轴流转桨式水轮机转轮桨叶密封的改进

毛军丽

（海委引滦工程管理局大黑汀水库管理处，河北 唐山 064300）

轴流转桨水轮机主要应用于大中型水电站，应用水头范围为3～80 m，水库上游的水通过水管从高处流入水电站，推动水轮机转轮转动，然后带动发电机发电。其中，桨叶是水轮机能够得以旋转的主要元件之一，桨叶的转轴一侧是河水，一侧是润滑油，桨叶需要防止河水从桨叶转轴部位进入机组内部，同时需要避免机组内部的润滑油泄露到河水中去，桨叶密封装置一旦失效，就会出现漏油，造成水污染。随着对水环境要求的提高，对密封的可靠性和寿命等也提高了要求。

现有的桨叶密封装置一般都是“λ”型密封，主要由弹簧、顶起环、密封圈和压环等元件组成，由于该结构的密封圈比较单薄，通过弹簧来控制密封的压紧力的方式可靠性较差，密封寿命较短。由此，为克服现有桨叶密封装置的使用寿命较短的缺陷，对桨叶密封装置进行了替换。

1 “λ”型密封存在的问题

如图1 所示，“λ”型密封是一种靠弹簧弹力预紧和压盖压紧力作用，使密封圈压缩产生弹性变形，从其接触面获得足够大的压力，来起止漏作用的挤压式橡胶动密封装置。

图1 “λ”型密封示意

“λ”型密封在密封槽内与转轮体之间是没有相对运动的，但当水轮机运行时，密封圈与桨叶的轴颈柱面之间就有了相对的低速运动，经过长时间运行摩擦，密封就会撕裂、磨损严重，从而引起漏油，因此要求密封圈内圆不仅密封性能好，还要有一定的润滑条件。

转轮叶片密封是通过密封圈的轴向压缩量和径向过盈量来保证密封间隙的密封，经过机组长时间的运行，在离心力作用下叶片会出现轴向位移的现象，叶片法兰面在操作力与轴套磨损的情况下容易出现倾斜，而“λ”密封不能在弹性范围内完全补偿到实现密封所需的变形量，从而就会导致桨叶漏油。

当机组长时间运行时，弹簧也容易失效，导致顶起环受力不均，造成密封局部被超压磨损，产生泄露。

“λ”密封圈材质是丁腈橡胶，丁腈橡胶圈容易出现老化龟裂，其抗磨损能力也较差。

2 “X+V”型双向密封结构特点

采用“X+V”型双向密封结构，这种转轮叶片密封结构现在国内很多厂家已经得到推广使用，实际运行效果很好。

如图2 所示，X+双V 组合密封由X 形密封环、V 形密封环和支撑环组成，此密封装置是由X 形密封圈连接V 形密封圈， V 形密封圈连接支撑环的多圈重叠使用的密封形式，“X+V”型双向密封具有双向密封性能的同时使用方便，适用于水轮机桨叶部位一侧需要封油、另一侧需要封水，且需要长寿命和高可靠性的工况。

图2 “X+V”型双向密封示意

（1）翼端形状具有自封性。V 形密封圈在自由状态下外径比填料腔内径大，密封圈内径比桨叶法兰外径小，因此在装配后密封圈就有一定的变形，在支撑环的作用下，密封圈翼端发生变形，与其接触部位产生压力，即使在不施加压力的情况下，对于相关介质也能密封住，因此具有“自封”作用。这样，靠密封圈翼端的“自封性”，不靠外力压紧，密封在不大的、均匀的正压力下运转，始终保持摩擦小、磨损小、损失小的状态，密封圈使用寿命就长。

（2）此密封装置有足够的弹性补偿量允许其有一定的偏心载荷和偏心运动。不管是在生产制造中还是在安装使用过程中，只要在沟槽径向宽度变化量低于预设的压紧量的情况下，对相关介质均能保证其密封性能，这种密封具有在动态时良好的封水、封油效果。

（3）密封元件对密封槽没有硬性干涉或挤压。密封元件安装在槽中时，X 形密封在槽中受力不大且均匀，V 形密封翼端会有足够的空间变形并产生预紧压力，对相邻密封的变形挤压不会产生到干涉和影响，其密封元件之间以及密封元件与相邻构件之间也没有干涉或挤压的现象。通过调节压紧力使密封元件达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渗水。

（4）尺寸灵活。适用于不同尺寸的密封沟槽，安装尺寸要求不高，不需更换转轮部件，当密封圈无法沿轴向安装时，可以将其切开来使用，切口只要交错安装，密封效果就不受影响，密封元件在无需拆卸水轮机叶片的情况下便可更换。

（5）在实际运行过程中水轮机的压力脉动与振动较大，此密封装置充足保证了其耐冲击压力和耐振动力的这种结构特性。

3 “X+V”型密封材料的选择

在密封材料的选择上，相比较之下选用了耐水解PU30 聚醚型聚氨酯进口高性能材料，其具有从橡胶到塑料的多种宝贵性能，综合性能出众。在高硬度下这种材料有橡胶良好的弹性和伸长率，有天然胶约3～5 倍的耐磨性，因此称其为耐磨橡胶。其耐油性比丁腈橡胶高，与聚硫橡胶的耐油性相当。其还具有耐臭性能和优异的吸振、抗辐射和耐透气性。在与橡胶一样的硬度下，不管是拉伸强度还是撕裂强度都比通用橡胶要高得多。在与塑料硬度一样的情况下，与塑料相比，其冲击强度和弯曲强度都高于塑料。而且通过强化耐水试验得出，聚醚型的聚氨酯弹性体在25℃常温水中损失掉一半的拉伸强度需要50 年的时间。

4 改进情况

完成改进工作后，进行耐压试验，在转轮操作架腔内注满透平油，操作试压工装将压力升至0.5 MPa，保持24 h，转轮桨叶密封处、各法兰结合处无漏油渗油现象。每小时操作叶片全行程开关2 次，持续操作24 h，桨叶动作灵活、平稳，转轮桨叶密封处、各法兰结合处均无漏油渗油现象。单个叶片密封装置在加与未加试验压力情况下，桨叶开启最小动作油压0.28 MPa，桨叶关闭最小动作油压0.26 MPa，试验结果符合标准要求。机组在实际运行中，油质检验合格，无漏油现象，桨叶密封完好。

5 总结

综上所述，采用“X+V”型密封，密封性能可靠，结构合理，安装方便，使用寿命长。通过对桨叶密封的改进，不仅大幅度提升了转轮桨叶的密封效果，同时还有效消除了转轮漏油现象，保证了机组安全稳定地运行。