高水頭蓄能機(jī)組導(dǎo)葉下軸套密封研究

楊小龍

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510630）

高水頭蓄能機(jī)組導(dǎo)葉下軸套密封研究

楊小龍

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510630）

國內(nèi)多個(gè)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)了該密封的研究與改造的思路與方法。本文以某高水頭蓄能機(jī)組的導(dǎo)葉下軸套密封為例，根據(jù)其結(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，研究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。導(dǎo)葉下軸套密封的研究及成功改造對(duì)水電廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)維也有重要借鑒意義。

高水頭蓄能機(jī)組；導(dǎo)葉；軸套；密封；聚氨酯

0 引言

某高水頭蓄能機(jī)組單機(jī)容量300MW，額定水頭517m，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，若時(shí)間過長也可能造成導(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)。該蓄能機(jī)組導(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。這也是該電廠獨(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（其剖面見圖1）相關(guān)尺寸參數(shù)如下：

（1）底環(huán)導(dǎo)葉下軸套安裝孔中心圓直徑4508mm。

（2）底環(huán)導(dǎo)葉下軸套安裝孔直徑359mm。

（3）導(dǎo)葉下軸套內(nèi)徑290mm。

（4）導(dǎo)葉下軸套高度250mm。

圖1 導(dǎo)葉下軸套剖面圖Fig.1 The section plan of lower bushin g

2 導(dǎo)葉下軸套密封簡介

在導(dǎo)葉下軸承上部內(nèi)側(cè)與導(dǎo)葉過渡面之間和下部內(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)入而磨損自潤滑軸套。下軸套支座上部外側(cè)有溝槽和φ5小孔連通軸套內(nèi)部和轉(zhuǎn)輪室，以給導(dǎo)葉軸套提供潤滑水。

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：

（1）工作介質(zhì)：為基本無沙泥的清澈干凈的水庫水。

（2）工作水壓：機(jī)組靜止時(shí)8～10bar；開機(jī)時(shí)正常45～60bar；機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)最大不超過80bar。

（3）工作溫度：一般為5～40℃，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 0o～27o范圍往復(fù)開關(guān)，而不是360o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，材料為丁腈橡膠NBR85和夾布丁腈橡膠。

在該廠機(jī)組投產(chǎn)1～2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。原丁腈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)象，表面脫層；密封下部內(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；密封上部開口太小；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：

（1）密封能夠適應(yīng)機(jī)組不同工況下的水壓；

（2）密封材料能夠耐高溫，耐溫80℃以上；

（3）密封材料有良好的抗水解能力；

（4）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；

（5）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；

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

（7）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0.8～1.6mm，密封材料表面摩擦系數(shù)低，不因損傷導(dǎo)葉表面而導(dǎo)致導(dǎo)葉被磨損；

（8）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)；

（9）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。現(xiàn)挑選三種材料的主要性能參數(shù)比較見表1。

從表1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。

表1 三種材料的主要性能參數(shù)Tab.1 The main performance para meters of the three materials

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，改造采用的自潤滑抗水解聚氨酯具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）抗水解性能優(yōu)異，抗老化性能好；

（2）材料中添加自潤滑成分，具有更低的摩擦系數(shù)，更強(qiáng)的耐磨性能，對(duì)導(dǎo)葉軸頸損傷小；

（3）良好的機(jī)械性能，抗撕裂能力強(qiáng)；

（4）抗壓性能強(qiáng)，可以承受較大的擠出間隙；

（5）具有更長的使用壽命，最低可達(dá)5年以上。

因此，該自潤滑抗水解聚氨酯密封材料完全符合下軸套密封的工作條件與設(shè)計(jì)要求，克服了原材料的弱點(diǎn)，可避免其出現(xiàn)的問題，各項(xiàng)性能優(yōu)異。

根據(jù)下軸套處部件圖紙尺寸，得出環(huán)形密封腔的尺寸：截面寬度；密封腔的內(nèi)徑，即導(dǎo)葉外徑為；密封腔的外徑，即軸套密封腔處的內(nèi)徑；密封腔的高度為20mm。

但有導(dǎo)葉與軸套間存在0.11～0.243mm的間隙，在導(dǎo)葉工作過程中會(huì)造成導(dǎo)葉中心與軸套密封中心的不同心，而且導(dǎo)葉自潤滑軸套本身的彈性形變約為0.15mm左右。這樣，導(dǎo)葉軸中心與密封中心可能存在的偏心范圍在0.26～0.395mm。密封尺寸設(shè)計(jì)特別是唇口設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到該偏心。

