主軸密封

水輪機轉輪止漏環會產生少量漏水，這些漏水會沿著主軸與固定部件之間的間隙進入機坑，妨礙其他設備的正常運行，因此必須在主軸上設定止漏密封裝置（簡稱主軸密封）。

基本介紹

• 中文名：主軸密封
• 外文名：Shaft seal
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 範圍：電力系統
• 別稱：止漏密封裝置

簡介

現代水輪機設計研究人員多偏重於水力模型的開發及機組自動化程度的提高，特別是通過三峽機組的國際招標而引進的水力模型開發軟體及相關水電機組設計、計算軟體包在兩大水電集團的運用，使國內的水輪機水力模型的開發及水電機組的設計開發能力迅速提高，湧現出了不少具有國際先進水平的水力模型及大中型水電機組；有限元分析系統在水輪發電機組設計研究中的普遍套用，使水輪機結構更趨於合理、可靠；電子、信息產業的發展進一步帶動了水輪機控制系統自動化程度的穩步提高，使無人值班、少人值守成為水電站建設的普遍要求。與此同時，傳統的水輪機主軸密封及導軸承技術就顯得相對滯後，再加上市場競爭的日趨激烈，在一定程度上阻礙了正常的技術交流和先進技術的推廣套用。從水輪機主軸密封的角度對現階段常用的密封結構進行了簡要總結，旨在探索不同水力工況下的最佳水輪機主軸密封型式，並且結構簡單、工作可靠、檢修更換方便。

水輪機主軸密封

對於新建的大中型水電站，均要求水輪發電機組能夠進行中央集中控制，能以一個指令完成機組的啟動、併網或停機；要求水輪發電機組運行工況能夠集中監控，一些重要運行參數可進行巡迴檢測；要求水輪發電機組能夠採用微機監控系統，並逐步實現遙測、遙信、遙調、遙控，做到無人值班、少人值守和遠方監控。這都對水輪機主軸密封提出了新的要求，要求水輪機主軸密封能夠長期、安全、可靠工作，主軸密封的檢修更換周期至少能保證一個大修期；要求水輪機主軸密封能夠實現自補償調節或無需調節；要求水輪機主軸密封的工作狀態可通過感測器件進行檢測。

水輪機主軸密封常用結構及工作原理

1.填料密封

填料密封又稱盤根密封，通常由填料箱、填料環及壓蓋組成。填料密封依靠填料環的外力作用下產生的壓縮變形，消除了需要密封的間隙，從而達到密封目的。填料環通常有軟填料、硬填料和成型填料三種型式。軟填料環數量愈多，深處的填料環愈難以充分壓緊，達不到多環填料預期的效果；若深處填料環充分壓緊，則孔口處的填料環被過度壓縮，磨損嚴重；為使各環均勻壓緊，我們通常採用兩組填料環串聯的結構形式，上一級的填料箱同時充當下一級的壓蓋，從而提高密封的效果。在水輪機填料密封結構設計中，深部使用較軟的填料，孔口使用較硬的填料，也是一種有效的方法。為避免填料環壓緊時的損傷，填料環的緊固通常採用壓入緊固方式。

填料密封是一種最常用的水輪機主軸密封型式，結構簡單、安裝方便、性能可靠，缺點是易損壞，特別是在較高轉速或水質較差電站，使用填料密封結構時應經過充分論證。隨著新工藝、新材料的套用，填料環的材料已經由最初的棉麻盤根發展到石棉盤根、編織纖維盤根、聚四氟乙烯石墨盤根等;；填料環性能逐步提高，特別是近年聚四氟乙烯纖維浸漬聚四氟乙烯乳液等合成纖維填料環的出現，解決了填料密封對高速高壓或流體中含有固體顆粒時的密封失效問題，又使填料密封呈現出廣闊的套用前景。

2.端面密封

（1）機械端面密封

機械端面密封是利用彈簧或其他彈性材料使主軸密封的工作端面間形成一層極薄的液膜，從而達到密封效果的一種主軸密封型式。水輪機的機械端面密封通常由動環、靜環、橡膠材料的密封原件及彈性原件組成。根據靜環的安裝位置不同，機械密封可分為內裝式和外裝式，內裝式靜環裝入內側，端面面向主機工作腔;外裝式靜環裝入密封端蓋外側，端面背向主機工作腔。內裝式機械端面密封摩擦副受力狀態較好，泄漏量小，潤滑性好，但彈簧在介質中易受腐蝕;外裝式機械端面密封對密封元件腐蝕性小，便於觀察、安裝及維修，但介質壓力低時，密封不穩定，泄漏量較大。

根據密封端面的對數，機械端面密封還可以分為單端面機械密封和多端面機械密封。單端面機械密封由一對密封端面組成，製造裝拆方便，結構簡單;多端面機械密封由兩對或更多密封端面組成，通常需要引入密封液進行封堵、潤滑、沖洗、冷卻，密封液壓力一般應比介質壓力高0.05-0.15MPa。由於水輪機在工作中通常存在軸向位移，不能保證彈性元件的正常工作，所以現階段機械端面密封已很少在水輪機結構設計中採用。

