高水頭蓄能機組導葉下軸套密封研究

楊小龍

（中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510630）

高水頭蓄能機組導葉下軸套密封研究

楊小龍

（中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510630）

國內多個蓄能水電廠導葉下軸套密封在機組投產初期存在頻繁漏水問題，本文總結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組的導葉下軸套密封為例，根據其結構特點分析了改造前導葉下軸套密封存在的問題及原因。然后針對性地提出了新密封的工作和設計要求，研究了新密封的材料選擇、尺寸和形式設計的依據和方法，最終確定了符合要求的軸套密封新材料及創新結構設計。改造后的軸套新密封，工作可靠，運行效果良好。導葉下軸套密封的研究及成功改造對水電廠的設計和運維也有重要借鑒意義。

高水頭蓄能機組；導葉；軸套；密封；聚氨酯

0 引言

某高水頭蓄能機組單機容量300MW，額定水頭517m，水輪機型式為立軸、單級、混流、可逆式、可調導水機構，額定轉速為500r/min，為轉輪中拆的懸式機組。

水輪機導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行條件比常規水電站更苛刻，出現問題的可能性更大。

導葉下軸套密封損壞和漏水，不僅造成廠房大量積水，引起水輪機部件的銹蝕，若時間過長也可能造成導葉表面磨蝕和導葉下軸套損壞，甚至導致導葉開關困難，影響水輪機效率。對下軸套可拆卸的機組，小修需要頻繁更換密封，增加了檢修工作量和檢修維護，拖長檢修停機時間。對一些底環埋設的中拆或上拆式機組，因為下軸套密封損壞產生的大量漏水，可能會導致機組不得不提前大修來進行密封的更換、改造。

1 導水機構、底環及下軸套的結構特點

導水機構是水輪機流量調節機構。該蓄能機組導水機構為單導葉接力器導水機構，共有20個導葉，沒有控制環，每個導葉可以獨立操作；頂蓋可拆卸，但底環埋設于混凝土并與尾水椎管焊接而不可拆卸。

每個導葉有上、中、下三個軸套和一個止推軸承。導葉上軸套和止推軸承在頂蓋上環面，不與水接觸。導葉中軸套位于頂蓋下環面，導葉下軸套位于底環上環面。導葉軸套結構均為鋼坯中冷套ORKOT非金屬聚合物自潤滑材料后加工成型。

由于底環是不可拆卸的埋設部件，為了方便檢修導葉下軸套和排出導葉下軸套的漏水，特別在底環下部設計了環形檢修進人通道。如果導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人通道直接進入底環進人廊道進行檢修。這樣設計避免了因導葉下軸套檢修而需要拆卸頂蓋即相當于水輪機大修的過程。這也是該電廠獨特的創新設計。

導葉下軸承分布在底環上部外環的軸孔內，裝套在導葉下軸頸處，承擔導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葉下軸承漏水，這樣也可以消除導葉所受的向上水推力。

導葉下軸套（其剖面見圖1）相關尺寸參數如下：

（1）底環導葉下軸套安裝孔中心圓直徑4508mm。

（2）底環導葉下軸套安裝孔直徑359mm。

（3）導葉下軸套內徑290mm。

（4）導葉下軸套高度250mm。

圖1 導葉下軸套剖面圖Fig.1 The section plan of lower bushin g

2 導葉下軸套密封簡介

在導葉下軸承上部內側與導葉過渡面之間和下部內側與導葉末端軸頸之間分別安裝一道開口朝上的唇形密封。

導葉下軸套上部進口的唇形密封圈主要起防沙作用以免水中的沙粒進入而磨損自潤滑軸套。下軸套支座上部外側有溝槽和φ5小孔連通軸套內部和轉輪室，以給導葉軸套提供潤滑水。

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 導葉下軸套密封工作條件

導葉下軸套密封工作在可以轉動的導葉四周，在機組運行和靜止時都要起到封水作用，為動密封，也是靜密封。

導葉下軸套密封承受的來自轉輪進口的單向水壓，在停機時為機組尾水壓力，開機時為機組上游水壓，機組甩負荷時壓力更高。

密封的工作溫度基本為環境自然溫度，但機組在轉輪室進氣壓水后長時間調相工況運行會導致的水溫升高。

綜合導葉下軸套密封的工作條件如下：

（1）工作介質：為基本無沙泥的清澈干凈的水庫水。

（2）工作水壓：機組靜止時8～10bar；開機時正常45～60bar；機組甩負荷時最大不超過80bar。

（3）工作溫度：一般為5～40℃，極限工作溫度不超過70℃。

（4）密封處導葉的運動：導葉開關轉動的動作頻率一天不超過10次，開或關時間約為15s；導葉轉動線速度在φ290軸頸處約為0.0045m/s；導葉上下垂直竄動量為 0.10～0.20mm ；導葉在 0o～27o范圍往復開關，而不是360o整周旋轉運動。

4 原導葉下軸套密封存在的問題及原因分析

原導葉下軸套密封為旋轉接觸式動密封，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。

在該廠機組投產1～2年后，導葉下軸套普遍出現漏水現象。漏水來自下軸套底部軸承蓋的中心孔及其外圓四周，即密封內經和外徑兩個圓周漏水現象同時存在。

機組檢修時進入底環進人廊道，拆下漏水的下軸套密封，發現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為：密封與導葉一起旋轉，導致被撕扯而斷裂；密封出現老化現象，表面脫層；密封下部內徑處夾入導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。