密封腔內(nèi)徑下部的擠出間隙即下軸承蓋與導(dǎo)葉軸頸間的間隙。綜合考慮導(dǎo)葉、下軸套和下軸承底蓋間的加工誤差與配合偏心，得出導(dǎo)葉四周即密封腔內(nèi)徑下部的單邊擠出間隙基本為1mm左右，范圍為0.645～1.491mm，而且由于導(dǎo)葉與軸套偏心的存在，導(dǎo)葉四周的擠出間隙是呈橢圓變化分部。密封的選材、底部的形狀與尺寸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮該擠出間隙。

通過設(shè)計(jì)比較和分析，導(dǎo)葉下軸套新密封采用由Y形結(jié)構(gòu)主密封、底部內(nèi)側(cè)的耐磨環(huán)和唇口O形條三部分組成的復(fù)合環(huán)形結(jié)構(gòu)。新密封的尺寸為：最大外徑為322.75mm，最小內(nèi)徑290.23mm，高度為19mm，密封截面靜態(tài)壓縮率為7.75%。導(dǎo)葉下軸套密封腔體及截面形狀見圖2。

新密封在結(jié)構(gòu)和形狀上的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：

（1）密封的截面形狀仍為開口朝上即朝水壓方向的唇形密封，并在唇口分段放入O形密封條以保證任何情況下強(qiáng)行脹開，解決了一般密封低水壓效果差的問題。唇口O形密封條材料為優(yōu)質(zhì)丁腈橡膠。

（2）為增強(qiáng)抵抗擠出間隙的能力在密封底部靠導(dǎo)葉軸頸處設(shè)計(jì)了耐磨環(huán)，耐磨環(huán)材料為硬度更高和抗擠壓能力更強(qiáng)的黑色復(fù)合尼龍。這種增加耐磨環(huán)的結(jié)構(gòu)及特殊的尺寸設(shè)計(jì)，在100bar水壓時(shí)，允許單邊2.5mm的擠壓間隙，完全本密封符合工作要求。

（3）采用靜態(tài)無壓力時(shí)預(yù)緊設(shè)計(jì)，不論高水壓還是低水壓，都可以實(shí)現(xiàn)良好的密封，也適應(yīng)導(dǎo)葉與密封的微小形位偏心。

圖2 導(dǎo)葉下軸套密封腔體及截面形狀圖Fig.2 The seal chamber and sectional view of guide vane lower bushing seal

（4）密封唇口內(nèi)圓設(shè)計(jì)獨(dú)特，接觸面少，極大地降低了摩擦阻力，較少了磨耗。密封外徑比腔體外徑大，加上其獨(dú)特的形狀，使得密封在腔體更加穩(wěn)定，可以有效防止密封隨導(dǎo)葉一起旋轉(zhuǎn)。

（5）密封成型采用數(shù)控車床車削加工的方法，而非傳統(tǒng)的模具澆鑄，尺寸精確可控，誤差極小，產(chǎn)品質(zhì)量高。

7 新密封應(yīng)用現(xiàn)狀

該電廠已經(jīng)全部更換了8臺(tái)機(jī)組的160副導(dǎo)葉下軸套密封。安裝新密封的機(jī)組運(yùn)行近3年時(shí)間內(nèi)，新密封幾乎做到了滴水不漏，表現(xiàn)優(yōu)異。但也發(fā)現(xiàn)個(gè)別導(dǎo)葉偶爾在開停機(jī)瞬間出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，拆卸密封檢查完好，推測(cè)為開停機(jī)時(shí)個(gè)別導(dǎo)葉及軸套偏向一邊極限引起，動(dòng)作后恢復(fù)正常。導(dǎo)葉下軸套密封的改造消除了電廠的重要缺陷，減少了檢修工作量，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也改觀了廠房的面貌。

8 結(jié)束語

中國抽水蓄能電站建設(shè)方興未艾，基本都是高水頭大容量機(jī)組，而且已經(jīng)逐步過渡到國產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)抽水蓄能機(jī)組階段。抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)工作條件苛刻，如果導(dǎo)葉下軸套材料不過關(guān)或未引起重視，很可能造成導(dǎo)葉下軸套密封損壞繼而引發(fā)大量漏水，只能重新改造和更換密封。特別是近年來新設(shè)計(jì)的抽水蓄能機(jī)組，上拆機(jī)組較多，導(dǎo)葉下軸套密封的損壞，將不得不面對(duì)整臺(tái)機(jī)組大修的問題，電廠停機(jī)損失巨大。

