封方式以及两种非接触式密封方式进行具体分析，详细讨论了这几种水轮机主轴密封的特点及优缺点，通过对其分析可以对今后主轴密封的发展和完善有所帮助。

[1]赵国建.试论主轮机主轴密封原理及应用分析[J].学术讨论会，2013（1）：1～15.

[2]刘后桂.密封技术[J].湖南科学技术出版社，2013（12）：18～25.

[3]袁 蕊，田字勤.水轮机检修[J].中国电力出版社，2013（2）：123～125.