水輪機(jī)主軸補氣閥漏水原因分析及處理

王環(huán)東，姚貴宇，郭 娟

（吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林省撫松縣 134500）

水輪機(jī)主軸補氣閥漏水原因分析及處理

王環(huán)東，姚貴宇，郭 娟

（吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林省撫松縣 134500）

針對水輪機(jī)主軸補氣閥漏水問題，通過改變補氣閥安裝形式、改變密封結(jié)構(gòu)等方法，避免了密封老化及離心力對補氣閥動作的影響，最終解決了補氣閥漏水缺陷，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

立式；補氣閥；離心力；硬密封

1 設(shè)備現(xiàn)狀

松江河發(fā)電廠小山水電站位于第二松花江上游，電站共裝有2臺80MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。為保證機(jī)組在不穩(wěn)定工況時，補入空氣，借以吸振及降低旋渦強度，改善機(jī)組的運行狀態(tài)，在水輪機(jī)軸法蘭裝設(shè)的4只4-DN50臥式彈簧橡膠密封補氣閥（見圖1）。由于下游雙溝水電站蓄水后，隨著尾水水位的抬高，水輪機(jī)主軸補氣閥的位置由原來的尾水水位以上，改變?yōu)楝F(xiàn)在的尾水水位以下，由于補氣閥自動補氣口密封不嚴(yán)，下游尾水從補氣閥補氣口倒流至水輪機(jī)室，造成水導(dǎo)軸承進(jìn)水、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及接力器等零部件銹蝕，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

圖1 原補氣閥結(jié)構(gòu)圖

2 存在的問題

2.1 閥體密封失效

補氣閥采用橡膠板平面密封式結(jié)構(gòu)，由于機(jī)組長時間運行，補氣動作頻繁，橡膠密封大約運行2個月即失去的密封作用。

2.2 浮筒導(dǎo)向桿卡塞

由于雜質(zhì)等原因，造成導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套卡塞，閥體開啟后無法在彈簧力的作用下閉合，導(dǎo)致尾水倒灌。

2.3 補氣定值漂移

補氣閥開啟壓力在檢修時雖進(jìn)行了精確的調(diào)整，但4只補氣閥的動作定值不同步，且存在無法開啟的問題。

3 原因分析

3.1 未能充分利用浮力增加密封的壓緊力

閥體上雖然設(shè)有浮筒，但浮筒采用臥式安裝，而浮力是垂直向上，浮力未作用在密封圈上。在停機(jī)時有可能由于密封圈壓緊力偏小導(dǎo)致漏水。

3.2 未考慮機(jī)組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用

當(dāng)機(jī)組運行時，主軸旋轉(zhuǎn)使閥體受到離心力的作用，此作用力與浮力合力會導(dǎo)致軸瓦摩力增大，極易導(dǎo)致浮筒發(fā)卡。

3.3 未充分利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強迫補氣壓力

閥體設(shè)有6-φ20補氣孔，旋轉(zhuǎn)時空氣動壓力使閥體朝開啟方向運動，如果在停機(jī)工況下，閥體在彈簧的作用下關(guān)閉力較大，易導(dǎo)致補氣時閥體無法打開，如果關(guān)閉力較小，又易使閥體密封壓力較小導(dǎo)致漏水。

3.4 橡膠密封老化

橡膠密封運行環(huán)境惡劣，加速了老化失效的時間，同時由于水內(nèi)含有雜質(zhì)，在動作過程中密封壓環(huán)將水中懸浮的泥沙等顆粒壓入橡膠板，造成橡膠板受損，影響密封效果。

4 處理方法

針對小山水電站的實際情況及原補氣閥存在的不足，從結(jié)構(gòu)、密封等方面入手，對原補氣閥進(jìn)行了重新設(shè)計改進(jìn)（見圖2）。

圖2 新補氣閥結(jié)構(gòu)圖

4.1 閥體改為立式結(jié)構(gòu)

4.1.1 立式結(jié)構(gòu)杜絕了離心力對補氣閥的影響

浮筒所受離心力為：

式中：Fcv——離心力，N；

m——浮筒質(zhì)量，m=7g；

ω——主軸旋轉(zhuǎn)角速度，ω=πn/30r/s,

n——主軸轉(zhuǎn)速，n=214.3r/min;

