水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉外軸套漏水原因分析及處理

陳 虎

（湖南發(fā)展集團(tuán)股份有限公司株洲航電分公司，湖南株洲 412007）

0 引言

湖南發(fā)展集團(tuán)股份有限公司株洲航電分公司下屬的空洲電廠位于株洲縣淥口鎮(zhèn)南部8 km 處的空洲灘，電站機(jī)組于2006 年8 月全部建成投產(chǎn)，裝設(shè)5 臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量150 MW，年平均發(fā)電量為7.2 億kW·h，年利用時(shí)間4800 h。

1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)備狀態(tài)

空洲電廠機(jī)組自投運(yùn)以來，5 臺機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)16 片導(dǎo)葉外軸套處在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不同程度漏水情況，尤其在低溫季節(jié)機(jī)組開機(jī)或停機(jī)之后，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部分導(dǎo)葉外軸套處漏水較大，如1#機(jī)組7#拐臂、3#機(jī)組11#拐臂、4#機(jī)組2#拐臂。由于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)正下部有軸承回油箱、漏油箱、動力控制柜等設(shè)備設(shè)施，導(dǎo)葉外軸套的漏水直接影響其正常運(yùn)行。現(xiàn)對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉外軸套處漏水采用的是接漏盆逐一相連，將漏水引流至廊道層排水溝，機(jī)組檢修期拆除導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外軸承座后更換導(dǎo)葉軸頸內(nèi)側(cè)密封環(huán)及O 形密封圈。

2 改造前漏水原因分析

空洲電廠導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)備是由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造，導(dǎo)葉軸承裝置密封改造前結(jié)構(gòu)如圖1 所示，導(dǎo)葉密封采用的為O 形圈及填料密封，O 形圈安裝在內(nèi)側(cè)密封支承架上，內(nèi)側(cè)密封支承架安裝在軸承內(nèi)側(cè)（導(dǎo)葉側(cè)）。在日常運(yùn)行時(shí)，在水流沖擊下導(dǎo)葉竄動導(dǎo)致密封環(huán)偏斜，密封環(huán)內(nèi)外側(cè)O 形密封無法有效阻止水流進(jìn)入軸套與軸承座之間的間隙，從而造成水流從外軸承座處滲出。

圖1 導(dǎo)葉軸承裝置密封改造前結(jié)構(gòu)

圖2 導(dǎo)葉軸承裝置密封改造前結(jié)構(gòu)

3 改造處理措施

3.1 對導(dǎo)葉外配水環(huán)軸頸部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造

對機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉外配水環(huán)軸頸部分機(jī)械裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造，對軸承內(nèi)側(cè)原密封重新設(shè)計(jì)，并在外側(cè)增加一道密封起二次保護(hù)作用。

（1）新設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)密封環(huán)替代原密封支承件，安裝在原密封支承件位置，在內(nèi)密封環(huán)上有兩道旋轉(zhuǎn)密封圈，內(nèi)密封環(huán)外圓與殼體之間采用O 形圈，新設(shè)計(jì)與旋轉(zhuǎn)密封圈相配的內(nèi)保護(hù)套裝在軸承內(nèi)側(cè)。同時(shí)改造軸承座及軸承，將兩者都改短，以便留出空間安裝內(nèi)密封環(huán)，滿足結(jié)構(gòu)要求。密封圈與內(nèi)保護(hù)套為動密封，內(nèi)保護(hù)套和密封圈接觸面為特殊工藝加工而成，耐磨性和密封性好。內(nèi)保護(hù)套固定在軸頸上，與導(dǎo)葉軸頸采用間隙配合，另在內(nèi)保護(hù)套和軸承間增加兩道O 形圈密封，防止水從內(nèi)保護(hù)套和軸頸間漏出。

（2）新設(shè)計(jì)的外密封環(huán)安裝在改造后的軸承座上面，起二次保護(hù)作用，在外密封環(huán)上新增一道旋轉(zhuǎn)密封圈，新設(shè)計(jì)與旋轉(zhuǎn)密封圈相配的外保護(hù)套，密封圈與外保護(hù)套為動密封，外保護(hù)套和密封圈接觸面為特殊工藝加工而成，耐磨性和密封性好。外保護(hù)套固定在軸頸上，與導(dǎo)葉軸頸采用間隙配合，另在外保護(hù)套和軸承間增加一道O 形密封圈，防止水從外保護(hù)套和軸頸間漏出，外密封環(huán)和軸承座間設(shè)計(jì)有O 形密封圈，防止水從外密封環(huán)和軸承座間漏出。

