Fe3O4質量分數對低水頭水輪機導葉套筒密封橡膠性能的影響

李正貴，程 杰，楊逢瑜,2，陳君輝，司國雷，李海明，楊世江，王得紅，孔旭勇

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Fe3O4質量分數對低水頭水輪機導葉套筒密封橡膠性能的影響

李正貴1，程 杰1，楊逢瑜1,2，陳君輝3，司國雷3，李海明3，楊世江4，王得紅4，孔旭勇4

（1. 流體與動力工程教育部重點實驗室（西華大學），成都 610039；2. 蘭州理工大學磁性物理與磁技術研究所，蘭州 730006；3. 烽火機械廠設計中心，成都 611130；4. 甘肅柴家峽水電有限公司，蘭州 730065）

Fe3O4質量分數對橡膠密封性能有著極大的影響。近年來，因低水頭水輪機導葉套筒密封材料失效而引起水或油泄漏事故層出不窮，對于在低水頭水輪機導葉套筒密封材料的研究也成為了很多研究人員所關注的焦點。因此，本文通過對不同質量分數的Fe3O4密封橡膠材料在低水頭水輪機導葉套筒應用進行理論方程分析發現：一定配比質量分數的Fe3O4密封橡膠材料相比于傳統密封材料來說，它的摩擦系數更小、抗磨損性能更強。最后，將幾種不同質量分數的Fe3O4密封橡膠材料在水電站進行實際應用，20%質量分數的Fe3O4密封橡膠材料使得低水頭水輪機導葉套筒的泄漏量相比于對照組顯著減少，水輪機的密封性能得到極大的提高。

低水頭水輪機；導葉套筒；理論方程；Fe3O4質量分數；密封和泄漏；應用效果

0 前言

亞太地區水電市場分額占據世界水電市場的70.3%。根據世界水電研究報告數據可得：2015~2023年，世界水電預計裝機容量按照2.85%的增長比率，在2023年達到146.65GW。此外，世界水電資源中國位居世界第一，可開發量約為3.78億kW。所以，為了使得水電可以得到安全可持續的發展，國內外相關人員對水力機械進行了充分的研究。例如余曉東[1]等人對聯合運行水電站水力機械系統小波動穩定性進行了研究，在研究中成功的推導出了聯合運行條件下的系統等效慣性時間常數、總出力變化以及機組控制方程，再根據工程實際運行環境，建立了水力機械小波動穩定理論分析模型和過渡時域[2-4]仿真模型，為計算機水電站模擬[5-7]提供了更加科學的方法。此外，耿聃[8]等相關人員對水力脈動與水電站機組及廠房結構的影響進行了研究，在研究中細致的討論了水力振源[9]在某些工況可能同時影響機組運行和廠房結構。另外，對三種電站常見振源，水力、機械[10]和電磁[11-13]進行了研究，其中水力振源分布廣泛、作用范圍最大的進行了研究。在相關研究中劉明海[14]等研究了BaO-6Fe2O3丁腈橡膠摩擦損性能。在研究中丁腈橡膠這種新型密封材料的耐磨性能、磁性、自修復性引起水電行業的關注，并開始對丁腈橡膠在水輪機密封中進行應用性研究。但是，對于水電站機組密封處密封材料的配比成分對水電站機組運行的研究卻較少，尤其在低水頭水輪機導葉套筒中的密封，更具有研究和實際價值。

1 導葉套筒密封結構設計

低水頭水輪機導水機構結構如圖1所示，主要由導葉套筒1、外配水環2、導葉3、內配水環4、流道5、接力器6、拐臂7組成，在運行過程中，為了啟停機組、調節負荷導葉動作頻繁，流道中流體對導葉的扭矩很大，這樣對導葉套筒的密封提出很大的挑戰，經常出現漏水問題。

水輪機導葉套筒結構如圖2所示，低水頭水輪機轉輪丁腈橡膠密封裝置機構設計如圖3所示，水輪機外配水環支撐相對導葉軸頭靜止，導葉轉軸為運動部件，X型復合丁腈橡膠密封件2及O型復合丁腈橡膠密封件4分別進行軸向與進行密封，由于復合丁腈橡膠含有Fe3O4磁性粉末，在磁極3的磁力作用下，始終與密封面接觸，提高密封性能。

1-導葉套筒；2-外配水環；3-導葉；4-內配水環；5-流道；6-接力器；7-拐臂

1-導葉軸頭；2-軸頭上密封；3-軸頭下密封

1-外配水環支撐，2-X型復合丁腈橡膠密封件，3-磁極，4-O型復合丁腈橡膠密封件，5-導葉轉軸

2 導葉套筒密封原理

導葉套筒在密封過程中，密封圈裝在溝槽與被密封表面間，橡膠受力產生反作用的彈力給接觸面產生一定的初始密封壓力，構成預密封。當處于預緊密封狀態的橡膠密封件受流體壓力作用時，將被擠壓到溝槽的一側。因為流體的壓力和橡膠密封件形變、接觸面的壓力成正比。因此，當流體壓力較大時，接觸面外側的壓力就大于了內側，從而構成自緊密封[15-16]。其微觀機理是：接觸面的橡膠密封材料被壓入金屬表面形成凹陷，以此構成阻斷密封帶[17]。

