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摘要：水轮发电机主轴工作密封装设在水轮机顶盖下部，是蜗壳内过流动水与顶盖固定部分的有效止水部件。主轴密封的止水效果与工作性能直接影响到顶盖泵的工作效率，进而影响到水导轴承与发电机组能否正常工作。泥沙含量相对较大的水轮发电机组电站，主轴密封工作环境对其结构和性能提出了新的要求。青铜峡水电站位于黄河中上游，每年汛期长达6-9个月，汛期机组运行期间泥沙含量高达30kg/立方米，是典型的高泥沙含量过水电站。历年来电站先后采用改良双层平板密封、立式浮动密封、水压端面密封等多种形式主轴密封。结合使用经验、止漏效果，针对3种密封的结构特点、工作原理等进行了分析对比，对多泥沙电站水轮机主轴密封的选择和使用提供实践技术支持。
关键词：泥沙含量大：水轮发电机组：立式浮动密封
中图分类号：TK73
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）03-0076-02
0引言
青铜峡水电站位于黄河上游，是我国仅有的一座低水头闸墩式水电站，电站水轮发电机组采用主轴密封对蜗壳工作动水与顶盖固定部分密封止水。作为水轮机动水与固定部件止水的关键部件，其工作可靠性影响到辅助设备的安全和设备的检修周期的长短，直接关系到机组的正常运行。青铜峡水电站每年汛期长达6-9个月，期间河道过流泥沙量剧增，主轴密封工作环境恶劣，对主轴密封的性能提出了极大挑战。
1主轴密封结构形式工作原理
青铜峡电站先后采用三种形式主轴密封：水压端面密封、立式浮动密封和双层平板密封。水轮机主轴工作密封作为转动轴与固定部件之间的止漏封水装置，必须满足转动部件和固定部件止漏水量的要求，同时具有一定的抗磨性，满足长期运行的要求。下面分别分析三种结构型式主轴密封工作过程。
1.1双层平板密封
双侧平板主轴密封结构如图1所示。
双层平板主轴密封主要由底座、密封水箱、密封环、平板、压板、盖板以及各固定部分构成。底座、水箱体固定在支持盖上，上平板由螺栓紧固在水箱体上;密封环、下平板、上环板作为转动部分，随主轴一起转动。上下平板.为橡胶材质，而抗磨板为不锈钢材质，机组工作时，主轴密封供水管路密封腔内通入0.05～0.2MPa压力清洁水，使得上下平板与抗磨面紧密结合，构成密闭的清洁水压力腔，阻止从蜗壳上水进入腔体内，并且对橡胶平冷却、润滑。近年来由于结构复杂，检修安装工作量大，且安装空间较大，造成机组轴长增加大幅提高了设计成本：实际使用中，当水轮机组工况变化造成摆动过大，或密封面接触不良时会导致漏水量激增，水电站设计中已很少采用。
1.2水压端面密封
水压端面主轴密封结构如图2所示。
该密封装置由抗磨环、支撑底座、硬塑主轴密封块、抗磨环、浮动环及主轴密封供水管路构成，密封水压在0.05-0.2MPa之间，密封供水管路设有流量计和压力表，当水压过低或中断时，装置告警。正常工作状况，一定压力的清洁密封水进入位于转动环下部的密封水箱，将密封块向上顶起，同时在密封块上开有4个均匀布置的小孔，清洁水可以通过小孔进入密封块和抗磨环中间，形成水膜。与上部随水轮机主轴转动的抗磨换环紧密接触，阻止蜗壳内水轮机工作动水由转动部分与固定部分的间隙渗漏进入顶盖部分。清洁的密封水一方面作用于顶起密封块和润滑工作摩擦面，同时可以防止泥沙进入密封工作面。
1.3立式浮动密封
立式浮动主轴密封结构如图3所示。
立式浮动密封由转动环、密封圈、密封圈和密封盖组成。密封圈在清洁的带压水流和自重的作用下，紧贴在转动环上，当从水轮机蜗壳泄漏的发电机工作动水到达图示中的A腔后，受密封圈的阻碍作用，从转动抗磨环与密封圈的接触面甸隙、密封圈与密封座的接触面间隙到达C腔及B腔，再经主轴外缘泄流至顶盖部分。密封圈结构设置为“π’型，同时密封体均匀密布细小孔口联通密封体上下表面，清洁密封水经细小孔口进入。上部端面，在压力水流和发电机转动后离心力的双重作用下，密封圈与转动环之间形成层水膜，起到润滑和冷却和有效止水的效果。