（3）在軸承座和殼體之間增加一道O 形密封圈，防止水從殼體和軸承座之間泄漏。

（4）設(shè)計(jì)的軸承內(nèi)側(cè)需新增一件隔圈，滿足結(jié)構(gòu)要求。

3.2 密封件的設(shè)計(jì)選用

（1）在無運(yùn)動副的密封面采用O 形密封圈。

（2）在運(yùn)動副密封部位設(shè)計(jì)采用徑向密封的旋轉(zhuǎn)格萊圈密封，并設(shè)置兩道密封，以提高密封效果。

O 形密封圈的特點(diǎn)：①O 形密封圈是一種截面為圓形的橡膠圈，安裝時(shí)徑向或軸向方面的初始壓縮，賦予其初始密封能力。由系統(tǒng)壓力而產(chǎn)生的密封力與初始密封力合成總的密封力，它隨系統(tǒng)壓力的提高而提高。應(yīng)用時(shí)，在相同間隙條件下，所選用的O 形圈被擠入間隙的體積應(yīng)略小于其被擠入的最大允許值，此時(shí)的密封效果最佳；②O 形圈廣泛應(yīng)用于應(yīng)用于液壓、氣壓系統(tǒng)；③適用密封形式有靜態(tài)密封、動態(tài)密封，主要用于機(jī)械部件在靜態(tài)條件下防止液體和氣體介質(zhì)的泄漏，密封介質(zhì)可為油、水、氣、化學(xué)介質(zhì)或其他混合介質(zhì)；④尺寸和溝槽都已標(biāo)準(zhǔn)化，互換性強(qiáng)；⑤根據(jù)使用環(huán)境，選擇不同材料的O 形圈，適用溫度范圍-40～+300 ℃；⑥O 形圈斷面結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，且有自密封作用，密封性能可靠。

旋轉(zhuǎn)格萊圈密封的特點(diǎn)：①格萊圈是由一個(gè)PTFE 的滑環(huán)外加一個(gè)橡膠材料的O 形圈組合而成，又叫組合密封圈。格萊圈動態(tài)表面材料是由聚四氟乙烯加青銅，可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同提供不同的填充材料。它分為孔用格萊圈和軸用格萊圈，但其密封作用是一樣的，依靠其本身的變形對密封表面產(chǎn)生較高的初始接觸應(yīng)力，阻止無壓力液體的泄漏。改造采用軸用格萊圈；②高抗擠出能力，液壓缸工作時(shí)，壓力液體通過O 形圈的彈性變形最大限度地?cái)D壓方形密封圈，使之緊貼密封表面而產(chǎn)生較高的隨壓力液體壓力增高而增高的附加接觸應(yīng)力，并與初始接觸應(yīng)力一起共同阻止壓力液體的泄漏，即使安裝孔和軸的中心軸線有一定的角度誤差也能實(shí)現(xiàn)很好的密封；③低摩擦和高速性能出色，無粘滯現(xiàn)象，啟動時(shí)不爬行，幾乎兼容所有的液體材料（需正確選擇O 形圈材料）；④內(nèi)側(cè)的靜態(tài)O 形圈元件，具有低永久變形的特點(diǎn)；⑤節(jié)省空間的構(gòu)造與簡單的凹槽設(shè)計(jì)；⑥適用的環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域廣，可以應(yīng)用于壓力不大于60 MPa，速度不大于15 m/s，溫度為-54～+200 ℃的工況（取決于O 形圈材料）。

（3）軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈密封安裝形式如圖3 所示。

圖3 軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈密封安裝形式

4 實(shí)施方案

（1）新加工內(nèi)、外密封環(huán)1 件，其密封環(huán)材料為0Cr18Ni9。內(nèi)密封環(huán)內(nèi)側(cè)由原一道O 形密封改為二道格萊圈密封加三道O 形密封；外密封環(huán)外側(cè)設(shè)置一道格萊圈密封，下端面與關(guān)節(jié)軸承靠軸頸處放置一道O 形密封。

（2）改造原軸承座高度降低25 mm，以滿足新加工的內(nèi)、外密封環(huán)安裝空間。

（3）新訂做導(dǎo)葉關(guān)節(jié)軸承，其高度由原135 mm 降低為85 mm，內(nèi)徑和外圓保持與之前一致。

（4）新加工內(nèi)、外保護(hù)套：表面硬化處理，以提高抗磨性能，延長使用壽命；與密封接觸面作特殊工藝無縲紋磨削及表面拋光處理。

（5）按新設(shè)計(jì)裝配結(jié)構(gòu)圖使用新加工的內(nèi)外密封環(huán)、軸承座、內(nèi)外保護(hù)套、導(dǎo)葉軸承及設(shè)計(jì)的各處密封對導(dǎo)葉外軸套逐一進(jìn)行更換安裝。

（6）所有外軸套改造安裝后，對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行無水動作，檢驗(yàn)導(dǎo)葉開啟及關(guān)閉時(shí)間，確保外軸套無卡澀。

5 試運(yùn)行情況

經(jīng)過對導(dǎo)葉軸頸處結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，選用合適的O 形圈及格萊圈密封，重新回裝好軸承座及轉(zhuǎn)臂，機(jī)組充水及正常運(yùn)行時(shí)，觀察到導(dǎo)葉外軸套處已沒有漏水情況，經(jīng)半年運(yùn)行觀察導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外導(dǎo)葉外軸套處未發(fā)現(xiàn)有漏水現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

貫流式水輪機(jī)是一種臥軸式水輪機(jī)，即水流在流道內(nèi)基本上沿著水平軸向運(yùn)動，其導(dǎo)水機(jī)構(gòu)比立式機(jī)組更容易漏水，且漏水處理難度大、成本高，處理效果不理想。此次對導(dǎo)葉軸承處進(jìn)行改造，在保證設(shè)備后期安全運(yùn)行的前提下，以較低的成本有效解決了導(dǎo)葉外軸套漏水問題。這不僅為后期維護(hù)節(jié)省了大量的人力、物力，縮短機(jī)組檢修工期，同時(shí)改善了廊道層運(yùn)行環(huán)境，提升安全文明生產(chǎn)形象，為電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行及效益提升創(chuàng)造了有利條件。