水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉立面密封方式優(yōu)化

閆廣志，姜 娜，梁雪山，徐向東

(1.國網(wǎng)東北分部綠源水力發(fā)電公司檢修公司，遼寧 丹東 118000；2.丹東大東線圈工程有限公司，遼寧 丹東 118000)

0 引言

導(dǎo)葉立面密封質(zhì)量的好壞直接影響水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)的穩(wěn)定性以及是否出現(xiàn)機(jī)組自轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。針對(duì)導(dǎo)葉立面密封形式，文獻(xiàn)[1-3]提出了由單一燕尾槽膠條密封改造為橡膠條加出水邊單側(cè)不銹鋼壓板密封形式，有效解決了導(dǎo)葉立面密封問題。文獻(xiàn)[4]采用聚醚聚氨酯彈性體為原材料，設(shè)計(jì)一種“D”型密封方式，通過兩種不同形狀密封組合而成，并將薄不銹鋼條插入兩者之間，起固定作用，該種密封方式有效解決了機(jī)組蠕動(dòng)現(xiàn)象以及安裝困難問題，提高了機(jī)組穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5]利用ANSYS Workbench 軟件對(duì)中、低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，通過對(duì)導(dǎo)葉局部密封進(jìn)行修改，可以實(shí)現(xiàn)直接靠金屬接觸面研合方式進(jìn)行密封。

某電站2 號(hào)機(jī)組原導(dǎo)葉立面密封采用膠條密封，即軟密封。這種密封方式在機(jī)組投運(yùn)數(shù)年后，導(dǎo)葉密封膠條逐漸出現(xiàn)脫落、疲勞損傷、彈性降低等問題。為解決上述問題，提出由傳統(tǒng)膠條密封改造為導(dǎo)葉剛性接觸硬密封方式，從而提高導(dǎo)葉立面密封性，減少導(dǎo)葉立面間隙漏水量，降低更換密封膠條成本以及消除導(dǎo)葉立面間隙的存在導(dǎo)致的水力不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)等現(xiàn)象。

1 導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化方案

1.1 膠條密封方式缺陷

機(jī)組經(jīng)過長期運(yùn)行后，密封膠條結(jié)構(gòu)破壞。原因是導(dǎo)葉開度隨著機(jī)組出力發(fā)生變化，當(dāng)導(dǎo)葉處于關(guān)閉過程中，水流中含有雜質(zhì)(如木棒、鐵塊等)，在接力器作用下，被導(dǎo)葉夾固，致使導(dǎo)葉立面膠條彈性性能降低，嚴(yán)重情況下，膠條由彈性變?yōu)閯傂裕瑥亩a(chǎn)生導(dǎo)葉立面間隙，甚至破壞密封膠條結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉密封膠條通過壓板及固定螺栓固定于導(dǎo)葉進(jìn)水邊，固定螺栓的脫落也會(huì)造成壓板及密封膠條脫落，致使導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)。

1.2 導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化

基于上述傳統(tǒng)膠條密封方式的缺陷，在機(jī)組改造過程中，將傳統(tǒng)膠條密封方式改為導(dǎo)葉立面剛性接觸硬密封，導(dǎo)葉進(jìn)水邊與出水邊直接進(jìn)行面接觸。接觸面材質(zhì)選擇不銹鋼，進(jìn)而提高接觸面材料性能。在接力器作用下，導(dǎo)葉進(jìn)水邊與出水邊進(jìn)行剛性接觸硬密封。

1.3 導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整工藝

由于本次導(dǎo)葉立面密封形式發(fā)生改變，導(dǎo)葉在回裝過程中，第一個(gè)導(dǎo)葉的安裝角度無法確定，無任何安裝的理論依據(jù)。基于上述原因，采用傳統(tǒng)捆綁法。在導(dǎo)葉處于自由不受力狀態(tài)下，使用鋼絲繩將24 個(gè)導(dǎo)葉捆綁1.5 圈，一端固定于固定導(dǎo)葉上，另一端通過葫蘆固定在吊鉤上，拉緊鋼絲繩，關(guān)閉導(dǎo)葉。在拉緊過程中，使用銅棒先敲擊奇數(shù)導(dǎo)葉，隨后敲擊偶數(shù)導(dǎo)葉，使24 個(gè)導(dǎo)葉處于自由、靈活狀態(tài)。

