高水头蓄能机组导叶下轴套密封研究

杨小龙

（中国南方电网调峰调频发电公司，广东省广州市 510630）

高水头蓄能机组导叶下轴套密封研究

杨小龙

（中国南方电网调峰调频发电公司，广东省广州市 510630）

国内多个蓄能水电厂导叶下轴套密封在机组投产初期存在频繁漏水问题，本文总结了该密封的研究与改造的思路与方法。本文以某高水头蓄能机组的导叶下轴套密封为例，根据其结构特点分析了改造前导叶下轴套密封存在的问题及原因。然后针对性地提出了新密封的工作和设计要求，研究了新密封的材料选择、尺寸和形式设计的依据和方法，最终确定了符合要求的轴套密封新材料及创新结构设计。改造后的轴套新密封，工作可靠，运行效果良好。导叶下轴套密封的研究及成功改造对水电厂的设计和运维也有重要借鉴意义。

高水头蓄能机组；导叶；轴套；密封；聚氨酯

0 引言

某高水头蓄能机组单机容量300MW，额定水头517m，水轮机型式为立轴、单级、混流、可逆式、可调导水机构，额定转速为500r/min，为转轮中拆的悬式机组。

水轮机导叶下轴套密封损坏和漏水问题是水电站常见而又不能得到有效解决的问题；由于抽水蓄能电站运行条件比常规水电站更苛刻，出现问题的可能性更大。

导叶下轴套密封损坏和漏水，不仅造成厂房大量积水，引起水轮机部件的锈蚀，若时间过长也可能造成导叶表面磨蚀和导叶下轴套损坏，甚至导致导叶开关困难，影响水轮机效率。对下轴套可拆卸的机组，小修需要频繁更换密封，增加了检修工作量和检修维护，拖长检修停机时间。对一些底环埋设的中拆或上拆式机组，因为下轴套密封损坏产生的大量漏水，可能会导致机组不得不提前大修来进行密封的更换、改造。

1 导水机构、底环及下轴套的结构特点

导水机构是水轮机流量调节机构。该蓄能机组导水机构为单导叶接力器导水机构，共有20个导叶，没有控制环，每个导叶可以独立操作；顶盖可拆卸，但底环埋设于混凝土并与尾水椎管焊接而不可拆卸。

每个导叶有上、中、下三个轴套和一个止推轴承。导叶上轴套和止推轴承在顶盖上环面，不与水接触。导叶中轴套位于顶盖下环面，导叶下轴套位于底环上环面。导叶轴套结构均为钢坯中冷套ORKOT非金属聚合物自润滑材料后加工成型。

由于底环是不可拆卸的埋设部件，为了方便检修导叶下轴套和排出导叶下轴套的漏水，特别在底环下部设计了环形检修进人通道。如果导叶下轴套或其密封因故障需要更换，检修人员可以从尾水门进人通道直接进入底环进人廊道进行检修。这样设计避免了因导叶下轴套检修而需要拆卸顶盖即相当于水轮机大修的过程。这也是该电厂独特的创新设计。

导叶下轴承分布在底环上部外环的轴孔内，装套在导叶下轴颈处，承担导叶下部的径向受力和限位。

在下轴套之下还有下轴承盖和止推板。带凸环的下轴套盖封闭轴套密封腔；止推板通过螺栓从下到上与底环连接，承受轴套盖传递的下轴套重量及其水压力。下轴承盖和止推板中间开孔接管以排出可能的导叶下轴承漏水，这样也可以消除导叶所受的向上水推力。

