摘　要：某蓄能水電廠導(dǎo)葉下軸套密封在機(jī)組投產(chǎn)初期存在頻繁漏水問題，本文總結(jié)了該密封成功改造的思路與方法。首先簡(jiǎn)介了水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉下軸套及其密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了改造前導(dǎo)葉下軸套密封存在的問題及原因。然后針對(duì)性地提出了新密封的工作和設(shè)計(jì)要求，闡述了新密封的材料選擇、尺寸和形式設(shè)計(jì)的依據(jù)和方法，最終確定了符合要求的軸套密封新材料及創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。改造后的軸套新密封，工作可靠，運(yùn)行效果良好。某蓄能水電廠導(dǎo)葉下軸套密封的成功改造對(duì)水電廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)維也有重要借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞：水泵；水輪機(jī)；導(dǎo)葉；軸套；密封；漏水；聚氨酯

　　0　引言

　　某蓄能水電廠共8臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量(發(fā)電工況)300MW，總裝機(jī)容量為2400MW，是世界上一次性建成的最大的抽水蓄能電站。某蓄能水電廠水輪機(jī)型式為立軸、單級(jí)、混流、可逆式、可調(diào)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，額定轉(zhuǎn)速為500r/min，為轉(zhuǎn)輪中拆的懸式機(jī)組。

　　水輪機(jī)導(dǎo)葉下軸套密封損壞和漏水問題是水電站常見而又不能得到有效解決的問題；由于抽水蓄能電站運(yùn)行條件比常規(guī)水電站更苛刻，出現(xiàn)問題的可能性更大。

　　導(dǎo)葉下軸套密封損壞和漏水，不僅造成廠房大量積水，引起水輪機(jī)部件的銹蝕，長(zhǎng)時(shí)間也可能造成導(dǎo)葉表面磨蝕和導(dǎo)葉下軸套損壞，甚至導(dǎo)致導(dǎo)葉開關(guān)困難，影響水輪機(jī)效率。對(duì)下軸套可拆卸的機(jī)組，小修需要頻繁更換密封，增加了檢修工作量和檢修維護(hù)，拖長(zhǎng)檢修停機(jī)時(shí)間。對(duì)一些底環(huán)埋設(shè)的中拆或上拆式機(jī)組，因?yàn)橄螺S套密封損壞產(chǎn)生的大量漏水，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組不得不提前大修來進(jìn)行密封的更換、改造。

　　1　導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、底環(huán)及下軸套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)?；菪钏盟啓C(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)為單導(dǎo)葉接力器導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，共有20個(gè)導(dǎo)葉，沒有控制環(huán)，每個(gè)導(dǎo)葉可以獨(dú)立操作；頂蓋可拆卸，但底環(huán)埋設(shè)于混凝土并與尾水椎管焊接而不可拆卸。

　　每個(gè)導(dǎo)葉有上、中、下三個(gè)軸套和一個(gè)止推軸承。導(dǎo)葉上軸套和止推軸承在頂蓋上環(huán)面，不與水接觸。導(dǎo)葉中軸套位于頂蓋下環(huán)面，導(dǎo)葉下軸套位于底環(huán)上環(huán)面。導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)均為鋼坯中冷套ORKOT非金屬聚合物自潤(rùn)滑材料后加工成型。

　　由于底環(huán)是不可拆卸的埋設(shè)部件，為了方便檢修導(dǎo)葉下軸套和排出導(dǎo)葉下軸套的漏水，特別在底環(huán)下部設(shè)計(jì)了環(huán)形檢修進(jìn)人通道。如果導(dǎo)葉下軸套或其密封因故障需要更換，檢修人員可以從尾水門進(jìn)人通道直接進(jìn)入底環(huán)進(jìn)人廊道進(jìn)行檢修。這樣設(shè)計(jì)避免了因?qū)~下軸套檢修而需要拆卸頂蓋即相當(dāng)于水輪機(jī)大修的過程。這也是某蓄能水電廠獨(dú)特的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

　　導(dǎo)葉下軸承分布在底環(huán)上部外環(huán)的軸孔內(nèi)，裝套在導(dǎo)葉下軸頸處，承擔(dān)導(dǎo)葉下部的徑向受力和限位。

