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摘要：在电站生产过程中，水轮机组运行过程中的安全稳定性尤为重要。主轴密封作为水轮机的重要组成部分可以起到将主轴处的流道内的水流泄露量减少的作用。主轴密封分为工作以及检修密封。本文介绍了水轮机主轴密封的工作以及检修密封的原理，并对传统以及优化的密封结构进行了相应的分析，从而使其能够更好的应用于水轮机中，促进水轮机安全稳定的运行。
关键词：水轮机；主轴密封；优化设计
1引言
水轮机作为能量转换的重要载体，是电站水轮发电机组的核心设备，水导轴承的运行工况是检验水轮机运行稳定性能的关键性指标之一。水轮机转轮与上冠之间存在一个低压水腔，俗称转轮上腔，其水源为上止漏环的漏水，为防止转轮上腔压力水通过主轴与顶盖（或支持盖）间的缝隙渗入机坑，淹没顶盖及水导轴承，破坏水导轴承的正常工作，在轴承下方设置了主轴密封装置，密封装置的运行效果决定了水轮机是否能够安全、稳定运行。因此主轴密封的性能对电站的运行具有重要的影响，必须对主轴密封进行优化设计，使其能够达到良好的效果。
2水轮机主轴密封的原理
2.1工作密封结构原理
按照密封的结构型式可以将水轮机的工作密封分为以下五种形式：一是平板密封；二是盘根密封；三是迷宫环密封；四是径向密封；五是端面密封。迷宫环密封是一种新型的密封形式，它的工作原理为将泵板装置安装设置到水轮机的顶部，泵板存在吸出作用使得主轴法兰能够一直位于大气中，轴封与轴之间没有接触接触，只有一层空气隔在中间，这种密封形式的寿命非常长。迷宫环密封目前得到了广泛的而推广，已经应用于很多个电站之中，并且产生了很好的应用效果。大多数工作密封需要清洁水，而清洁水主要来自机组技术供水，对橡胶密封润滑水的要求较高，一般主轴密封供水管路中设有减压或加压设备、滤水器等。为了保证供水水质，机组的供水管路上需要装设两级水过滤装置。第一级为粗过滤，第二级为精过滤。对主轴密封的润滑水需要增加主轴密封过滤器，加压泵等。而泵板密封无需清洁水也不需要技术供水管道阀门及滤水器。但选用哪种工作密封形式需要依据水电站的实际状态进行选择，对水质、机组的型式以及水轮机的转速等方面进行仔细的分析，从而选择出科学合理的密封结构，并在设计中考虑稳定性和科学性，使密封的安装以及维护能够简单方便，以使水轮机的运行效率能够得到有效的提高，从而保证水电站的安全稳定运行。
2.2检修密封工作原理
检修密封是当水轮机在很长的时间处于停机状态或者进行工作密封检修时投入的密封，是主轴密封的辅助程序，是在手水轮机停止运行或者检修水轮机的工作密封以及水导轴承时使用的一种密封技术，从而避免由于尾水位比较高而灌入到机内的现象发生。检修密封的型式通常可以分为空气围带、机械以及抬机式等多种类型。其中空气围带式是最为常见的密封。该种检修密封的结构比较简单，并且操作比较方便，具有良好的密封效果，通常在进行机组检修时，此种形式的应用最广泛。
3传统以及优化的主轴密封
3.1填料密封
该种密封是一种非常传统的主轴密封形式，它以及投入使用很长时间，并且其结构的设计比较简单、价格比较便宜，结构如图1所示。石棉填料是一种早期使用的密封填材料，但是石棉材料存在污染环境、对人身安全存在威胁等缺点，现在已经基本停止使用，目前通常将聚四氟乙烯浸渍碳纤维填料作为主轴密封材料。密封的原理为将填料的密封环（图1中的3）放入在密封（图1中的7）内部，通过压环（图1中的2）将密封环压紧，以使密封环能够和密封室的表面以及不锈钢衬套进行紧密的结合，从而使水流能够被密封。利用支撑环（图1中的4）将清洁水注入进去，从而使密封润滑，防止密封材料磨损的速度比较快。如果密封填料环在压环上没有进行利用弹簧预紧的操作，由于密封材料会发生磨损，因此需要对压紧量进行频繁的调节。此外，由于填料密封对轴的跳动非常的敏感，因此密封外壳需要设计成径向浮动结构，以保证该种密封具有良好的工作性能。
