掛治電廠轉(zhuǎn)輪槳葉密封優(yōu)化改造

葉江寧，李 偉

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004）

0 引言

掛治水電廠位于沅水干流上游河段的清水江中下游，壩址距貴州錦屏縣城7 km，是沅水梯級(jí)規(guī)劃的第三級(jí)，工程以發(fā)電為主，兼有改善航運(yùn)條件等綜合利用效益。電廠為低水頭河床式電站，是三板溪電站的反調(diào)節(jié)電站，具有日調(diào)節(jié)性能?？傃b機(jī)容量150 MW，安裝3臺(tái)單機(jī)容量50 MW的軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，電站保證出力42.5 MW，多年平均發(fā)電量4.021億kW·h。

電廠水輪機(jī)型號(hào)為：ZZ(ZK52)-LH-580，轉(zhuǎn)輪直徑：5.8 m；額定轉(zhuǎn)速：115.4 r/min；額定流量：270.4 m3/s；水頭 Hmax/Hr/Hmin：5.29/20.70/12.90 m；最大飛逸轉(zhuǎn)速315 r/min；最大水頭發(fā)額定出力時(shí)，軸向最大推力6 550 kN。

每臺(tái)機(jī)轉(zhuǎn)輪安裝有5只活動(dòng)葉片，輪轂體內(nèi)部約有透平油2 280 L。檢修人員長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)，在水輪機(jī)運(yùn)行的各種工況中，若出現(xiàn)輪轂油壓小于外部水壓的情況，水份很容易透過(guò)槳葉密封唇邊邊緣進(jìn)入輪轂內(nèi)，使輪轂用油混入水份發(fā)生劣化，影響設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行（電廠2009年度機(jī)組檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)輪轂內(nèi)進(jìn)水約100 L）。針對(duì)上述情況電廠對(duì)槳葉密封結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化改造，以達(dá)到消除設(shè)備隱患，確保設(shè)備安全運(yùn)行的目的。

圖1

1 原槳葉密封結(jié)構(gòu)及材質(zhì)分析

掛治電廠原槳葉密封為單向多層“V”型密封結(jié)構(gòu)，橡膠材質(zhì)。其密封原理是利用溝槽徑向尺寸與密封件尺寸的差異，用壓縮的柱型彈簧頂起密封支座產(chǎn)生預(yù)緊壓力，使得密封唇邊在密封面上獲得一定的接觸壓力，形成對(duì)介質(zhì)的密封。如圖1所示，密封件由四層單向“V”型橡膠密封圈（圖1中件3）組成，這種葉片密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在頂起支座后面裝有100個(gè)圓柱彈簧（圖1中件6），利用頂起支座使“V”型密封圈唇邊貼緊葉片法蘭和輪轂體填料腔，由于密封圈的“V”型開口朝向輪轂內(nèi)側(cè)，若輪轂內(nèi)的油壓大于外部水壓，即可防止外部水份滲入，但從掛治電廠實(shí)際使用的效果上來(lái)看，密封油的一側(cè)密封效果良好，無(wú)泄漏情況，但密封水的一側(cè)則出現(xiàn)了滲漏，導(dǎo)致輪轂內(nèi)進(jìn)水油質(zhì)劣化。從密封結(jié)構(gòu)上分析，單向“V”型結(jié)構(gòu)只能確保一個(gè)方向的密封效果，另外一側(cè)在機(jī)組某個(gè)運(yùn)行工況下可能會(huì)形成通路發(fā)生泄漏。另外此種形式因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，共有頂緊彈簧100支，檢修裝配困難，頂起支座容易發(fā)卡。橡膠材質(zhì)槳葉密封長(zhǎng)時(shí)間使用容易老化（2012年電廠3號(hào)機(jī)組檢修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)槳葉密封有老化斷裂情況）。

2 優(yōu)化改造思路及改造情況

2.1 改造思路

（1）材質(zhì)選擇

篩選出一種摩擦系數(shù)低、耐油、耐水壽命長(zhǎng)的材料設(shè)計(jì)、制造槳葉密封。聚氨酯是一種新興的有機(jī)高分子材料，其具有防水、防蛀、防霉、防裂等特性，耐磨損、抗沖擊、減震性突出，同時(shí)易加工，被譽(yù)為“第五大塑料”。

