水轮机主轴密封常用结构及工作原理

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1.填料密封

填料密封又称盘根密封,通常由填料箱、填料环及压盖组成。填料密封依靠填料环的外力作用下产生的压缩变形,消除了需要密封的间隙,从而达到密封目的。填料环通常有软填料、硬填料和成型填料三种型式。软填料环数量愈多,深处的填料环愈难以充分压紧,达不到多环填料预期的效果;若深处填料环充分压紧,则孔口处的填料环被过度压缩,磨损严重;为使各环均匀压紧,我们通常采用两组填料环串联的结构形式,上一级的填料箱同时充当下一级的压盖,从而提高密封的效果。在水轮机填料密封结构设计中,深部使用较软的填料,孔口使用较硬的填料,也是一种有效的方法。为避免填料环压紧时的损伤,填料环的紧固通常采用压入紧固方式。

填料密封是一种最常用的水轮机主轴密封型式,结构简单、安装方便、性能可靠,缺点是易损坏,特别是在较高转速或水质较差电站,使用填料密封结构时应经过充分论证。随着新工艺、新材料的应用,填料环的材料已经由最初的棉麻盘根发展到石棉盘根、编织纤维盘根、聚四氟乙烯石墨盘根等;;填料环性能逐步提高,特别是近年聚四氟乙烯纤维浸渍聚四氟乙烯乳液等合成纤维填料环的出现,解决了填料密封对高速高压或流体中含有固体颗粒时的密封失效问题,又使填料密封呈现出广阔的应用前景。

2.端面密封

(1)机械端面密封

机械端面密封是利用弹簧或其他弹性材料使主轴密封的工作端面间形成一层极薄的液膜,从而达到密封效果的一种主轴密封型式。水轮机的机械端面密封通常由动环、静环、橡胶材料的密封原件及弹性原件组成。根据静环的安装位置不同,机械密封可分为内装式和外装式,内装式静环装入内侧,端面面向主机工作腔;外装式静环装入密封端盖外侧,端面背向主机工作腔。内装式机械端面密封摩擦副受力状态较好,泄漏量小,润滑性好,但弹簧在介质中易受腐蚀;外装式机械端面密封对密封元件腐蚀性小,便于观察、安装及维修,但介质压力低时,密封不稳定,泄漏量较大。

根据密封端面的对数,机械端面密封还可以分为单端面机械密封和多端面机械密封。单端面机械密封由一对密封端面组成,制造装拆方便,结构简单;多端面机械密封由两对或更多密封端面组成,通常需要引入密封液进行封堵、润滑、冲洗、冷却,密封液压力一般应比介质压力高0.05-0.15MPa。由于水轮机在工作中通常存在轴向位移,不能保证弹性元件的正常工作,所以现阶段机械端面密封已很少在水轮机结构设计中采用。

(2)水端面密封

用压力水的恒定压力代替机械端面密封中的弹性元件,从而形成水轮机常用的水压端面密封型式。由于水压端面密封在一定程度上弥补了机械端面密封的缺陷,密封体可以适应水轮机正常工作中的少量轴向位移,而在现阶段水轮机设计及很多大中型电站多有广泛的应用。水压端面密封结构简单、安装方便、性能可靠,缺点是易损,特别是在较高转速或水质较差电站,使用水压端面密封时应对密封结构及密封块的材料进行进一步讨论。

随着密封材料的更新和密封技术的不断进步,水压端面密封也出现了新的发展空间,例如,在以含沙量较大著称的三门峡电站,主轴密封的型式几经改造,最终得以安全、可靠、稳定运行的主轴密封型式仍然是水压端面密封。

(3)滑环密封

滑环密封是一种特殊的端面密封形式,通常由静止环(径向密封环)、转动环(轴向密封环)及其操作控制部分等组成。在转动环与静止环之间有一个由耐磨材料制成的滑环,依靠密封液及密封介质在滑环接触面之间形成的一层极薄的液膜,从而达到密封效果。滑环密封按其操作部分的结构原理,又有自重式、水压式、气压式、机械式等几种类型。近一时期水电行业国内合资公司的大批出现以及技术推广,使滑环密封在现阶段备受推崇,因为在欧洲国家及日本富士电机的水轮机密封结构设计中,几乎全部采用滑环密封。

在很多水电项目中,招标书已明确规定水轮机主轴密封采用滑环密封,如天荒坪抽水蓄能电站就明确要求采用英国STERLING公司生产的机械滑环密封,虽然在随后的实际应用中,这种密封也由于设计时提供的数据资料不完善、尾水压力变幅较大,表现出了不尽人意的地方,最终改为汽缸式滑环密封才得以较长期的稳定运行。

葛洲坝水力发电厂21台轴流转桨式水轮机主轴密封也于1999年由水压端面密封及双平板橡胶密封改造为机械式滑环密封,从而提高了机组的运行可靠性。现阶段滑环式水轮机主轴密封也在大范围内推广应用,但在选择主轴密封时应使主轴密封的结构和原理尽量简单,并应随着主轴密封处的尾水压力变化而自动变化,而不宜采用固定操作压力的方式。应适当加强密封环刚度,避免密封环在不同水压作用下产生不均匀变形而影响密封效果。如安徽响洪甸抽水蓄能电站,主轴密封密封块磨损过,被迫由炭精滑环密封改造为盘根密封。订购国外公司成套的主轴密封产品时,也应提供详细的水轮机运行参数及开停机频次等基本电站情况。否则像天荒坪电站,提供的水轮机参数不准确,影响到后期的机组运行。

3.浮动环密封

浮动环密封结构通常由转动环、固定环、耐磨的浮动环组成。

浮动环密封是利用浮动环在密封介质内压力下,贴紧转动环与固定环的相对间隙并在贴合面形成一种极薄的液膜,而达到密封效果的密封结构。在水轮机主轴密封结构中浮动环密封通常与迷宫密封组合应用,适用于高转速机组,且在低速或停机时密封失效。

4.迷宫密封

迷宫密封是利用液体在转轴与密封罩间形成的迷宫式通道时的能量快速损耗而形成的一种密封结构。迷宫间隙越狭窄,通道越复杂,迷宫密封的效果越好。但是,一般利用这种密封的机械,伴随由于运转中机内温度的上升,轴会发生伸缩或窜动,从而要求迷宫密封要有足够的间隙以不致发生相互接触。

迷宫密封多用于汽密封或其它允许一定泄露的场合。迷宫密封的密封面始终处于全介质润滑状态,无摩擦、功耗小、正常工作没损耗、寿命长、维修简单、密封性能较好,转速愈高密封效果愈好,但密封零件加工精度要求较高,装配较困难、泄漏量较大。

5.离心密封及螺旋密封

离心密封及螺旋密封是借助离心力或螺旋轴向力的作用将液体介质甩出或阻止其进入泄露缝隙,从而实现密封的密封结构。离心密封及螺旋密封结构简单、无磨损、寿命长,允许采用较大的密封间隙,且转速愈高密封效果愈好。

离心密封及螺旋密封在水轮机主轴密封结构设计中通常仅作为辅助密封与其它密封结构组合使用

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