高水头混流式水轮机主轴密封研究

1、    高水头混流式水轮机主轴密封研究    张强【摘要】根据高水头混流式的水轮设计情况，对其存在的主要部件进行介绍，对主轴密封情况进行深入研究。【关键词】高水头；混流式；水轮机；主轴密封引言水轮机，一种能够将水的能量进行旋转，通过机械能的转换，转轮将发动机转子进行驱动，进而产生电能。这种将机械能转化为电能的机器，能够将水转化为能量。1、反螺旋式的主轴密封相比于传统的接触式密封结构，非接触式的密封结构主要是以螺旋纹为原理，将主轴进行密封设计的改进。这类密封的轴两个表面设计有螺旋槽，在进行轴转动时，螺旋能够将密封间隙中的流体与其构成压差，以这种方式阻止泄露

2、，这就是反螺旋密封设计。2、高水头混流式水轮机情况分析离心式密封本身是在非接触密封结构中的一种，在这类应用中广泛流传，且不会因为高温的限制，在压差很小甚至本身就等于零的时候非常适合。离心的密封能够利用转子的旋转进而带动水流进行旋转，产生离心力之后，甩水环能够借助离心力的作用，径向将水甩出，进而避免了水进入泄露缝隙中，密封的目的就此达到。这类离心密封最大的优点是，较大的密封间隙被允许存在，这种能够将密封住本身含有沙泥杂质的水流，确保出现零泄漏。这类设备的磨损程度很小，结构非常的简单，进行检修时更加方便，价格也更加低廉，使用起来非常可靠，寿命相对较长。3、螺旋动力泵主轴密封的研制（1）转轮缝隙的漏

3、水分析。漏水量随着水轮机工作水头下损失过程更大。水压达到一定程度之后，漏水能够从各个止水环中有减小趋势，止水的作用就较为明显。但在实际环境中，设备间隙内水流雷诺数较大，若主轴的密封止水效果较好，漏水量则小，设计的泄水孔也更加合理。（2）含有沙泥的水流对密封结构损坏。水轮机止漏是依靠梳齿结构和摩擦副结构，受到快速损坏时可能有以下两种原因：第一，含沙泥的水流速度大，磨损的程度则更快；含沙泥的水流速度与各个因素有直接或间接的关系。第二，含沙泥的多少以及含沙泥的成分、硬度。这些直接影响这密封结构磨损情况以及止漏密封件的寿命。磨损量的计算公式为w=knnvmt，k主要与泥沙的硬度、粒径、重度等有关，本身

4、是经验系数，w作为磨损量，单位为cm，v是相对速度，m/s，n则是每年平均含沙量，kg/m3，t则是磨损时间。n一般取2.0，m一般取3.0 。泥沙的磨损量在设备中与含有泥沙的水流速度表现出m次方正相关，与磨损的时间呈正相关，与年平均含沙量表现出n次方。（3）螺旋动力泵式主轴密封的研究。目前国内在进行水轮机主轴密封时，一般会选择端面式主轴密封，这种密封的基本原理是主要如下：流动时水力会形成损失，水流能量降低，大量泄漏情况因此被阻止，从而达到最终目的。这种密封的重要特征是压力之下能够进行接触式的摩擦，对摩擦面进行润滑和冷却，进而得到较好的效果。具体来说，转环和静环上具备的两个方向相反螺旋槽和叶片

5、泵，能够在机组转动时形成压头阻力，使得水流泄漏得到阻止。当设备本身参数和设计调试合理后，密封能够维持长时间的不泄露。且因为这类设备本身的密封不会依赖于转换和静环间隙内水利，所以泥沙的磨损对密封性能的影响也是非常小，密封间隙对这类设备影响小，从便于安装调整的角度上来说将间隙加大，能够得到较好的效果。螺旋动力式的主轴密封基本原理，主要是动力泵的原理，原件在机组内进行传动，水流能够产生压头，阻止了泄漏情况。所以在进行螺旋动力泵设计时最关键的需要对螺旋泵的流道、齿形的参数以及压头、安装角度进行完善的计算和调整，使得参数值对其密封情况不会产生影响。本次选择的高水头混流式水轮机（型号：hl（tf5008）

6、-lj-315.5）是从东芝公司引进的cfd水力设计技术。为330 mw总装机、三台110 mw单机容量的混流式水轮发电机组。转轮的公称直径为3.155 m，额定转速为333.3 r/min，功率为112.5 mw，流量为45.2 m3/s。工作效率为93.43 %，轴向的最大推力可达到333.4 kn，旋转方向选择俯视顺时针。对漏水量以公式展开：q=u f （2gh）1/2，u代表流量系数，f代表缝隙面积，h是止漏系统的压力差。按照这个公式对本次研究的设备进行分析：主轴密封效果较好，则漏水量q小，泄水孔设计更为合理，则上梳齿在通过泄水孔流向尾水管时，主轴密封压力小，这能使得主轴密封更为有利。

7、反之，压力若设计较大则会出现封水效果一般的情况。本次研究时，对其进行水力设计和模型试验时，这类水轮机选择的是长短叶片的结构，这类设备的水力特性和运行特点均为先进的水轮机。这类水轮机的转轮已经通过水力设计和模型试验，得出的结论是技术更优、效率更高、运行非常稳定。总体设备设计上，立轴混流式的水轮机，其金属蜗壳的包角为345度，其尾水管选择的是弯肘型构造。水轮机本身与交流发电机直接连接，由主要部件和辅助系统构成，主要部件有：机坑里衬、尾水、环、主轴和中间轴、液压以及主轴中心孔补气、油气水管路。4、 总结高水头混流式水轮机主轴密封情况在很大程度上决定着，其在运用过程中的多方面效率，在实际生产中，必须对其加以重视。参考文献：1应金仁，熊建平.江边水电站高水头混流式水轮机设计j.红水河，2015，（2）：4-7.2a.w.奥托，范春生，白韧等.高水头混流式水轮机水力结构的开发与原型试验j.水利水电快报，2015，36（2）：8-11.3秦赫.高水头混流式水轮机的结构与运行特征探讨j.科技创新与应用，2015，（29）：152.4廖姣，赖喜德，张兴等.泥沙直径和浓度对混流式水轮机转轮内流场的影响j.水力发电学报，2017，36（5）：88-94.5李春光，蒲长青.高水头混流式水轮机金属蜗壳应力特性分析j.现代制造技术与装备，2016，（4）：75，99.6