　　在下軸套之下還有下軸承蓋和止推板。帶凸環(huán)的下軸套蓋封閉軸套密封腔；止推板通過螺栓從下到上與底環(huán)連接，承受軸套蓋傳遞的下軸套重量及其水壓力。下軸承蓋和止推板中間開孔接管以排出可能的導(dǎo)葉下軸承漏水，這樣也可以消除導(dǎo)葉所受的向上水推力。

　　導(dǎo)葉下軸套相關(guān)尺寸參數(shù)如下：

　　底環(huán)導(dǎo)葉下軸套安裝孔中心圓直徑4508mm

　　底環(huán)導(dǎo)葉下軸套安裝孔直徑359mm

　　導(dǎo)葉下軸套內(nèi)徑290mm

　　導(dǎo)葉下軸套高度250mm

圖1 惠蓄導(dǎo)葉下軸套剖面圖

　　2　導(dǎo)葉下軸套密封簡(jiǎn)介

　　在導(dǎo)葉下軸承上部?jī)?nèi)側(cè)與導(dǎo)葉過渡面之間和下部?jī)?nèi)側(cè)與導(dǎo)葉末端軸頸之間分別安裝一道開口朝上的唇形密封。

　　導(dǎo)葉下軸套上部進(jìn)口的唇形密封圈主要起防沙作用以免水中的沙粒進(jìn)入而磨損自潤(rùn)滑軸套。下軸套支座上部外側(cè)有溝槽和Ф5小孔連通軸套內(nèi)部和轉(zhuǎn)輪室，以給導(dǎo)葉軸套提供潤(rùn)滑水。

　　下軸套出口的唇形密封圈，支承在下軸承蓋凸環(huán)之上，起封水作用，防止下軸套漏水，即為本文所研討的密封。

　　3　導(dǎo)葉下軸套密封工作條件

　　導(dǎo)葉下軸套密封工作在可以轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)葉四周，在機(jī)組運(yùn)行和靜止時(shí)都要起到封水作用，為動(dòng)密封，也是靜密封。

　　導(dǎo)葉下軸套密封承受的來自轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的單向水壓，在停機(jī)時(shí)為機(jī)組尾水壓力，開機(jī)時(shí)為機(jī)組上游水壓，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)壓力更高。

　　密封的工作溫度為基本為環(huán)境自然溫度，但機(jī)組在轉(zhuǎn)輪室進(jìn)氣壓水后長(zhǎng)時(shí)間調(diào)相工況運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致的水溫升高。

　　綜合導(dǎo)葉下軸套密封的工作條件如下：

　?。?）工作介質(zhì)

　　為基本無沙泥的清澈干凈的水庫水。

　?。?）工作水壓

　　機(jī)組靜止時(shí)8bar到10bar；

　　開機(jī)時(shí)正常45bar到60bar；

　　機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)最大不超過80bar。

　?。?）工作溫度：

　　一般在5℃到40℃之間，極限工作溫度不超過70℃。

　　（4）密封處導(dǎo)葉的運(yùn)動(dòng)：

　　導(dǎo)葉開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作頻率一天不超過10次，開或關(guān)時(shí)間約為15s；

　　導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)線速度在Φ290軸頸處約為0.0045m/s；

　　導(dǎo)葉上下垂直竄動(dòng)量為0.10～0.20mm；

　　導(dǎo)葉在0°到27°范圍往復(fù)開關(guān)，而不是360°整周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　4　原導(dǎo)葉下軸套密封存在的問題及原因分析

　　原導(dǎo)葉下軸套密封為旋轉(zhuǎn)接觸式動(dòng)密封，形式為向上開口的唇形密封，材料為丁晴橡膠NBR85和夾布丁腈橡膠。

　　在某蓄能水電廠機(jī)組投產(chǎn)一到兩年后，導(dǎo)葉下軸套普遍出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。漏水來自下軸套底部軸承蓋的中心孔及其外圓四周，即密封內(nèi)經(jīng)和外徑兩個(gè)圓周漏水現(xiàn)象同時(shí)存在。