導(dǎo)葉捆綁時(shí)，使用0.05 mm 塞尺測(cè)量導(dǎo)葉立面上(A—A)、中(B—B)、下（C—C）三個(gè)部位間隙，當(dāng)間隙值在0.20 mm 以下時(shí)，再次使用銅棒敲震各個(gè)導(dǎo)葉，使其消除鋼絲的余力，克服自身的彈性變形。卸載鋼絲繩外力時(shí)，監(jiān)視各立面間隙值，測(cè)量導(dǎo)葉立面間隙是否發(fā)生變化。

2 測(cè)量結(jié)果及材料性能分析

2.1 導(dǎo)葉立面間隙值分析

為確保修后導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整具有參考性，需要進(jìn)行機(jī)組修前立面間隙測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如表1 所示，機(jī)組在長期運(yùn)行后，1-2 號(hào)、22-23 號(hào)導(dǎo)葉立面中間部位間隙值為0.50 mm；3-4 號(hào)、20-21 號(hào)導(dǎo)葉立面中間部位間隙值為0.10 mm；11-12 號(hào)導(dǎo)葉立面三個(gè)部位間隙值都為1.00 mm，該處漏水量最為嚴(yán)重；23-24 號(hào)導(dǎo)葉立面下部位出現(xiàn)0.30 mm間隙。

表1 2 號(hào)機(jī)組修前導(dǎo)葉立面間隙測(cè)量值

出現(xiàn)嚴(yán)重漏水的原因有以下幾點(diǎn)。

1) 由于原立面密封方式為膠條密封，在水流沖擊力的長期作用下，密封膠條產(chǎn)生疲勞損傷，致使立面間隙增大。

2) 密封膠條背面滲入來自上游段的高壓水流，當(dāng)導(dǎo)葉開度較小時(shí)，流道較窄，壓力較低，從而形成壓差，造成脫落。

3) 由于導(dǎo)葉密封膠條固定于導(dǎo)葉上端，在固定端會(huì)產(chǎn)生空蝕，造成固定螺栓、壓板脫落，進(jìn)而致使密封膠條脫落。

4) 機(jī)組在停機(jī)過程中，由于水流中雜質(zhì)被導(dǎo)葉夾固，機(jī)組導(dǎo)葉立面間隙不為零。

導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化后，根據(jù)預(yù)裝方案，對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行回裝，無油壓狀態(tài)下，測(cè)量修后導(dǎo)葉立面間隙值如表2 所示。11-12 號(hào)、17-18 號(hào)、22-23 號(hào)導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.20 mm，長度約為80 mm；19-20 號(hào)導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.10 mm，長度約為60 mm；13-14 號(hào)導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.15 mm，長度約為60 mm；9-10 號(hào)導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.10 mm，長度約為50 mm；1-2 號(hào)導(dǎo)葉立面上部間隙值為0.15 mm，長度約為70 mm。其余導(dǎo)葉立面間隙值為零。導(dǎo)葉總高度約為760 mm，依據(jù)電廠技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，在導(dǎo)葉安裝過程中，導(dǎo)葉全關(guān)無油壓立面間隙為零，以0.05 mm塞尺檢查不能通過，局部間隙不大于0.10 mm，其長度不大于導(dǎo)葉總高度的1/4，即190 mm。根據(jù)廠家標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)葉全關(guān)無油壓立面局部間隙不大于0.20 mm，其長度不大于導(dǎo)葉總高度的1/4。測(cè)量結(jié)果表明：立面間隙最大值為0.20 mm，存在間隙部位的最大長度為80 mm，遠(yuǎn)小于190 mm，滿足廠家技術(shù)要求。在接力器油壓作用導(dǎo)葉全關(guān)狀態(tài)下，測(cè)量各個(gè)導(dǎo)葉立面間隙值為零。導(dǎo)葉由傳統(tǒng)膠條密封變換為剛性接觸硬密封后，效果優(yōu)于修前膠條接觸軟密封。

表2 2 號(hào)機(jī)組無油壓修后導(dǎo)葉立面間隙測(cè)量值

剛性接觸硬密封方式需要導(dǎo)葉加工工藝較高，必須滿足導(dǎo)葉在回裝過程中，各個(gè)導(dǎo)葉的安裝位置精準(zhǔn)，不允許發(fā)生移位、錯(cuò)位等現(xiàn)象，且立面上、中、下三個(gè)部位的間隙測(cè)量值不允許偏差較大，最大相對(duì)偏差不大于0.20 mm。