2立式浮动密封和水压端面密封工作情况分析
2.1主軸密封设计工况受力分析
密封装置的主要工作部件是密封体，机组在运行工况下，对密封体做简单的受力分析，立式浮动密封在竖直方向上受到4个力的作用：一是主轴密封冷却水的压力，设上腔密封冷却水压为P，密封块与主轴密封水的作用面积为s，则压力大小为PXS，方向向下;二是密封体的重力G，方向向下：三是进入密封块与抗磨板之间的水膜对密封体的向上的作用力，设该作用力大小为F;四是密封体与密封腔之间的静摩擦力，设为f，方向与其运动方向或运动趋势方向相反。
冷却水压作用于密封块下端面，在一定压力作用下，推动密封体向上移动;密封体均匀密布细小孔口联通密封体上下表面，清洁密封水经细小孔口进入上部端面，形成工作水膜。调整密封水压大小，水膜厚度相应减少或者增加，以适应发电机不同工况要求的止水效果。不管是立式浮动密封还是水压端面密封，都在上述四个力的作用下达到平衡并形成稳定的工作水膜，由于力的方向不同，对于水压端面密封PXS=G+F土f，而对于立式浮动密封则有PXS+G=F土f.由该式不难看出，密封块自重成为工作稳定量，会减少因为机组负荷突变或者密封水压力不稳定而造成的水膜的不稳定.由于立式浮动密封块的自重作用与密封工作水压反方向，而水压端面密封块自重与工作水压反方向，因此同样的工况下，立式浮动密封需要的水压更低，且立式浮动密封相较于水压端面密封更加稳定可靠，并且立式浮动密封体与密封腔的静摩擦力小于水压端面密封块与密封腔的静摩擦力f，从而减少了摩擦热量，延长了密封使用寿命。
2.2主轴密封运行工况分析
密封块材质不适应水轮发电机组多种工况，容易造成上水过快或者形成密封块与抗磨环之间的硬摩擦而损坏密封块，严重影响机组的安全运行。在发电机组工况变化中，密封块与抗磨板之间水膜稳定，在大流量低水头电站导叶轮叶协联变化中立式浮动密封适应性较强。对于水压端面密封，当工况变化造成水膜厚度持续减小至接近冷却水内泥沙颗粒粒径时，水膜将被破坏，将加剧密封块的磨损，甚至是干摩擦，这将使密封块的磨损急剧增加。而在汛期由于黄河水泥沙含量极高，因此难免有大颗粒泥沙混入密封块抗磨环之间形成干摩擦，而水压端面密封材质为硬塑合金，在干摩擦中由于“硬碰硬”而造成局部磨粒磨损，产生发卡严重影响密封块的平衡，久而久之更会造成密封块表面坑坑洼洼，不利于形成稳定的水膜，而立式浮动密封体采用橡胶材质，具有良好的抗磨性和回弹性，密封体磨损补偿面为平面，确保了密封圈与抗磨板之间的间隙合格，适应性优于硬塑材质，稳定性也较高。 3立式浮动密封和水压端面密封的应用对比
目前，我厂新技改机组1、2、3、7、8主要使用水压端面密封，在使用过程中发现诸多问题：密封块更换周期短，一年进行一次密封更换;密封止水效果差，经常出现顶盖上水快的情况，危及水轮机的安全运行，正常情况下顶盖泵启动间隔时间约为2min造成顶盖泵启动过于频繁，降低了顶盖泵使用寿命，使用电量也相应增加;密封更换成本较高（3W～4W）;密封可靠性差，使用过程中常发现密封块磨损过于严重，对抗磨环的磨损也较严重，有时候甚至不得不更换抗磨板，过去一年内密封故障总次数为5次，在机组汛期的时候发生主轴密封故障不得不停机维修，不仅仅减少了机组发电量，还对防汛工作造成影响;密封装配精度要求高，且装配调节空间小，1号机曾出现因装配不当导致的烧瓦现象。
4、5、9采用立式浮动密封，更换周期为两年一次;在应用过程中较为稳定，过去一年内未出现密封故障;止水效果较好，正常情况下顶盖泵启动时间间隔约为10min，电能消耗较低;且密封块材质为橡胶材质，更换成本较低，经济效益好;密封磨损量较小，对抗磨板的磨损也较小;密封装配可调性好，且装配精度要求较低，密封适应性好。