导叶下轴套（其剖面见图1）相关尺寸参数如下：

（1）底环导叶下轴套安装孔中心圆直径4508mm。

（2）底环导叶下轴套安装孔直径359mm。

（3）导叶下轴套内径290mm。

（4）导叶下轴套高度250mm。

图1 导叶下轴套剖面图Fig.1 The section plan of lower bushin g

2 导叶下轴套密封简介

在导叶下轴承上部内侧与导叶过渡面之间和下部内侧与导叶末端轴颈之间分别安装一道开口朝上的唇形密封。

导叶下轴套上部进口的唇形密封圈主要起防沙作用以免水中的沙粒进入而磨损自润滑轴套。下轴套支座上部外侧有沟槽和φ5小孔连通轴套内部和转轮室，以给导叶轴套提供润滑水。

下轴套出口的唇形密封圈，支承在下轴承盖凸环之上，起封水作用，防止下轴套漏水，即为本文所研讨的密封。

3 导叶下轴套密封工作条件

导叶下轴套密封工作在可以转动的导叶四周，在机组运行和静止时都要起到封水作用，为动密封，也是静密封。

导叶下轴套密封承受的来自转轮进口的单向水压，在停机时为机组尾水压力，开机时为机组上游水压，机组甩负荷时压力更高。

密封的工作温度基本为环境自然温度，但机组在转轮室进气压水后长时间调相工况运行会导致的水温升高。

综合导叶下轴套密封的工作条件如下：

（1）工作介质：为基本无沙泥的清澈干净的水库水。

（2）工作水压：机组静止时8～10bar；开机时正常45～60bar；机组甩负荷时最大不超过80bar。

（3）工作温度：一般为5～40℃，极限工作温度不超过70℃。

（4）密封处导叶的运动：导叶开关转动的动作频率一天不超过10次，开或关时间约为15s；导叶转动线速度在φ290轴颈处约为0.0045m/s；导叶上下垂直窜动量为 0.10～0.20mm ；导叶在 0º～27º范围往复开关，而不是360º整周旋转运动。

4 原导叶下轴套密封存在的问题及原因分析

原导叶下轴套密封为旋转接触式动密封，形式为向上开口的唇形密封，材料为丁腈橡胶NBR85和夹布丁腈橡胶。

在该厂机组投产1～2年后，导叶下轴套普遍出现漏水现象。漏水来自下轴套底部轴承盖的中心孔及其外圆四周，即密封内经和外径两个圆周漏水现象同时存在。

机组检修时进入底环进人廊道，拆下漏水的下轴套密封，发现密封存在不同程度的损坏。原丁腈橡胶和夹布橡胶密封损坏表现为：密封与导叶一起旋转，导致被撕扯而断裂；密封出现老化现象，表面脱层；密封下部内径处夹入导叶间的缝隙而被破坏；夹布橡胶带布与不带布的部分分层脱开。

总结分析原密封损坏原因有：尺寸不合适，包括内径和外径尺寸；材料强度低；材料抗老化性能差；材料抗挤压性能差；密封上部开口太小；密封形式和结构不合理。

5 新导叶下轴套密封工作与设计要求

根据密封的工作条件和环境，鉴于原密封的性能差和寿命短的情况，对改进的新密封提出了以下要求：

（1）密封能够适应机组不同工况下的水压；

（2）密封材料能够耐高温，耐温80℃以上；

（3）密封材料有良好的抗水解能力；

（4）在工作条件下的密封老化寿命在5年以上，5年以内下轴套密封不能出现漏水；

（5）密封弹性较好、形状恢复性能好，密封唇口与导叶接触良好，能适应导叶工作过程的约0.25mm左右的偏心；

（6）密封寿命内不能出现表面脱落和分层脱开等现象；

（7）与密封内唇口直接接触的可转动导叶的材料为ZG06Cr13Ni4Mo，表面加工精度0.8～1.6mm，密封材料表面摩擦系数低，不因损伤导叶表面而导致导叶被磨损；

（8）密封不能随导叶的转动而一起转动，适应动静两种工作状态；

（9）通过密封材料选择或截面形状设计避免密封因被挤压而夹入与导叶间的缝隙。

6 导叶下轴套新密封的选型与设计

对新密封的选型与设计，须避免原密封出现的问题，在原因分析的基础上，通过新密封的材料选择、尺寸、形状和结构的设计，满足上述工作与设计要求。

首先，在密封材料选择上，经过市场调查和参考其他电厂实例比较，分析了多个厂家的不同类型和牌号的密封。现挑选三种材料的主要性能参数比较见表1。

从表1比较可以看出聚醚聚氨酯和抗水解聚氨酯的各主要性能参数都远远优于目前使用的丁腈橡胶。因此，首先排除了普通丁腈橡胶类材料，另外也排除了表中未列举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两种优质材料上。

表1 三种材料的主要性能参数Tab.1 The main performance para meters of the three materials

聚醚聚氨酯材料各方面性能优异，但相比性能几乎同样优越的抗水解聚氨酯材料，其价格为后者的两倍以上，性价比不高。因此，决定选择优质抗水解聚氨酯为新密封材料。

相对常规密封材料，改造采用的自润滑抗水解聚氨酯具有以下优点：

（1）抗水解性能优异，抗老化性能好；

（2）材料中添加自润滑成分，具有更低的摩擦系数，更强的耐磨性能，对导叶轴颈损伤小；

（3）良好的机械性能，抗撕裂能力强；

（4）抗压性能强，可以承受较大的挤出间隙；

（5）具有更长的使用寿命，最低可达5年以上。

因此，该自润滑抗水解聚氨酯密封材料完全符合下轴套密封的工作条件与设计要求，克服了原材料的弱点，可避免其出现的问题，各项性能优异。

根据下轴套处部件图纸尺寸，得出环形密封腔的尺寸：截面宽度；密封腔的内径，即导叶外径为；密封腔的外径，即轴套密封腔处的内径；密封腔的高度为20mm。

但有导叶与轴套间存在0.11～0.243mm的间隙，在导叶工作过程中会造成导叶中心与轴套密封中心的不同心，而且导叶自润滑轴套本身的弹性形变约为0.15mm左右。这样，导叶轴中心与密封中心可能存在的偏心范围在0.26～0.395mm。密封尺寸设计特别是唇口设计时应考虑到该偏心。