總結分析原密封損壞原因有：尺寸不合適，包括內徑和外徑尺寸；材料強度低；材料抗老化性能差；材料抗擠壓性能差；密封上部開口太小；密封形式和結構不合理。

5 新導葉下軸套密封工作與設計要求

根據密封的工作條件和環境，鑒于原密封的性能差和壽命短的情況，對改進的新密封提出了以下要求：

（1）密封能夠適應機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年以內下軸套密封不能出現漏水；

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

（6）密封壽命內不能出現表面脫落和分層脫開等現象；

（7）與密封內唇口直接接觸的可轉動導葉的材料為ZG06Cr13Ni4Mo，表面加工精度0.8～1.6mm，密封材料表面摩擦系數低，不因損傷導葉表面而導致導葉被磨損；

（8）密封不能隨導葉的轉動而一起轉動，適應動靜兩種工作狀態；

（9）通過密封材料選擇或截面形狀設計避免密封因被擠壓而夾入與導葉間的縫隙。

6 導葉下軸套新密封的選型與設計

對新密封的選型與設計，須避免原密封出現的問題，在原因分析的基礎上，通過新密封的材料選擇、尺寸、形狀和結構的設計，滿足上述工作與設計要求。

首先，在密封材料選擇上，經過市場調查和參考其他電廠實例比較，分析了多個廠家的不同類型和牌號的密封。現挑選三種材料的主要性能參數比較見表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都遠遠優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質材料上。

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

聚醚聚氨酯材料各方面性能優異，但相比性能幾乎同樣優越的抗水解聚氨酯材料，其價格為后者的兩倍以上，性價比不高。因此，決定選擇優質抗水解聚氨酯為新密封材料。

相對常規密封材料，改造采用的自潤滑抗水解聚氨酯具有以下優點：

（1）抗水解性能優異，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，更強的耐磨性能，對導葉軸頸損傷小；

（3）良好的機械性能，抗撕裂能力強；

（4）抗壓性能強，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計要求，克服了原材料的弱點，可避免其出現的問題，各項性能優異。

根據下軸套處部件圖紙尺寸，得出環形密封腔的尺寸：截面寬度；密封腔的內徑，即導葉外徑為；密封腔的外徑，即軸套密封腔處的內徑；密封腔的高度為20mm。

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

密封腔內徑下部的擠出間隙即下軸承蓋與導葉軸頸間的間隙。綜合考慮導葉、下軸套和下軸承底蓋間的加工誤差與配合偏心，得出導葉四周即密封腔內徑下部的單邊擠出間隙基本為1mm左右，范圍為0.645～1.491mm，而且由于導葉與軸套偏心的存在，導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計時應充分考慮該擠出間隙。

通過設計比較和分析，導葉下軸套新密封采用由Y形結構主密封、底部內側的耐磨環和唇口O形條三部分組成的復合環形結構。新密封的尺寸為：最大外徑為322.75mm，最小內徑290.23mm，高度為19mm，密封截面靜態壓縮率為7.75%。導葉下軸套密封腔體及截面形狀見圖2。

新密封在結構和形狀上的設計特點有：

（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形密封條材料為優質丁腈橡膠。

（2）為增強抵抗擠出間隙的能力在密封底部靠導葉軸頸處設計了耐磨環，耐磨環材料為硬度更高和抗擠壓能力更強的黑色復合尼龍。這種增加耐磨環的結構及特殊的尺寸設計，在100bar水壓時，允許單邊2.5mm的擠壓間隙，完全本密封符合工作要求。

（3）采用靜態無壓力時預緊設計，不論高水壓還是低水壓，都可以實現良好的密封，也適應導葉與密封的微小形位偏心。

圖2 導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）密封唇口內圓設計獨特，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，加上其獨特的形狀，使得密封在腔體更加穩定，可以有效防止密封隨導葉一起旋轉。

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

7 新密封應用現狀

該電廠已經全部更換了8臺機組的160副導葉下軸套密封。安裝新密封的機組運行近3年時間內，新密封幾乎做到了滴水不漏，表現優異。但也發現個別導葉偶爾在開停機瞬間出現滴水現象，拆卸密封檢查完好，推測為開停機時個別導葉及軸套偏向一邊極限引起，動作后恢復正常。導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，保障了機組的安全穩定運行，也改觀了廠房的面貌。

8 結束語

中國抽水蓄能電站建設方興未艾，基本都是高水頭大容量機組，而且已經逐步過渡到國產化自主設計抽水蓄能機組階段。抽水蓄能機組運行工況復雜，導水機構工作條件苛刻，如果導葉下軸套材料不過關或未引起重視，很可能造成導葉下軸套密封損壞繼而引發大量漏水，只能重新改造和更換密封。特別是近年來新設計的抽水蓄能機組，上拆機組較多，導葉下軸套密封的損壞，將不得不面對整臺機組大修的問題，電廠停機損失巨大。

對于新設計與新投產機組，制造廠家礙于成本考慮，對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。業主單位應在招標和設計階段應明確要求廠家采用類似本文的性能優異、使用壽命長的密封材料。另外，對于中拆和上拆機組，可以考慮增加導葉下軸套的檢修方法，增加底環進人廊道；或者也可以考慮在不拆卸發電機的情況下，在水車室可以拆卸和提升頂蓋進而可以更換導葉下軸套密封的特別設計。

導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驗，可以為投運和新建的水電廠甚至電站設備和密封廠家，提供寶貴的借鑒；也可為水輪機其他密封的選型和改造提供參考思路和方法。

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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 文獻標識碼：A 學科代碼：570.35 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.021

2016-10-15

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