4经济效益分析
相对水压端面密封，立式浮动密封的经济效益更好，以4号机和3号机为例：
4.1立式浮动密封更换成本较低
水压端面密封的密封块和转动环都为易损件，密封块更换周期为1～2个/年，转动环更换周期为3～4年，更换成本约为4W元/年，而立式浮动密封易磨件橡胶，更换周期为2年，平均更换成本为2K元/年，并且缩短了机组检修工期。
4.2减少顶盖泵用电量
3号机采用水压端面密封，每年顶盖泵消耗电量约为6000kW·h，4号机采用立式浮动密封，每年顶盖泵消耗电量约为1000kW·h，按每度电0.46元计算，立式浮动密封可节约的电量为2K元/年。而且流入顶盖淤泥较少，也延长了顶盖泵的使用寿命。
4.3减少了机组的故障率
汛期电站机组多在高负荷运行工况，由于水压端面密封机组故障率较高，机组不得不停机检修，检修时间一般为3d，以3号机为例，这期间造成少发电量约为72kW·h，也就是說，按照往年的实际运行情况，利用立式浮动密封可以节约费用为大约33万/年。
综上所述，利用立式浮动密封比利用水压端面密封要节约37万/年。经济效益显而易见。
5对于主轴密封现状的改进意见
通过对比不难发现，立式浮动密封更适合我厂泥沙含量大的特点，且由于立式浮动密封与水压端面结构相似，安装空间相仿，因此可以将水压端面密封更换为立式浮动密封。
6结束语
较之水压端面密封采用的硬塑材料，立式浮动采用的橡胶材质更富有弹性，工作时止漏水的性能较好，而且不容易发卡，抗磨性能好，可以适应泥沙含量较大的工况。并且橡胶密封设计磨损量可以改进加大，延长密封圈的使用寿命，另外立式浮动密封具有结构合理、占用空间少、设计科学、安装方便、成本低等特点，结合青铜峡水电厂密封的使用情况，立式浮动密封可以广泛应用于多泥沙电站。
参考文献
[1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1990.
[2]王伟.响洪甸蓄能电站主轴密封改造分析[J].东方电气评论，2004（9）：59.
[3]秦岩平.葛洲坝电站水轮机主轴密封改造及运行情况分析[J].水电与新能源，2014（9）：77-78.
关键词：泥沙含量大：水轮发电机组：立式浮动密封
中图分类号：TK73
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）03-0076-02
0引言
青铜峡水电站位于黄河上游，是我国仅有的一座低水头闸墩式水电站，电站水轮发电机组采用主轴密封对蜗壳工作动水与顶盖固定部分密封止水。作为水轮机动水与固定部件止水的关键部件，其工作可靠性影响到辅助设备的安全和设备的检修周期的长短，直接关系到机组的正常运行。青铜峡水电站每年汛期长达6-9个月，期间河道过流泥沙量剧增，主轴密封工作环境恶劣，对主轴密封的性能提出了极大挑战。
1主轴密封结构形式工作原理
青铜峡电站先后采用三种形式主轴密封：水压端面密封、立式浮动密封和双层平板密封。水轮机主轴工作密封作为转动轴与固定部件之间的止漏封水装置，必须满足转动部件和固定部件止漏水量的要求，同时具有一定的抗磨性，满足长期运行的要求。下面分别分析三种结构型式主轴密封工作过程。
1.1双层平板密封
双侧平板主轴密封结构如图1所示。
双层平板主轴密封主要由底座、密封水箱、密封环、平板、压板、盖板以及各固定部分构成。底座、水箱体固定在支持盖上，上平板由螺栓紧固在水箱体上;密封环、下平板、上环板作为转动部分，随主轴一起转动。上下平板.为橡胶材质，而抗磨板为不锈钢材质，机组工作时，主轴密封供水管路密封腔内通入0.05～0.2MPa压力清洁水，使得上下平板与抗磨面紧密结合，构成密闭的清洁水压力腔，阻止从蜗壳上水进入腔体内，并且对橡胶平冷却、润滑。近年来由于结构复杂，检修安装工作量大，且安装空间较大，造成机组轴长增加大幅提高了设计成本：实际使用中，当水轮机组工况变化造成摆动过大，或密封面接触不良时会导致漏水量激增，水电站设计中已很少采用。