密封腔内径下部的挤出间隙即下轴承盖与导叶轴颈间的间隙。综合考虑导叶、下轴套和下轴承底盖间的加工误差与配合偏心，得出导叶四周即密封腔内径下部的单边挤出间隙基本为1mm左右，范围为0.645～1.491mm，而且由于导叶与轴套偏心的存在，导叶四周的挤出间隙是呈椭圆变化分部。密封的选材、底部的形状与尺寸设计时应充分考虑该挤出间隙。

通过设计比较和分析，导叶下轴套新密封采用由Y形结构主密封、底部内侧的耐磨环和唇口O形条三部分组成的复合环形结构。新密封的尺寸为：最大外径为322.75mm，最小内径290.23mm，高度为19mm，密封截面静态压缩率为7.75%。导叶下轴套密封腔体及截面形状见图2。

新密封在结构和形状上的设计特点有：

（1）密封的截面形状仍为开口朝上即朝水压方向的唇形密封，并在唇口分段放入O形密封条以保证任何情况下强行胀开，解决了一般密封低水压效果差的问题。唇口O形密封条材料为优质丁腈橡胶。

（2）为增强抵抗挤出间隙的能力在密封底部靠导叶轴颈处设计了耐磨环，耐磨环材料为硬度更高和抗挤压能力更强的黑色复合尼龙。这种增加耐磨环的结构及特殊的尺寸设计，在100bar水压时，允许单边2.5mm的挤压间隙，完全本密封符合工作要求。

（3）采用静态无压力时预紧设计，不论高水压还是低水压，都可以实现良好的密封，也适应导叶与密封的微小形位偏心。

图2 导叶下轴套密封腔体及截面形状图Fig.2 The seal chamber and sectional view of guide vane lower bushing seal

（4）密封唇口内圆设计独特，接触面少，极大地降低了摩擦阻力，较少了磨耗。密封外径比腔体外径大，加上其独特的形状，使得密封在腔体更加稳定，可以有效防止密封随导叶一起旋转。

（5）密封成型采用数控车床车削加工的方法，而非传统的模具浇铸，尺寸精确可控，误差极小，产品质量高。

7 新密封应用现状

该电厂已经全部更换了8台机组的160副导叶下轴套密封。安装新密封的机组运行近3年时间内，新密封几乎做到了滴水不漏，表现优异。但也发现个别导叶偶尔在开停机瞬间出现滴水现象，拆卸密封检查完好，推测为开停机时个别导叶及轴套偏向一边极限引起，动作后恢复正常。导叶下轴套密封的改造消除了电厂的重要缺陷，减少了检修工作量，保障了机组的安全稳定运行，也改观了厂房的面貌。

8 结束语

中国抽水蓄能电站建设方兴未艾，基本都是高水头大容量机组，而且已经逐步过渡到国产化自主设计抽水蓄能机组阶段。抽水蓄能机组运行工况复杂，导水机构工作条件苛刻，如果导叶下轴套材料不过关或未引起重视，很可能造成导叶下轴套密封损坏继而引发大量漏水，只能重新改造和更换密封。特别是近年来新设计的抽水蓄能机组，上拆机组较多，导叶下轴套密封的损坏，将不得不面对整台机组大修的问题，电厂停机损失巨大。

对于新设计与新投产机组，制造厂家碍于成本考虑，对下轴套密封材料一般使用较为普通而便宜的普通橡胶类材料。业主单位应在招标和设计阶段应明确要求厂家采用类似本文的性能优异、使用寿命长的密封材料。另外，对于中拆和上拆机组，可以考虑增加导叶下轴套的检修方法，增加底环进人廊道；或者也可以考虑在不拆卸发电机的情况下，在水车室可以拆卸和提升顶盖进而可以更换导叶下轴套密封的特别设计。

导叶下轴套密封漏水作为水电厂的常见问题，本文介绍的成功改造经验，可以为投运和新建的水电厂甚至电站设备和密封厂家，提供宝贵的借鉴；也可为水轮机其他密封的选型和改造提供参考思路和方法。

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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 文献标识码：A 学科代码：570.35 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.021

2016-10-15

杨小龙（1982—），男，工程师，主要从事调峰调频电厂技术管理工作。E-mail：yxlpower@126.com