（2）水端面密封

用壓力水的恆定壓力代替機械端面密封中的彈性元件，從而形成水輪機常用的水壓端面密封型式。由於水壓端面密封在一定程度上彌補了機械端面密封的缺陷，密封體可以適應水輪機正常工作中的少量軸向位移，而在現階段水輪機設計及很多大中型電站多有廣泛的套用。水壓端面密封結構簡單、安裝方便、性能可靠，缺點是易損，特別是在較高轉速或水質較差電站，使用水壓端面密封時應對密封結構及密封塊的材料進行進一步討論。

隨著密封材料的更新和密封技術的不斷進步，水壓端面密封也出現了新的發展空間，例如，在以含沙量較大著稱的三門峽電站，主軸密封的型式幾經改造，最終得以安全、可靠、穩定運行的主軸密封型式仍然是水壓端面密封。

（3）滑環密封

滑環密封是一種特殊的端面密封形式，通常由靜止環(徑向密封環)、轉動環(軸向密封環)及其操作控制部分等組成。在轉動環與靜止環之間有一個由耐磨材料製成的滑環，依靠密封液及密封介質在滑環接觸面之間形成的一層極薄的液膜，從而達到密封效果。滑環密封按其操作部分的結構原理，又有自重式、水壓式、氣壓式、機械式等幾種類型。近一時期水電行業國內合資公司的大批出現以及技術推廣，使滑環密封在現階段備受推崇，因為在歐洲國家及日本富士電機的水輪機密封結構設計中，幾乎全部採用滑環密封。

在很多水電項目中，招標書已明確規定水輪機主軸密封採用滑環密封，如天荒坪抽水蓄能電站就明確要求採用英國STERLING公司生產的機械滑環密封，雖然在隨後的實際套用中，這種密封也由於設計時提供的數據資料不完善、尾水壓力變幅較大，表現出了不盡人意的地方，最終改為汽缸式滑環密封才得以較長期的穩定運行。

葛洲壩水力發電廠21台軸流轉槳式水輪機主軸密封也於1999年由水壓端面密封及雙平板橡膠密封改造為機械式滑環密封，從而提高了機組的運行可靠性。現階段滑環式水輪機主軸密封也在大範圍內推廣套用，但在選擇主軸密封時應使主軸密封的結構和原理儘量簡單，並應隨著主軸密封處的尾水壓力變化而自動變化，而不宜採用固定操作壓力的方式。應適當加強密封環剛度，避免密封環在不同水壓作用下產生不均勻變形而影響密封效果。如安徽響洪甸抽水蓄能電站，主軸密封密封塊磨損過，被迫由炭精滑環密封改造為盤根密封。訂購國外公司成套的主軸密封產品時，也應提供詳細的水輪機運行參數及開停機頻次等基本電站情況。否則像天荒坪電站，提供的水輪機參數不準確，影響到後期的機組運行。

3.浮動環密封

浮動環密封結構通常由轉動環、固定環、耐磨的浮動環組成。

浮動環密封是利用浮動環在密封介質內壓力下，貼緊轉動環與固定環的相對間隙並在貼合面形成一種極薄的液膜，而達到密封效果的密封結構。在水輪機主軸密封結構中浮動環密封通常與迷宮密封組合套用，適用於高轉速機組，且在低速或停機時密封失效。

4.迷宮密封

迷宮密封是利用液體在轉軸與密封罩間形成的迷宮式通道時的能量快速損耗而形成的一種密封結構。迷宮間隙越狹窄，通道越複雜，迷宮密封的效果越好。但是，一般利用這種密封的機械，伴隨由於運轉中機內溫度的上升，軸會發生伸縮或竄動，從而要求迷宮密封要有足夠的間隙以不致發生相互接觸。

迷宮密封多用於汽密封或其它允許一定泄露的場合。迷宮密封的密封面始終處於全介質潤滑狀態，無摩擦、功耗小、正常工作沒損耗、壽命長、維修簡單、密封性能較好，轉速愈高密封效果愈好，但密封零件加工精度要求較高，裝配較困難、泄漏量較大。

5.離心密封及螺旋密封

離心密封及螺旋密封是藉助離心力或螺旋軸向力的作用將液體介質甩出或阻止其進入泄露縫隙，從而實現密封的密封結構。離心密封及螺旋密封結構簡單、無磨損、壽命長，允許採用較大的密封間隙，且轉速愈高密封效果愈好。

離心密封及螺旋密封在水輪機主軸密封結構設計中通常僅作為輔助密封與其它密封結構組合使用。

組合式的主軸密封在設計、生產中的套用

在杭州大路發電設備有限公司的實際設計生產中，切實可行而穩定可靠的水輪機主軸密封大多採用多種密封形式組合使用的結構，充分利用各種密封的優點，達到較為理想的實用效果。如在低水頭水輪機主軸密封結構設計中多採用離心密封與盤根密封的組合結構。在高水頭水輪機主軸密封結構設計中多採用離心密封、浮動環密封與迷宮密封相組合的密封結構。