對(duì)于新設(shè)計(jì)與新投產(chǎn)機(jī)組，制造廠家礙于成本考慮，對(duì)下軸套密封材料一般使用較為普通而便宜的普通橡膠類材料。業(yè)主單位應(yīng)在招標(biāo)和設(shè)計(jì)階段應(yīng)明確要求廠家采用類似本文的性能優(yōu)異、使用壽命長的密封材料。另外，對(duì)于中拆和上拆機(jī)組，可以考慮增加導(dǎo)葉下軸套的檢修方法，增加底環(huán)進(jìn)人廊道；或者也可以考慮在不拆卸發(fā)電機(jī)的情況下，在水車室可以拆卸和提升頂蓋進(jìn)而可以更換導(dǎo)葉下軸套密封的特別設(shè)計(jì)。

導(dǎo)葉下軸套密封漏水作為水電廠的常見問題，本文介紹的成功改造經(jīng)驗(yàn)，可以為投運(yùn)和新建的水電廠甚至電站設(shè)備和密封廠家，提供寶貴的借鑒；也可為水輪機(jī)其他密封的選型和改造提供參考思路和方法。

[1]胡棟，龍慶亮，陳俠.華東桐柏抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組球閥密封投退失靈原因分析及處理[J].水電與抽水蓄能，2015，1（4）：70-74.HU Dong，LONG Qingliang，CHEN Xia.The Working Failure Analysis and Treatment of the Seal of the Inlet Valve in East China Tobai Pumped Storage Power Co., Ltd.Unit[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（4）：70-74.

[2]杜永.水電機(jī)組工作密封燒損的分析與解決[J].水電與抽水蓄能，2015，1（4）：61-64.DU Yong.Hydroelectric Generating Work Sealed Burning Analysis and Solution[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（4）：61-64.

[3]鄭智，胡廣恒，黃坤.抽水蓄能機(jī)組進(jìn)水球閥上下游密封活動(dòng)環(huán)密封選型研究[J].水電與抽水蓄能，2016，2（4）：53-55.ZHENG Zhi，HU Guangheng，HUANG Kun.Study on Type Selection of the Sealing Moving Ring on the Spherical Valve Upstream and Downstream Seal in Pumped Storage Units[J].Hydropower and Pumped Storage，2016，2（4）：53-55.

[4]劉聰，楊紹愛，程利平，王熙.湖北白蓮河抽水蓄能電站球閥樞軸故障的分析處理[J].水電與抽水蓄能，2015，1（4）：65-69.LIU Cong，YANG Shaoai，CHENG Liping，WANG Xi.The Analysis and Treatment of Trunnion Damage in Bailianhe Pumped-storage Power Station[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（4）：65-69.

[5]高蘇杰.抽水蓄能的責(zé)任[J].水電與抽水蓄能， 2015，1（1）：1-7.Gao Sujie.The Responsibility of Pumped Storage[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（1）：1-7.

[6]姜海軍，王惠民，單鵬珠，杜晨輝，喻洋洋.抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自主化歷程與成就[J].水電與抽水蓄能，2016，2（1）：63-66.JIANG Haijun，WANG Huimin，SHAN Pengzhu，DU Chenhui，YU Yangyang.The Domestic Process and Achievement of the Computer Control Technology of Pumped Storage Power Station[J].Hydropower and Pumped Storage，2016，2（1）：63-66.

[7]黃楊梁，邵霞.自動(dòng)電壓控制在抽水蓄能電站應(yīng)用研究[J].水電與抽水蓄能，2016，2（2）：78-82.HUANG Yangliang，SHAO Xia.Automatic Voltage Control in the Application of Pumped Storage Plant[J].Hydropower and Pumped Storage，2016，2（2）：78-82.

The Study on the Lower Bushing Seal of High Water Head Pumped Storage Unit

YANG Xiaolong
（Generation Company of China Southern Power Grid Co., Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510630，China）

This paper concludes the thinking and method for the renovation of the lower bushing seal because of its frequent water leakage at the initial stage of the unit operation for some storage power station in China.At first，the paper introduces the structure characteristics of the lower bushing and its seals as an example from one of the high water head pumped storage units，and then makes an analysis for the water leakage and its cause； accordingly puts forward working and design requirements for the new seal； comprehensively confirms the new qualified materials and renovated structure and shape of the bushing seal.After the new bushing seal put into operation，it works reliably and has an excellent performance.So this study and renovation also has a significant reference for the design，operation and maintenance of hydro-power plant.

high water head pumped storage unit； distributor；guide vane ； bushing ； polyurethane

TV743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 學(xué)科代碼：570.35 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.021

2016-10-15

楊小龍（1982—），男，工程師，主要從事調(diào)峰調(diào)頻電廠技術(shù)管理工作。E-mail：yxlpower@126.com