式中，為密封件變化前寬度；為密封件變化后寬度；=0.8E，E為密封件的換算模量，測量可得。所以，變形的密封件每一單位周長上所占的接觸值：

密封件徑向位移到密封槽壁（壓力對面的側壁）接觸并在此位置上保持必要壓力，由公式得：

式中：0表示密封件軸向位移的必要壓力。但0需滿足：

當壓力變大到≥0時，密封件發生相對滑動，這時密封件便失效。但是密封件因位移產生了自緊密封，接觸力劇增，失密現象立即得到控制。形成自緊密封條件為：

式中，K為壓力傳遞系數[19-20]，其值約為1。

其中和非磁性密封件相比，需修訂的公式如下：

3 性能分析

按照以上結構設計與理論分析，對不同質量分數Fe3O4低水頭水輪機導葉套筒貫密封件摩擦性能進行試驗，用UTM摩擦磨損試驗機進行試驗。實驗設備自帶的UTM Test Viewer軟件控制系統，試驗界面如圖4所示。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示為4種質量分數的Fe3O4密封件試樣。不同組分表示在丁腈橡膠中磁性粒子的質量分數比，不同成分的丁腈橡膠平均摩擦系數不同，具體數據見表1。實驗中摩擦力隨時間的變化規律由圖5中所示。

表1 平均摩擦力

從表1中可以看出，對于橡膠，平均摩擦系數隨著不同組分的磁性粒子比例而有不同的變化。其摩擦系數變化還與磁粉的添加量與種類有關。當加入磁粉后磁性橡膠的硬度便增加，因而導致磁性橡膠的粘著摩擦和滯后摩擦（橡膠變形和分子鍵斷裂）下降，可是加入磁粉后磁性橡膠又具有了磁性，從而產生了磁性力，使得摩擦力又減小，但是由于添加的磁粉量少，所以磁性較小，因此硬度改變對摩擦系數的影響遠遠大于磁性對摩擦系數的影響，總體對外表現為摩擦系數下降。故結合低水頭水輪機導葉套筒實際密封工況與運行條件，選擇20%質量分數的Fe3O4橡膠比較理想。

4 應用效果

將20%質量分數的Fe3O4橡膠用于低水頭水輪機導葉套筒的設計中，并在水電站進行運行檢測。數據見表2。在實際運行中發現，用20%質量分數的Fe3O4橡膠作為密封裝置時，密封件的磨損度和泄漏量得到了極大地減少。

表2 丁腈橡膠與常規橡膠密封試驗

因此，由實驗數據可知，將20%質量分數的Fe3O4用于低水頭水輪機導葉套筒時，其密封效果十分顯著。由此體現了對水輪機密封件結構配比的研究的必要性，以及其未來的巨大潛力。

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Effect of Fe3O4Quality Fraction on the Rubber Properties of the Guide Vane Sleeve of Low Water Turbine

LI Zhenggui1, CHENG Jie1, YANG Fengyu1,2, CHEN Junhui3, SI Guolei3,LI Haiming3, YANG Shijiang4, WANG Dehong4, KONG Xuyong4

(1. Key Laboratory of Fluid And Power Engineering, Ministry of education(Xihua University), Chengdu 610039, China; 2. Research Institute of Magnetic Physics and Magnetic Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 3. Research and Development Center Fenghuo Machinery Factory, Chengdu 611130, China; 4. Gansu Chaijiaxia Hydropower Company Limited, Lanzhou 730065, China)

Fe3O4mass fraction has a great impact on rubber sealing performance. In recent years, due to the low water head water turbine guide vane sleeve sealing material failure caused by water or oil spill emerge in endlessly, in the low water head water turbine guide vane sleeve sealing materials research has become the focus of attention by many researchers. Therefore, this article through to the different quality of Fe3O4rubber sealing material applied in low water head water turbine guide vane sleeve theory equation analysis found that a certain proportion of the mass fraction of Fe3O4seal rubber materials compared with the traditional sealing material, its smaller friction coefficient, wear resistance stronger. Finally, the several different mass fraction of Fe3O4rubber sealing material for practical application in hydro power station, a certain proportion of the mass fraction of Fe3O4rubber sealing material made of low water head water turbine guide vane sleeve leakage significantly reduced compared with control group, the turbine sealing performance is greatly improved.

low head water turbine; guide vane sleeve; theoretical equations; Fe3O4quality score; sealing and leakage; application effect

TK730.5

A

1000-3983(2017)05-0058-05

四川省教育廳自然科學重大培育項目（17CZ0034）；西華大學流體及動力工程教育部重點實驗室開放基金（szjj2017087）；西華大學自然基金（Z1510416）

2016-10-27

李正貴（1974-），1999年畢業于甘肅工業大學，教授，現從事水力機械流動機理方面的研究。國際小水電中心工程技術專家、中國水力發電工程學會貫流式水輪機專委會委員、中國空氣動力學會風工程和工業空氣動力學專業委員會委員。