2.2 導(dǎo)葉開度分析

導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化后，在調(diào)速器開度為55 %、100 %狀態(tài)下，分別測(cè)定導(dǎo)葉開口度，需滿足導(dǎo)葉最大開度值偏差不超過最大平均開度的±3 %，才符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

在導(dǎo)葉開度為55 %時(shí)，使用卡鉗及鋼板尺依次測(cè)量導(dǎo)葉開度值，測(cè)量結(jié)果如表3 所示，最大導(dǎo)葉開度值為140 mm，最小導(dǎo)葉開度值為133 mm。導(dǎo)葉最大開度偏差值為2.96 %，滿足導(dǎo)葉最大開度值偏差不超過最大平均開度的±3 %。導(dǎo)葉全開(100 %)狀態(tài)下，設(shè)計(jì)全開值為305 mm，開口偏差不大于±2%，測(cè)量結(jié)果如表3 所示，最大導(dǎo)葉開度值為309 mm，最小導(dǎo)葉開度值為303 mm，實(shí)測(cè)最大開口偏差值為1.06 %。兩種狀態(tài)下均滿足導(dǎo)葉開度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)葉立面密封方式改造后，導(dǎo)葉開度仍滿足開度條件。

表3 2 號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度值

2.3 材料性能分析

表4 為聚四氟乙烯與不銹鋼材料的力學(xué)性能。傳統(tǒng)導(dǎo)葉立面密封方式為膠條密封，密封材料為聚四氟乙烯，該材料屈服強(qiáng)度為23 MPa，剛性接觸硬密封材料為不銹鋼，屈服強(qiáng)度為205 MPa，不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度約是聚四氟乙烯的8.9 倍。當(dāng)導(dǎo)葉進(jìn)行關(guān)閉時(shí)，導(dǎo)葉進(jìn)水邊與出水邊接觸受力增加，當(dāng)壓力值達(dá)到23 MPa 時(shí)，極易使聚四氟乙烯材料發(fā)生彈性形變后無法恢復(fù)原狀，變?yōu)樗苄圆牧希讳P鋼材料的屈服強(qiáng)度為205 MPa，與橡膠密封材料相比較，極難發(fā)生塑性變形。不銹鋼材料抗彎強(qiáng)度為520 MPa，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，即使出現(xiàn)木棍等雜質(zhì)被導(dǎo)葉夾固的情況，不銹鋼立面也極難發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象。綜上分析，剛性接觸硬密封優(yōu)于傳統(tǒng)膠條密封[6

表4 聚四氟乙烯與不銹鋼材料力學(xué)性能

]。

3 結(jié)論

通過對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉立面密封形式進(jìn)行優(yōu)化，將傳統(tǒng)膠條密封變換為剛性接觸硬密封，研究分析得出如下結(jié)論。

1) 無油壓狀態(tài)下，剛性接觸硬密封立面間隙最大值為0.20 mm，長度約為80 mm，遠(yuǎn)小于190 mm；在接力器油壓作用下，導(dǎo)葉全關(guān)，測(cè)量各個(gè)導(dǎo)葉立面間隙值為零，滿足檢修工藝技術(shù)要求。導(dǎo)葉由傳統(tǒng)膠條密封變?yōu)閯傂越佑|硬密封后，優(yōu)于修前膠條軟密封。

2) 在導(dǎo)葉開度為55 %時(shí)，使用卡鉗及鋼板尺依次測(cè)量導(dǎo)葉開度值，導(dǎo)葉最大開度值偏差為2.96 %；100 %開度時(shí)，導(dǎo)葉最大開度值偏差不超過最大平均開度的±3 %。

3) 不銹鋼材料的力學(xué)性能優(yōu)于聚四氟乙烯，其屈服強(qiáng)度是聚四氟乙烯的8.9 倍。與橡膠密封材料相比，導(dǎo)葉不銹鋼剛性接觸硬密封極難發(fā)生塑性變形，結(jié)構(gòu)不易發(fā)生破壞，可提高導(dǎo)葉立面密封性，防止機(jī)組發(fā)生自轉(zhuǎn)，保障了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。