　　機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)入底環(huán)進(jìn)人廊道，拆下漏水的下軸套密封，發(fā)現(xiàn)密封存在不同程度的損壞。原丁晴橡膠和夾布橡膠密封損壞表現(xiàn)為：密封與導(dǎo)葉一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致被撕扯而斷裂；密封出現(xiàn)老化現(xiàn)場(chǎng)，表面脫層；密封下部?jī)?nèi)徑處夾入導(dǎo)葉間的縫隙而被破壞；夾布橡膠帶布與不帶布的部分分層脫開。

　　總結(jié)分析原密封損壞原因有：尺寸不合適，包括內(nèi)徑和外徑尺寸；材料強(qiáng)度低；材料抗老化性能差；材料抗擠壓性能差；密封上部開口太??；密封形式和結(jié)構(gòu)不合理。

　　5　新導(dǎo)葉下軸套密封工作與設(shè)計(jì)要求

　　根據(jù)密封的工作條件和環(huán)境，鑒于原密封的性能差和壽命短的情況，對(duì)改進(jìn)的新密封提出了以下要求：

　　密封能夠適應(yīng)機(jī)組不同工況下的水壓；

　　密封材料能夠耐高溫，耐溫80℃以上；

　　密封材料有良好的抗水解能力；

　　在工作條件下的密封老化壽命在5年以上，5年以內(nèi)下軸套密封不能出現(xiàn)漏水；

　　密封彈性較好、形狀恢復(fù)性能好，密封唇口與導(dǎo)葉接觸良好，能適應(yīng)導(dǎo)葉工作過程的約0.25mm左右的偏心；

　　密封壽命內(nèi)不能出現(xiàn)表面脫落和分層脫開等現(xiàn)象；

　　與密封內(nèi)唇口直接接觸的可轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉的材料為ZG06Cr13Ni4Mo，表面加工精度0.8～1.6微米，密封材料表面磨擦系數(shù)低，不因損傷導(dǎo)葉表面而導(dǎo)致導(dǎo)葉被磨損；

　　密封不能隨導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)而一起轉(zhuǎn)動(dòng)，適應(yīng)動(dòng)靜兩種工作狀態(tài)；

　　通過密封材料選擇或截面形狀設(shè)計(jì)避免密封因被擠壓而夾入與導(dǎo)葉間的縫隙。

　　6　導(dǎo)葉下軸套新密封的選型與設(shè)計(jì)

　　對(duì)新密封的選型與設(shè)計(jì)，須避免原密封出現(xiàn)的問題，在原因分析的基礎(chǔ)上，通過新密封的材料選擇、尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足上述工作與設(shè)計(jì)要求。

　　首先，在密封材料選擇上，經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查和參考其他電廠實(shí)例比較，分析了多個(gè)廠家的不同類型和牌號(hào)的密封?，F(xiàn)挑選三種材料的主要性能參數(shù)比較如下：

　　從上表比較可以看出聚醚聚氨酯和抗水解聚氨酯的各主要性能參數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前使用的丁腈橡膠。因此，首先排除了普通丁腈橡膠類材料，另外也排除了表中未列舉的其他普通聚氨酯材料，最后聚焦到了抗水解聚氨酯和聚醚聚氨酯兩種優(yōu)質(zhì)材料上。

　　聚醚聚氨酯材料各方面性能優(yōu)異，但相比性能幾乎同樣優(yōu)越的抗水解聚氨酯材料，其價(jià)格為后者的兩倍以上，性價(jià)比不高。因此，決定選擇優(yōu)質(zhì)抗水解聚氨酯為新密封材料。

　　相對(duì)常規(guī)密封材料，改造采用的自潤(rùn)滑抗水解聚氨酯具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　抗水解性能優(yōu)異，抗老化性能好；

　　材料中添加自潤(rùn)滑成分，具有更低的摩擦系數(shù)，更強(qiáng)的耐磨性能，對(duì)導(dǎo)葉軸頸損傷?。?/div>

大家都在看:

•   石墨密封件基本知識(shí)
•   Y型密封圈的工作原理及基本特性？
•   常用墊圈性能及材料和技術(shù)
•   什么是y型密封圈？y型密封圈知識(shí)大總結(jié)
•   常見的液壓缸用的4種密封件？