白鶴灘水電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

摘要：為使白鶴灘水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封漏水損失量最小化，并滿足其性能要求，將導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量與出力、效率、空蝕、穩(wěn)定性同等列入水輪機(jī)性能保證指標(biāo)，簡述了水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及影響導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水的主要因素，并采取了相應(yīng)減少導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量的優(yōu)化措施。研究成果可為巨型水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封設(shè)計(jì)和制造提供參考。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī);導(dǎo)水機(jī)構(gòu);密封結(jié)構(gòu);白鶴灘水電站

中圖法分類號：TV734.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.007

1 工程概述

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，為金沙江下游河段梯級的第二級水電站，上接烏東德水電站，下臨溪洛渡水電站。電站裝設(shè)16臺單機(jī)容量為1000 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，系目前世界上在建單機(jī)容量最大的水電站[1]。水輪機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造，主要參數(shù)如下：

水輪機(jī)型號 ? ?HLA118la-LJ-872

轉(zhuǎn)輪直徑 ? ?8 723 mm

最大水頭 ? ?243.1 m

額定水頭 ? ?202.0m

最小水頭 ? ?163.9m

額定轉(zhuǎn)速 ? ?107.1 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 ? ?198 r/min

額定流量 ? ?538.8 m3/s

額定功率 ? ?1015 MW

水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向 ?俯視順時針

白鶴灘電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)重要組成部分之一，主要功能是對進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的水流起到引導(dǎo)作用并形成一定的環(huán)量，以保證水輪機(jī)具有良好的水力性能。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷需要調(diào)整或在機(jī)組正常、事故停機(jī)時，通過開啟或關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)葉來改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的流量，滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證的要求。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)應(yīng)保證在導(dǎo)葉關(guān)閉時具有良好的密封性能，以保證不會因漏水量大導(dǎo)致機(jī)組蠕動，確保機(jī)組正常停機(jī)。

根據(jù)協(xié)議要求，白鶴灘電站水輪機(jī)在投入商業(yè)運(yùn)行初期，其導(dǎo)葉漏水量不大于0.85m3/s;在運(yùn)行8 000 h后，導(dǎo)葉漏水量不大于1.35 m3/s。對于百萬級巨型機(jī)組來說，如不采用可靠的密封結(jié)構(gòu)，很難達(dá)到上述規(guī)定的漏水量要求，從而難以保證漏水損失最小等水輪機(jī)性能要求。此外，漏水量大還將造成機(jī)組停機(jī)困難，或機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)下因水流作用而誤啟動，給運(yùn)行維護(hù)帶來困難，降低了機(jī)組的安全性，因此應(yīng)將白鶴灘水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量與出力、效率、空蝕、穩(wěn)定性同等地列入水輪機(jī)性能保證指標(biāo)。

2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)化

2.1 導(dǎo)葉立面密封

影響導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量的主要因素包括導(dǎo)葉立面密封、端面密封.導(dǎo)葉軸頸密封等。由于白鶴灘電站水頭較高，導(dǎo)葉的立面密封直接靠導(dǎo)葉金屬接觸面的研合封水。導(dǎo)葉的材料采用OCr13Ni5Mo不銹鋼鑄造，這種材料具有耐磨和耐腐蝕的特性?？烤庸けＷC導(dǎo)葉的封水面，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝時，局部立面間隙不超過0.1mm，在電站安裝時，立面間隙通過研磨需達(dá)到0 mm。

2.2導(dǎo)葉軸頸密封

在導(dǎo)葉軸頸通過頂蓋及底環(huán)處的軸承箱中設(shè)置導(dǎo)葉軸頸密封。白鶴灘水輪機(jī)導(dǎo)葉軸頸的密封結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)為：中軸頸設(shè)置V組和U型圈密封（見圖2（a）），V組為主密封，U型圈的作用是防止泥沙進(jìn)入軸瓦;下軸頸設(shè)置一道U型密封作為主密封（見圖2（b））。該設(shè)計(jì)參照了三峽、溪洛渡、向家壩及構(gòu)皮灘等水電站的機(jī)組結(jié)構(gòu)。從前述電站的多年運(yùn)行效果看，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的。

根據(jù)構(gòu)皮灘機(jī)組近期運(yùn)行情況反饋，導(dǎo)葉漏水量較大，造成停機(jī)困難。經(jīng)分析，構(gòu)皮灘電站漏水量大可能發(fā)生在導(dǎo)葉軸肩部位。導(dǎo)葉關(guān)閉后，水流從導(dǎo)葉高壓側(cè)進(jìn)入軸肩，沿軸肩端面與套筒的間隙通過，再從導(dǎo)葉低壓側(cè)流出（見圖3）。構(gòu)皮灘電站水頭200m，與白鶴灘電站水頭接近，為確保在白鶴灘電站不再出現(xiàn)類似情況，機(jī)組制造方對白鶴灘導(dǎo)葉軸頸密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，以減小導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水，提高機(jī)組可靠性。