D——浮筒中心處直徑，D=1806mm。

Fcv=7×(π×214.3/30)2×1806/2000=3183N=324.83kg

從計算結(jié)果可以看出閥體所受離心力為324.83kg，原結(jié)構(gòu)離心力作用在閥體整個密封面上，這勢必導(dǎo)致閥體定值調(diào)整不準(zhǔn)，而新的結(jié)構(gòu)杜絕了機(jī)組旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力對補氣閥開關(guān)的影響，保證了補氣閥的正常動作。

4.1.2 立式結(jié)構(gòu)增加了補氣閥的補氣量

補氣的主要功能是使尾水管水體的固有頻率與激振頻率錯頻,從而避免由此引起的共振，目前國際上通用補氣量估算方法為：

式中：Q——補氣量，m3/min；

Qr——機(jī)組額定流量，Qr=105 m3/s。

Q=(0.08%～0.12%)×105×60=5.04～7.56 m3/min

新型補氣閥補氣量為：

式中：Vv——補氣量，m3/min；

B——進(jìn)風(fēng)口寬度，B=112mm；

H——進(jìn)風(fēng)口高度，L=154mm；

F——進(jìn)風(fēng)效率，f=50%；

n——主軸轉(zhuǎn)速，n=214.3r/min；

D——浮筒中心處直徑，D=1806mm。

Vv=10.5m3/min＞Q=5.04～ 7.56 m3/min

從計算結(jié)果來看，改造后的補氣量為原結(jié)構(gòu)補氣量的1.5～2倍左右，保證了機(jī)組運行過程中的補氣要求。

4.1.3 立式結(jié)構(gòu)使浮筒受力分布更均勻

原浮筒為徑向受力，在機(jī)組旋轉(zhuǎn)過程中密封環(huán)上、下部受力不均勻，易導(dǎo)致導(dǎo)向桿發(fā)卡閥體拒動的現(xiàn)象。改進(jìn)后的補氣閥由于垂直安裝，浮筒所受的浮力均勻分布在密封環(huán)上，杜絕了受力不均發(fā)卡現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 密封形式改進(jìn)

更改橡膠密封為金屬密封（見圖3），在密封面位置堆焊硬度較軟的紫銅，浮筒密封選用紫銅密封，其密封面采用球面結(jié)構(gòu)，并與閥座同研，其優(yōu)點是當(dāng)浮筒軸線有輕微偏差時，也可保證密封面緊密接觸，達(dá)到封水目的，且由于銅密封材料硬度大于橡膠材料，其壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠密封壽命。

圖3 密封結(jié)構(gòu)圖

5 運行效果

改進(jìn)后的補氣閥安裝后，經(jīng)過近一年的觀察，發(fā)現(xiàn)尾水倒灌問題得到了徹底的解決，機(jī)組在振動區(qū)運行時補氣閥均能正常動作，實踐證明以上的處理方法是成功的。

[1] 韋彩新,譚月燦.水輪機(jī)主軸中心孔補氣裝置的研究.大電機(jī)技術(shù)，1998.05.

[2] 唐敏，張紅偉，吳勵鳴.向家壩800MW水輪機(jī)主軸中心孔補氣系統(tǒng)設(shè)計簡介.水電站機(jī)電技術(shù)，2011.06.

王環(huán)東（1974—），男，電力高級工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)組檢修等。E-mail：whdwyh@163.com

姚貴宇（1974—），男，電力高級工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)組檢修等。E-mail：guiyu-yao@sgxy.sgcc.com.cn

郭 娟（1974—），女，館員，主要研究方向：水電站動力設(shè)備運行與檢修、科技檔案管理等。E-amil：juanguo@sgxy.sgcc.com.cn

Turbine Spindle Air Compensating Valve Leakage Reason Analysis and Processing

Wang Huandong
(Jilin SongJiangHe hydropower limited liability company,FuSong 134500,China)

In view of the water turbine spindle air compensating valve leakage problem, by changing the form of air compensating valve installation, change methods of sealing structure, avoided the sealing of air compensating valve action and the effect of aging and centrifugal force fi nally solved the air compensating valve leakage defects, to ensure the safe and stable operation of unit.

vertical; Air compensating valve; Centrifugal force;Hard seal