水輪機主軸密封常用結(jié)構(gòu)及工作原理

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所屬分類:密封百科

1.填料密封

填料密封又稱盤根密封,通常由填料箱、填料環(huán)及壓蓋組成。填料密封依靠填料環(huán)的外力作用下產(chǎn)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(huán)通常有軟填料、硬填料和成型填料三種型式。軟填料環(huán)數(shù)量愈多,深處的填料環(huán)愈難以充分壓緊,達不到多環(huán)填料預期的效果;若深處填料環(huán)充分壓緊,則孔口處的填料環(huán)被過度壓縮,磨損嚴重;為使各環(huán)均勻壓緊,我們通常采用兩組填料環(huán)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(huán)壓緊時的損傷,填料環(huán)的緊固通常采用壓入緊固方式。

填料密封是一種最常用的水輪機主軸密封型式,結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、性能可靠,缺點是易損壞,特別是在較高轉(zhuǎn)速或水質(zhì)較差電站,使用填料密封結(jié)構(gòu)時應經(jīng)過充分論證。隨著新工藝、新材料的應用,填料環(huán)的材料已經(jīng)由最初的棉麻盤根發(fā)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(huán)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(huán)的出現(xiàn),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(xiàn)出廣闊的應用前景。

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(huán)、靜環(huán)、橡膠材料的密封原件及彈性原件組成。根據(jù)靜環(huán)的安裝位置不同,機械密封可分為內(nèi)裝式和外裝式,內(nèi)裝式靜環(huán)裝入內(nèi)側(cè),端面面向主機工作腔;外裝式靜環(huán)裝入密封端蓋外側(cè),端面背向主機工作腔。內(nèi)裝式機械端面密封摩擦副受力狀態(tài)較好,泄漏量小,潤滑性好,但彈簧在介質(zhì)中易受腐蝕;外裝式機械端面密封對密封元件腐蝕性小,便于觀察、安裝及維修,但介質(zhì)壓力低時,密封不穩(wěn)定,泄漏量較大。

根據(jù)密封端面的對數(shù),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,制造裝拆方便,結(jié)構(gòu)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(zhì)壓力高0.05-0.15MPa。由于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(xiàn)階段機械端面密封已很少在水輪機結(jié)構(gòu)設計中采用。

(2)水端面密封

用壓力水的恒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。由于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(xiàn)階段水輪機設計及很多大中型電站多有廣泛的應用。水壓端面密封結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、性能可靠,缺點是易損,特別是在較高轉(zhuǎn)速或水質(zhì)較差電站,使用水壓端面密封時應對密封結(jié)構(gòu)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(shù)的不斷進步,水壓端面密封也出現(xiàn)了新的發(fā)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(jīng)改造,最終得以安全、可靠、穩(wěn)定運行的主軸密封型式仍然是水壓端面密封。

(3)滑環(huán)密封

滑環(huán)密封是一種特殊的端面密封形式,通常由靜止環(huán)(徑向密封環(huán))、轉(zhuǎn)動環(huán)(軸向密封環(huán))及其操作控制部分等組成。在轉(zhuǎn)動環(huán)與靜止環(huán)之間有一個由耐磨材料制成的滑環(huán),依靠密封液及密封介質(zhì)在滑環(huán)接觸面之間形成的一層極薄的液膜,從而達到密封效果?;h(huán)密封按其操作部分的結(jié)構(gòu)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(yè)國內(nèi)合資公司的大批出現(xiàn)以及技術(shù)推廣,使滑環(huán)密封在現(xiàn)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(jié)構(gòu)設計中,幾乎全部采用滑環(huán)密封。

在很多水電項目中,招標書已明確規(guī)定水輪機主軸密封采用滑環(huán)密封,如天荒坪抽水蓄能電站就明確要求采用英國STERLING公司生產(chǎn)的機械滑環(huán)密封,雖然在隨后的實際應用中,這種密封也由于設計時提供的數(shù)據(jù)資料不完善、尾水壓力變幅較大,表現(xiàn)出了不盡人意的地方,最終改為汽缸式滑環(huán)密封才得以較長期的穩(wěn)定運行。

葛洲壩水力發(fā)電廠21臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機主軸密封也于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(huán)密封,從而提高了機組的運行可靠性。現(xiàn)階段滑環(huán)式水輪機主軸密封也在大范圍內(nèi)推廣應用,但在選擇主軸密封時應使主軸密封的結(jié)構(gòu)和原理盡量簡單,并應隨著主軸密封處的尾水壓力變化而自動變化,而不宜采用固定操作壓力的方式。應適當加強密封環(huán)剛度,避免密封環(huán)在不同水壓作用下產(chǎn)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(huán)密封改造為盤根密封。訂購國外公司成套的主軸密封產(chǎn)品時,也應提供詳細的水輪機運行參數(shù)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(shù)不準確,影響到后期的機組運行。

3.浮動環(huán)密封

浮動環(huán)密封結(jié)構(gòu)通常由轉(zhuǎn)動環(huán)、固定環(huán)、耐磨的浮動環(huán)組成。

浮動環(huán)密封是利用浮動環(huán)在密封介質(zhì)內(nèi)壓力下,貼緊轉(zhuǎn)動環(huán)與固定環(huán)的相對間隙并在貼合面形成一種極薄的液膜,而達到密封效果的密封結(jié)構(gòu)。在水輪機主軸密封結(jié)構(gòu)中浮動環(huán)密封通常與迷宮密封組合應用,適用于高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。迷宮間隙越狹窄,通道越復雜,迷宮密封的效果越好。但是,一般利用這種密封的機械,伴隨由于運轉(zhuǎn)中機內(nèi)溫度的上升,軸會發(fā)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(fā)生相互接觸。

迷宮密封多用于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于全介質(zhì)潤滑狀態(tài),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(zhuǎn)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借助離心力或螺旋軸向力的作用將液體介質(zhì)甩出或阻止其進入泄露縫隙,從而實現(xiàn)密封的密封結(jié)構(gòu)。離心密封及螺旋密封結(jié)構(gòu)簡單、無磨損、壽命長,允許采用較大的密封間隙,且轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設計中通常僅作為輔助密封與其它密封結(jié)構(gòu)組合使用

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