1.2水压端面密封
水压端面主轴密封结构如图2所示。
该密封装置由抗磨环、支撑底座、硬塑主轴密封块、抗磨环、浮动环及主轴密封供水管路构成，密封水压在0.05-0.2MPa之间，密封供水管路设有流量计和压力表，当水压过低或中断时，装置告警。正常工作状况，一定压力的清洁密封水进入位于转动环下部的密封水箱，将密封块向上顶起，同时在密封块上开有4个均匀布置的小孔，清洁水可以通过小孔进入密封块和抗磨环中间，形成水膜。与上部随水轮机主轴转动的抗磨换环紧密接触，阻止蜗壳内水轮机工作动水由转动部分与固定部分的间隙渗漏进入顶盖部分。清洁的密封水一方面作用于顶起密封块和润滑工作摩擦面，同时可以防止泥沙进入密封工作面。
1.3立式浮动密封
立式浮动主轴密封结构如图3所示。
立式浮动密封由转动环、密封圈、密封圈和密封盖组成。密封圈在清洁的带压水流和自重的作用下，紧贴在转动环上，当从水轮机蜗壳泄漏的发电机工作动水到达图示中的A腔后，受密封圈的阻碍作用，从转动抗磨环与密封圈的接触面甸隙、密封圈与密封座的接触面间隙到达C腔及B腔，再经主轴外缘泄流至顶盖部分。密封圈结构设置为“π’型，同时密封体均匀密布细小孔口联通密封体上下表面，清洁密封水经细小孔口进入。上部端面，在压力水流和发电机转动后离心力的双重作用下，密封圈与转动环之间形成层水膜，起到润滑和冷却和有效止水的效果。
2立式浮动密封和水压端面密封工作情况分析
2.1主軸密封设计工况受力分析
密封装置的主要工作部件是密封体，机组在运行工况下，对密封体做简单的受力分析，立式浮动密封在竖直方向上受到4个力的作用：一是主轴密封冷却水的压力，设上腔密封冷却水压为P，密封块与主轴密封水的作用面积为s，则压力大小为PXS，方向向下;二是密封体的重力G，方向向下：三是进入密封块与抗磨板之间的水膜对密封体的向上的作用力，设该作用力大小为F;四是密封体与密封腔之间的静摩擦力，设为f，方向与其运动方向或运动趋势方向相反。
冷却水压作用于密封块下端面，在一定压力作用下，推动密封体向上移动;密封体均匀密布细小孔口联通密封体上下表面，清洁密封水经细小孔口进入上部端面，形成工作水膜。调整密封水压大小，水膜厚度相应减少或者增加，以适应发电机不同工况要求的止水效果。不管是立式浮动密封还是水压端面密封，都在上述四个力的作用下达到平衡并形成稳定的工作水膜，由于力的方向不同，对于水压端面密封PXS=G+F土f，而对于立式浮动密封则有PXS+G=F土f.由该式不难看出，密封块自重成为工作稳定量，会减少因为机组负荷突变或者密封水压力不稳定而造成的水膜的不稳定.由于立式浮动密封块的自重作用与密封工作水压反方向，而水压端面密封块自重与工作水压反方向，因此同样的工况下，立式浮动密封需要的水压更低，且立式浮动密封相较于水压端面密封更加稳定可靠，并且立式浮动密封体与密封腔的静摩擦力小于水压端面密封块与密封腔的静摩擦力f，从而减少了摩擦热量，延长了密封使用寿命。
2.2主轴密封运行工况分析