这种主轴密封主要利用经验进行，没有比较成熟的技术算理论作为支撑。通常在小型卧式机组上使用的比较多，密封部件的维护比较方便，如果密封泄露量超过预期的数值时，容易压紧；当密封材料发生失效后，更换比较容易。
3.2无接触泵板密封
3.2.1无接触泵板密封的结构特点
无接触泵板主轴密封的结构如图1所示。
图2无接触泵板主轴密封结构
主轴工作密封泵板材质是不锈钢的，泵板是通过螺栓安装在转轮的上冠上，在进行工作的过程中，通过泵板的作用可以把上止漏环流入的泄漏水压入到顶盖上的排泄腔内，在顶盖的排泄腔上存在4根直径为DN100的排水管，并且均匀分布，可以利用排水管将泄露水排走，从而保证具有良好的密封效果。无接触间隙密封包括转动轴套以及主轴密封箱。转动轴套利用的是不锈钢材料，它的表面上存在一层软金属巴氏合金材料。主轴密封箱是利用低碳钢板用过焊接形成的，通过螺栓在顶盖上固定。主轴密封箱存在上下二室，上室接有2根直径为DN40排水管，可以把在开停机过程中产生的以及在正常的运转过程中剩下的比较少的泄漏水汇入到直径为DN65主轴密封排水管，通过自流方式排至渗漏集水井。
无接触泵板密封的特点是，静止以及转动的部分之间没有接触，密封使用寿命较长。密封免检修免维护，在机组进行正常的运行过程中不需要进冷却或者润滑清洁水的操作，转轮上存在泵板装置，它可以避免水以及固体进入到主轴密封的现象发生，通常轴密是干的，顶盖的卸压系统可以避免泥沙或者其他固体在水机的顶盖下积存，由于机组旋转可以产生离心作用，因此可以使轴密封不与水中的沙以及其他的固体进行接触。
3.2.2无接触泵板密封工作原理、优点以及检修
该种密封为非接触的密封结构，它的组成结构主要包括顶盖排水管、间隙式密封以及转轮的上冠位置处的泵板等。当机组开始进行运行则会使轮机开始发生转动，同时泵板的转动装置也会随之带动泵板内部的水发生转动，从而使泵板的进口以及出口之间的水产生一定的压力差，将水作为机组的冷却水利用排水管排入到集水箱之中或者将其直接排入到尾水管中。在机组一开始的运行过程中，间隙密封位置的水不能全部依靠泵板使其排干净，会有非常少的水排入到集水井中，依靠的是间隙密封处的排水管。机组的转动速度持续上升，当转动一定的时间之后，间隙密封位置的水将会被全部排出去，从而达到密封的目的，并且密封效果比较好。该密封形式的精致与运动部件之间没有接触，因此在进行运行时，不需要对起润滑作用的冷却水进行密封，密封件也不会发生磨损，不需要进行更换密封件或者维护密封件的操作。
无接触泵板主轴密封机组在运行中应注意检查：①顶盖压力指示和摆动情况是否较平时增大；②机坑内的排水管是否畅通；③管路接头，法兰连接处有无漏水；④密封座与密封转环间所构成的密封间隙处是否漏水及漏水变化情况；⑤该泵板密封装置在低转运行时封水不好，机坑内漏水较大，所以建议开停机时应注意水轮机顶盖的漏水情况，并尽可能减少机组在低转速时的运行时间
4结语
水轮机主轴密封对水电机组的安全运行起着极其重要的作用，并且在水轮机中非常容易发生故障，导致水轮机的运行出现问题。水电站检修维护人员不仅要及时掌握主轴密封的实际工作状况，还要对出现的故障不断的进行分析以及总结，对主轴密封进行优化设计，从而降低水轮机的主轴密封发生故障的频率，避免停机事故的发生，提高设备运行的可靠性，改善机组运行工况，保证电站的性能。
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