新型PU-聚醚型聚氨酯，其整體綜合性能優(yōu)越。此材料耐磨性能是丁腈橡膠的50倍，耐油性能和聚硫橡膠相當(dāng)比丁晴橡膠還要好，此材料還有很高的強(qiáng)度，在與橡膠硬度相同的情況下，其拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度均比丁晴橡膠高出很多，在與塑料硬度相同的情況下，其彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均比塑料高。

因其符合槳葉密封所需材料的所有性能要求，故使用特殊耐磨、耐油、耐水解超高硬度的進(jìn)口聚醚型聚氨酯PU作為新型密封的所有部件材質(zhì)。

為保證密封的耐久性，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，所試驗(yàn)材料確保達(dá)到的性能指標(biāo)：硬度95±2；密度1.2 g/cm3；彈性模量≥11 N/mm2；抗拉強(qiáng)度≥45 N/mm2；斷裂強(qiáng)度≥280 %；彈性回復(fù)率43 %；撕裂強(qiáng)度≥40 N/mm；磨耗25 mm；工作溫度-30～+110℃；在航空汽油（25℃）浸24 h重量增加不大于10%～15%。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為保證槳葉密封實(shí)現(xiàn)雙向密封，將密封結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)為雙向V型結(jié)構(gòu)。由于安裝密封件的空間尺寸受到原結(jié)構(gòu)尺寸的限制，改造后的密封采用內(nèi)兩道、外一道V型密封的結(jié)構(gòu)，將X型密封支撐加工為帶密封作用的密封圈，這樣就形成了內(nèi)三道、外兩道V型密封的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。一般不推薦采用減薄V型密封件的厚度來(lái)增加密封件的圈數(shù)這種方法，因?yàn)樘〉腣型密封件存在自身剛度差、唇口穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，對(duì)密封效果反而不利。按照V型密封的試驗(yàn)結(jié)果看，單道密封即可達(dá)到10 MPa的耐壓強(qiáng)度，而掛治電廠槳葉密封的耐壓需求不超過(guò)1 MPa，安全裕度有充分的保證。雙V型密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

a、V型密封具有“自密封”性。在自由狀態(tài)下V型密封的外徑比輪轂體填料腔內(nèi)徑大，密封的內(nèi)徑比槳葉法蘭外徑小，這樣裝配好就有一定量的過(guò)盈，再加上支撐環(huán)的頂推作用，即使不施加油壓力，其唇口也能封住一定壓強(qiáng)下的介質(zhì)；

b、允許有一定的偏心運(yùn)動(dòng)與偏心載荷。因?yàn)槊芊饧杂蔂顟B(tài)下就有一定的過(guò)盈量，只要是在生產(chǎn)制造、或者是使用過(guò)程中出現(xiàn)溝槽徑向?qū)挾茸兓坎怀^(guò)預(yù)設(shè)的壓緊量時(shí)都可以保證能夠封住介質(zhì)；

c、密封元件在溝槽中受介質(zhì)壓力時(shí)能利用自身的結(jié)構(gòu)均勻圓周方向壓力。當(dāng)V組裝入溝槽中后，唇口部位有足夠的空間來(lái)變形和產(chǎn)生預(yù)緊壓力，不會(huì)干涉和影響到鄰近部分的密封變形擠壓，這樣就保證了密封能夠達(dá)到很好的效果；

d、高壓環(huán)境中可以使用多重V型圈來(lái)保證密封的可靠性；

e、能夠耐沖擊壓力和振動(dòng)。水輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存在較大的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)，這種V組結(jié)構(gòu)的耐振動(dòng)和耐沖擊壓力的特性為水輪機(jī)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行提供了保證。