參考高水頭機(jī)組導(dǎo)葉軸頸密封的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以在軸頸漏水的通道上設(shè)置密封，減少軸頸漏水。經(jīng)分析，有以下兩種改進(jìn)措施：①在軸肩外圓面設(shè)置徑向密封;②在軸肩端面設(shè)置軸向密封。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，徑向密封效果較好，但徑向密封將增加頂蓋安裝難度。考慮部件制造、結(jié)構(gòu)空間和安裝方便，確定白鶴灘電站導(dǎo)葉軸頸密封按圖4和圖5方案進(jìn)行優(yōu)化。

白鶴灘導(dǎo)葉軸頸密封結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，可減少導(dǎo)葉軸肩繞流漏水，從而減少導(dǎo)水機(jī)構(gòu)總漏水量。根據(jù)一些電站的運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)及計(jì)算分析，導(dǎo)葉關(guān)閉后，水頭較高的電站在葉軸頸部位的竄漏量較大，易造成停機(jī)困難，導(dǎo)葉樞軸遭到磨蝕損壞，故應(yīng)在軸頸漏水的通道上再增設(shè)一道密封。

導(dǎo)葉中軸頸通過頂蓋，并設(shè)置V型組合密封作為主密封。為防止泥沙進(jìn)入軸瓦，在軸瓦近水端設(shè)置擋沙0型圈;為了防止軸肩繞流漏水，在軸肩端面設(shè)置軸向密封，軸向密封的結(jié)構(gòu)為0型圈+高分子密封塊的組合，利用0型圈的彈性作用，使高分子塊與軸肩端面接觸，可減小運(yùn)行中大部分軸肩繞流漏水，降低導(dǎo)葉漏水量和減輕高壓竄流對部件的沖刷、氣蝕和磨損。

導(dǎo)葉下軸頸通過底環(huán)，并設(shè)置一道U型密封作為主密封。在導(dǎo)葉下軸肩外圓面設(shè)置一道格萊圈結(jié)構(gòu)的密封。若導(dǎo)葉密封結(jié)構(gòu)受泥沙磨損或其他原因破壞，漏水量加大時，目前采取的措施是停機(jī)后更換密封;因此，制造方對密封性能和密封質(zhì)量有較高要求。在壓力大于40 MPa，速度不低于0.5 m/s，溫度在-30℃～200℃的條件下，導(dǎo)葉密封性能穩(wěn)定且耐磨、無黏結(jié)、適應(yīng)能力強(qiáng)，可保證導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封滿足使用壽命的要求。

2.3 導(dǎo)葉端面密封

在水輪機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)水頭較低時，導(dǎo)葉端面密封采用圓型橡膠條壓人頂蓋和底環(huán)的密封槽中的密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)水頭較高時（大于40 m），采用壓板固定成型三角密封條結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)常因密封條凸起的部分被導(dǎo)葉瓣體的端面剪切而損壞，密封失效而使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量增大。當(dāng)水頭更高時（大于100 m），不宜采用三角形密封加壓板固定的密封結(jié)構(gòu)。

白鶴灘電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)端面密封采用圖6所示的組合式密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由密封壓板（外圈）①②⑤⑥、壓板（內(nèi)圈）④、彈性橡膠帶⑦、黃銅帶③和特殊螺栓⑧組成。機(jī)組運(yùn)行時，黃銅帶在彈性橡膠帶的彈力作用下，其凸肩與密封壓板和壓板以及頂蓋（或底環(huán)）上的止口貼緊，保證黃銅帶處于圖中所示位置，使過水表面平順流暢。機(jī)組停機(jī)時，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉位置，導(dǎo)葉瓣體的端面將黃銅帶（由48塊組成）壓下，凸肩貼合面上出現(xiàn)間隙，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外部的高壓水通過該間隙進(jìn)入彈性橡膠帶內(nèi)腔，在彈力和內(nèi)腔水壓力作用下，使導(dǎo)葉瓣體端面與黃銅帶之間的壓緊力大于被封水的壓力，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的端面密封。組合密封克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橡膠密封條直接和導(dǎo)葉瓣體端面擠壓造成的磨損、撕壞問題。在導(dǎo)葉關(guān)閉、開啟時，因?qū)~端面密封的黃銅帶受到水流的強(qiáng)烈沖擊和空蝕作用以及與導(dǎo)葉瓣體端面頻繁接觸的摩擦作用，對黃銅帶的選材應(yīng)十分謹(jǐn)慎。黃銅帶為銅合金材料，要求硬度高且耐腐耐蝕，以保證其正常的工作壽命大于機(jī)組的擴(kuò)大性檢修期。

3 結(jié)語

白鶴灘電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的任務(wù)，年備用停機(jī)時間較長。確保導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封的可靠性，既能減少機(jī)組停機(jī)檢修時間，又能減少導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉時漏水量，具有重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。因此，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量與水輪機(jī)的出力、效率、空蝕、穩(wěn)定性等指標(biāo)為水輪機(jī)重要性能保證指標(biāo)。本文總結(jié)了白鶴灘電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及為減少導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的漏水量而采取的結(jié)構(gòu)和制造工藝措施，可為巨型水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)密封設(shè)計(jì)和制造提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭傳科，王毅，任超，等，白鶴灘大壩中熱與低熱水泥混凝土溫控對比分析[J]水利水電快報，2018，39（8）：45-48.

（編輯：李曉瀠）

作者簡介：王鑒，男，高級工程師，主要從事水利工程項(xiàng)目管理方面工作。E-mail：wangjian@hec-china.com