軸流轉槳式水輪機轉輪槳葉密封的改進

毛軍麗

（海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北 唐山 064300）

軸流轉槳水輪機主要應用于大中型水電站，應用水頭范圍為3～80 m，水庫上游的水通過水管從高處流入水電站，推動水輪機轉輪轉動，然后帶動發電機發電。其中，槳葉是水輪機能夠得以旋轉的主要元件之一，槳葉的轉軸一側是河水，一側是潤滑油，槳葉需要防止河水從槳葉轉軸部位進入機組內部，同時需要避免機組內部的潤滑油泄露到河水中去，槳葉密封裝置一旦失效，就會出現漏油，造成水污染。隨著對水環境要求的提高，對密封的可靠性和壽命等也提高了要求。

現有的槳葉密封裝置一般都是“λ”型密封，主要由彈簧、頂起環、密封圈和壓環等元件組成，由于該結構的密封圈比較單薄，通過彈簧來控制密封的壓緊力的方式可靠性較差，密封壽命較短。由此，為克服現有槳葉密封裝置的使用壽命較短的缺陷，對槳葉密封裝置進行了替換。

1 “λ”型密封存在的問題

如圖1 所示，“λ”型密封是一種靠彈簧彈力預緊和壓蓋壓緊力作用，使密封圈壓縮產生彈性變形，從其接觸面獲得足夠大的壓力，來起止漏作用的擠壓式橡膠動密封裝置。

圖1 “λ”型密封示意

“λ”型密封在密封槽內與轉輪體之間是沒有相對運動的，但當水輪機運行時，密封圈與槳葉的軸頸柱面之間就有了相對的低速運動，經過長時間運行摩擦，密封就會撕裂、磨損嚴重，從而引起漏油，因此要求密封圈內圓不僅密封性能好，還要有一定的潤滑條件。

轉輪葉片密封是通過密封圈的軸向壓縮量和徑向過盈量來保證密封間隙的密封，經過機組長時間的運行，在離心力作用下葉片會出現軸向位移的現象，葉片法蘭面在操作力與軸套磨損的情況下容易出現傾斜，而“λ”密封不能在彈性范圍內完全補償到實現密封所需的變形量，從而就會導致槳葉漏油。

當機組長時間運行時，彈簧也容易失效，導致頂起環受力不均，造成密封局部被超壓磨損，產生泄露。

“λ”密封圈材質是丁腈橡膠，丁腈橡膠圈容易出現老化龜裂，其抗磨損能力也較差。

2 “X+V”型雙向密封結構特點

采用“X+V”型雙向密封結構，這種轉輪葉片密封結構現在國內很多廠家已經得到推廣使用，實際運行效果很好。

如圖2 所示，X+雙V 組合密封由X 形密封環、V 形密封環和支撐環組成，此密封裝置是由X 形密封圈連接V 形密封圈， V 形密封圈連接支撐環的多圈重疊使用的密封形式，“X+V”型雙向密封具有雙向密封性能的同時使用方便，適用于水輪機槳葉部位一側需要封油、另一側需要封水，且需要長壽命和高可靠性的工況。

圖2 “X+V”型雙向密封示意

（1）翼端形狀具有自封性。V 形密封圈在自由狀態下外徑比填料腔內徑大，密封圈內徑比槳葉法蘭外徑小，因此在裝配后密封圈就有一定的變形，在支撐環的作用下，密封圈翼端發生變形，與其接觸部位產生壓力，即使在不施加壓力的情況下，對于相關介質也能密封住，因此具有“自封”作用。這樣，靠密封圈翼端的“自封性”，不靠外力壓緊，密封在不大的、均勻的正壓力下運轉，始終保持摩擦小、磨損小、損失小的狀態，密封圈使用壽命就長。

（2）此密封裝置有足夠的彈性補償量允許其有一定的偏心載荷和偏心運動。不管是在生產制造中還是在安裝使用過程中，只要在溝槽徑向寬度變化量低于預設的壓緊量的情況下，對相關介質均能保證其密封性能，這種密封具有在動態時良好的封水、封油效果。

（3）密封元件對密封槽沒有硬性干涉或擠壓。密封元件安裝在槽中時，X 形密封在槽中受力不大且均勻，V 形密封翼端會有足夠的空間變形并產生預緊壓力，對相鄰密封的變形擠壓不會產生到干涉和影響，其密封元件之間以及密封元件與相鄰構件之間也沒有干涉或擠壓的現象。通過調節壓緊力使密封元件達到最理想的使用效果，使用性能安全可靠，更加有效地防止漏油滲水。

（4）尺寸靈活。適用于不同尺寸的密封溝槽，安裝尺寸要求不高，不需更換轉輪部件，當密封圈無法沿軸向安裝時，可以將其切開來使用，切口只要交錯安裝，密封效果就不受影響，密封元件在無需拆卸水輪機葉片的情況下便可更換。

（5）在實際運行過程中水輪機的壓力脈動與振動較大，此密封裝置充足保證了其耐沖擊壓力和耐振動力的這種結構特性。

3 “X+V”型密封材料的選擇

在密封材料的選擇上，相比較之下選用了耐水解PU30 聚醚型聚氨酯進口高性能材料，其具有從橡膠到塑料的多種寶貴性能，綜合性能出眾。在高硬度下這種材料有橡膠良好的彈性和伸長率，有天然膠約3～5 倍的耐磨性，因此稱其為耐磨橡膠。其耐油性比丁腈橡膠高，與聚硫橡膠的耐油性相當。其還具有耐臭性能和優異的吸振、抗輻射和耐透氣性。在與橡膠一樣的硬度下，不管是拉伸強度還是撕裂強度都比通用橡膠要高得多。在與塑料硬度一樣的情況下，與塑料相比，其沖擊強度和彎曲強度都高于塑料。而且通過強化耐水試驗得出，聚醚型的聚氨酯彈性體在25℃常溫水中損失掉一半的拉伸強度需要50 年的時間。

4 改進情況

完成改進工作后，進行耐壓試驗，在轉輪操作架腔內注滿透平油，操作試壓工裝將壓力升至0.5 MPa，保持24 h，轉輪槳葉密封處、各法蘭結合處無漏油滲油現象。每小時操作葉片全行程開關2 次，持續操作24 h，槳葉動作靈活、平穩，轉輪槳葉密封處、各法蘭結合處均無漏油滲油現象。單個葉片密封裝置在加與未加試驗壓力情況下，槳葉開啟最小動作油壓0.28 MPa，槳葉關閉最小動作油壓0.26 MPa，試驗結果符合標準要求。機組在實際運行中，油質檢驗合格，無漏油現象，槳葉密封完好。

5 總結

綜上所述，采用“X+V”型密封，密封性能可靠，結構合理，安裝方便，使用壽命長。通過對槳葉密封的改進，不僅大幅度提升了轉輪槳葉的密封效果，同時還有效消除了轉輪漏油現象，保證了機組安全穩定地運行。