圖2

2.2 改造情況

如圖2所示，新型槳葉密封采用雙向多層V型結(jié)構(gòu)：3個(gè)V型密封圈（密封1：件10、密封2：件11、密封3：件12）和一個(gè)X型密封支撐（件13）組合為雙向V型葉片密封結(jié)構(gòu)，雙向V型葉片密封的密封唇邊分別與葉片法蘭外圓接觸表面和輪轂體填料腔接觸表面壓緊。X型密封支撐的唇邊均有密封作用，因此共有兩道V型密封防止流道向轉(zhuǎn)輪體內(nèi)滲水，三道V型密封防止輪轂體漏油。

將密封壓環(huán)（圖1中件2）從內(nèi)凹型變更為外凸型（圖2中件9），以保證密封壓環(huán)頂緊密封1（圖2中件10），保證密封1唇邊與接觸面緊密貼合；簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高可靠性，將頂起支座（圖1中件5）及彈簧（圖1中件6）取消，變更為無(wú)彈簧結(jié)構(gòu)的密封支座（圖2中件14）。密封壓環(huán)和密封支座材質(zhì)與V型密封材質(zhì)一致。

為了保證其軸向力能夠傳遞至槳葉密封唇邊，將所有“V”型密封及密封壓環(huán)、密封支座頂尖削平（或V型密封底部開槽），這樣能夠使V圈之間，V圈與密封支撐之間，V圈與壓環(huán)、支座之間產(chǎn)生充足的自補(bǔ)償作用以提升密封效果。根據(jù)以上方案對(duì)各密封件進(jìn)行加工，為了確保加工精度，在密封壓環(huán)（圖2中件9）上部留3 mm加工余量，掛治電廠2號(hào)機(jī)組擴(kuò)大性大修時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了5只葉片密封安裝溝槽尺寸，確定密封機(jī)構(gòu)軸向尺寸設(shè)計(jì)值（圖2中A1），該尺寸為新的聚氨酯壓環(huán)、X型密封支撐、聚氨酯支座和V型密封圈的軸向安裝總長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將在實(shí)測(cè)前留有加工余量的5只新的聚氨酯壓環(huán)完成最終加工并安裝。

槳葉密封裝復(fù)時(shí)，保證整圈裝復(fù)而不切斷粘接，并注意防止密封翻邊的情況發(fā)生。槳葉密封安裝之前，應(yīng)確保所有與密封裝配相關(guān)的零部件光潔平整，無(wú)異常銹蝕，應(yīng)將密封溝槽內(nèi)雜物清理干凈，檢查溝槽內(nèi)應(yīng)平滑，若有明顯磨痕，需進(jìn)行處理，直至符合密封安裝要求。槳葉密封安裝時(shí)，應(yīng)注意防止密封翻邊的情況發(fā)生，在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)可以涂抹適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑脂。

葉片密封試驗(yàn)：改造后在0.5 MPa油壓時(shí)，保持16 h，在試驗(yàn)過(guò)程中每小時(shí)操作葉片全行程3次，在周圍溫度不低于5℃的情況下，16 h內(nèi)不得滲油，其它組合縫也不得滲漏油。單個(gè)葉片密封裝置在未加試驗(yàn)壓力情況下均不得漏油，個(gè)別處滲油限量應(yīng)符合GB/T 8564-2003有關(guān)規(guī)定。轉(zhuǎn)輪接力器應(yīng)動(dòng)作平穩(wěn)，開啟和關(guān)閉的最低油壓一般不大于額定工作壓力的15%。

3 應(yīng)用情況

掛治電廠2號(hào)機(jī)組槳葉密封改造后，運(yùn)行中多次抽查輪轂油油質(zhì)情況，均化驗(yàn)合格。檢修中輪轂排油檢查未發(fā)現(xiàn)進(jìn)水情況，油質(zhì)化驗(yàn)合格，未發(fā)現(xiàn)水分，槳葉密封效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輪轂內(nèi)透平油混水將直接影響其內(nèi)部部件的運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)槳葉密封優(yōu)化改造，可大幅度提高密封效果，延長(zhǎng)密封件壽命，從而消除轉(zhuǎn)輪泄露風(fēng)險(xiǎn)，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB/T 8564-2003 水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].

[2]掛治水電廠水輪機(jī)安裝作業(yè)指導(dǎo)書[Z].

[3]傅明源，孫酣經(jīng).聚氨酯彈性體及其應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.