密封块材质不适应水轮发电机组多种工况，容易造成上水过快或者形成密封块与抗磨环之间的硬摩擦而损坏密封块，严重影响机组的安全运行。在发电机组工况变化中，密封块与抗磨板之间水膜稳定，在大流量低水头电站导叶轮叶协联变化中立式浮动密封适应性较强。对于水压端面密封，当工况变化造成水膜厚度持续减小至接近冷却水内泥沙颗粒粒径时，水膜将被破坏，将加剧密封块的磨损，甚至是干摩擦，这将使密封块的磨损急剧增加。而在汛期由于黄河水泥沙含量极高，因此难免有大颗粒泥沙混入密封块抗磨环之间形成干摩擦，而水压端面密封材质为硬塑合金，在干摩擦中由于“硬碰硬”而造成局部磨粒磨损，产生发卡严重影响密封块的平衡，久而久之更会造成密封块表面坑坑洼洼，不利于形成稳定的水膜，而立式浮动密封体采用橡胶材质，具有良好的抗磨性和回弹性，密封体磨损补偿面为平面，确保了密封圈与抗磨板之间的间隙合格，适应性优于硬塑材质，稳定性也较高。 3立式浮动密封和水压端面密封的应用对比
目前，我厂新技改机组1、2、3、7、8主要使用水压端面密封，在使用过程中发现诸多问题：密封块更换周期短，一年进行一次密封更换;密封止水效果差，经常出现顶盖上水快的情况，危及水轮机的安全运行，正常情况下顶盖泵启动间隔时间约为2min造成顶盖泵启动过于频繁，降低了顶盖泵使用寿命，使用电量也相应增加;密封更换成本较高（3W～4W）;密封可靠性差，使用过程中常发现密封块磨损过于严重，对抗磨环的磨损也较严重，有时候甚至不得不更换抗磨板，过去一年内密封故障总次数为5次，在机组汛期的时候发生主轴密封故障不得不停机维修，不仅仅减少了机组发电量，还对防汛工作造成影响;密封装配精度要求高，且装配调节空间小，1号机曾出现因装配不当导致的烧瓦现象。
4、5、9采用立式浮动密封，更换周期为两年一次;在应用过程中较为稳定，过去一年内未出现密封故障;止水效果较好，正常情况下顶盖泵启动时间间隔约为10min，电能消耗较低;且密封块材质为橡胶材质，更换成本较低，经济效益好;密封磨损量较小，对抗磨板的磨损也较小;密封装配可调性好，且装配精度要求较低，密封适应性好。
4经济效益分析
相对水压端面密封，立式浮动密封的经济效益更好，以4号机和3号机为例：
4.1立式浮动密封更换成本较低
水压端面密封的密封块和转动环都为易损件，密封块更换周期为1～2个/年，转动环更换周期为3～4年，更换成本约为4W元/年，而立式浮动密封易磨件橡胶，更换周期为2年，平均更换成本为2K元/年，并且缩短了机组检修工期。
4.2减少顶盖泵用电量
3号机采用水压端面密封，每年顶盖泵消耗电量约为6000kW·h，4号机采用立式浮动密封，每年顶盖泵消耗电量约为1000kW·h，按每度电0.46元计算，立式浮动密封可节约的电量为2K元/年。而且流入顶盖淤泥较少，也延长了顶盖泵的使用寿命。
4.3减少了机组的故障率
汛期电站机组多在高负荷运行工况，由于水压端面密封机组故障率较高，机组不得不停机检修，检修时间一般为3d，以3号机为例，这期间造成少发电量约为72kW·h，也就是說，按照往年的实际运行情况，利用立式浮动密封可以节约费用为大约33万/年。
综上所述，利用立式浮动密封比利用水压端面密封要节约37万/年。经济效益显而易见。
5对于主轴密封现状的改进意见
通过对比不难发现，立式浮动密封更适合我厂泥沙含量大的特点，且由于立式浮动密封与水压端面结构相似，安装空间相仿，因此可以将水压端面密封更换为立式浮动密封。
6结束语
较之水压端面密封采用的硬塑材料，立式浮动采用的橡胶材质更富有弹性，工作时止漏水的性能较好，而且不容易发卡，抗磨性能好，可以适应泥沙含量较大的工况。并且橡胶密封设计磨损量可以改进加大，延长密封圈的使用寿命，另外立式浮动密封具有结构合理、占用空间少、设计科学、安装方便、成本低等特点，结合青铜峡水电厂密封的使用情况，立式浮动密封可以广泛应用于多泥沙电站。
参考文献
[1]白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1990.
[2]王伟.响洪甸蓄能电站主轴密封改造分析[J].东方电气评论，2004（9）：59.
[3]秦岩平.葛洲坝电站水轮机主轴密封改造及运行情况分析[J].水电与新能源，2014（9）：77-78.