軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)密封失效分析

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)密封失效分析

20世紀(jì)60年代初至80年代初，中國(guó)開發(fā)的帶有浮動(dòng)葉片的傾斜蒸汽機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片密封基本上采用了“”型密封，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種密封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不拆葉片可以更換密封圈,在水質(zhì)清潔的中型機(jī)組上應(yīng)用,基本令人滿意。但隨著機(jī)組尺寸增大,屢屢出現(xiàn)漏油、漏水問題,例如長(zhǎng)湖、富春江、三門峽、葛洲壩等電站,都出現(xiàn)過嚴(yán)重漏油問題,往往又一時(shí)難以解決,造成大量經(jīng)濟(jì)損失。20世紀(jì)80年代中期開始研究新的密封結(jié)構(gòu),此后大型水輪機(jī)很少再采用“λ”型密封結(jié)構(gòu)。葛洲壩電站二江廠房的兩臺(tái)170MW和5臺(tái)125MW的水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪葉片密封均采用的是“λ”型密封裝置。這也是我國(guó)早期生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)常用的一種密封結(jié)構(gòu)。這種單層的“λ”型密封裝置用于較大型的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的合理性有待商榷。葛洲壩電站20多年來的運(yùn)行實(shí)踐表明:密封裝置性能不穩(wěn),檢修后也無(wú)法充分估計(jì)其使用壽命。因此,經(jīng)常因種種原因而導(dǎo)致密封失效,機(jī)組出現(xiàn)大量的漏油,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失,給安全穩(wěn)定的電力生產(chǎn)帶來了極大的麻煩。1型齒輪葉片密封裝置出現(xiàn)油通過葛洲壩電站20多年來的運(yùn)行觀察和檢修處理的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),認(rèn)為這種密封裝置屬于壓縮式寬型橡膠動(dòng)密封。它的密封原理是依靠頂起環(huán)的彈簧和油壓的作用,以及密封圈的斷面壓縮,使“λ”密封圈壓縮變形,從而在密封面上獲得足夠大的接觸壓力來實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)進(jìn)行密封(如圖1)。這種密封裝置用于小型水輪機(jī)獲得了很好的成功,但用于大型水輪機(jī)是不合理的。它的工作原理基本上相當(dāng)于填料密封。由于橡膠干摩擦系數(shù)大(丁晴橡膠與鋼件的摩擦系數(shù)約在1.5),作為大型填料,機(jī)組運(yùn)行后就會(huì)出現(xiàn)下列一些問題:(1)由于擔(dān)心密封效果,往往在裝配時(shí)施加大的壓緊力,造成橡膠與樞軸和轉(zhuǎn)輪體之間的干摩擦,引起密封圈的磨損、撕裂,而出現(xiàn)漏油。(2)運(yùn)行中在離心力作用下,葉片發(fā)生軸向位移,操作力和軸套磨損引起葉片法蘭面傾斜,這些都影響彈簧和密封的正常工作導(dǎo)致漏油。密封性在很大程度上依賴于制造精度和裝配經(jīng)驗(yàn)。(3)當(dāng)頂起環(huán)受周圍彈簧力不均勻時(shí),容易出現(xiàn)傾斜發(fā)卡,密封圈局部被擠壓,造成局部磨損以致撕裂漏油。(4)在大型機(jī)組中,隨著機(jī)組幾何尺寸的增大,密封斷面尺寸也隨之增大,密封圈各斷面就很難做到均勻緊密,當(dāng)葉片樞軸出現(xiàn)較大偏心位移時(shí),由于密封碗彈性儲(chǔ)備量不足,一側(cè)漏油,對(duì)側(cè)嚴(yán)重磨損。“λ”型密封裝置失效漏油的情況很普遍。葛洲壩電站在多次的檢修中積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn),早在20世紀(jì)80年代初就開始尋求改進(jìn)方案,在檢修中采取了以下綜合治理的措施:(1)加大頂起環(huán)彈簧的壓力,使其與作用在該密封圈上的水壓力相等。(2)加大頂起環(huán)與密封槽的間隙,使頂起環(huán)的內(nèi)外間隙各為1mm,保證在葉片下沉和銅套磨損后頂起環(huán)還能活動(dòng)自如。(3)加大“λ”密封圈的內(nèi)徑,由原來的直徑1846mm改為(1855+4)mm。(4)根據(jù)檢修的需要,將原整體頂起環(huán)改為3/3分瓣結(jié)構(gòu)。(5)將密封圈壓板改為上、下兩層結(jié)構(gòu),以便于檢修時(shí)現(xiàn)場(chǎng)拆裝。如此改進(jìn)和優(yōu)化后,機(jī)組運(yùn)行情況較以前有了明顯的好轉(zhuǎn),但是性能并不穩(wěn)定,尤其是檢修后質(zhì)量無(wú)法評(píng)價(jià)。有時(shí)安裝后打壓動(dòng)作試驗(yàn)情況很好,但吊裝后又出現(xiàn)漏油,因此,技術(shù)人員提出了以其它密封結(jié)構(gòu)形式來取代“λ”型轉(zhuǎn)輪葉片密封的改造方案。生產(chǎn)廠家對(duì)葛洲壩大江廠房同型號(hào)14臺(tái)125MW的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片密封裝置予以了改進(jìn),采用了復(fù)合密封圈結(jié)構(gòu)裝置(如圖2、圖3)。這樣改造后實(shí)際運(yùn)行效果較好,有效地延長(zhǎng)了機(jī)組的檢修周期,性能穩(wěn)定可靠。2“v”型葉片密封在現(xiàn)代機(jī)械制品中的應(yīng)用鑒于我國(guó)水電資源豐富,含砂河流多,需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、使用壽命長(zhǎng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片密封。針對(duì)葛洲壩二江廠房7臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),結(jié)合大江廠房機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),提出將二江廠房的2臺(tái)170MW和5臺(tái)125MW的水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪葉片“λ”型密封裝置改為自封性無(wú)維護(hù)“V”型密封。通過透明的模型裝置,對(duì)“V”型密封元件受力變形的觀測(cè)量和在〉400、700試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的密封、摩擦、磨損試驗(yàn)查明:“V”型密封元件的密封性能主要取決于幾何尺寸和形狀。良好的尺寸形狀應(yīng)能保證在制造、安裝、運(yùn)行中各種因素引起的葉片樞軸最大偏心、傾斜的情況下,有足夠的彈性補(bǔ)償和吸收,即壓縮量最小側(cè)也能保證密封,壓縮量最大側(cè)摩擦、磨損無(wú)顯著增加。它的一端形狀應(yīng)保證密封有自封性。因此,推出了如圖4所示的密封裝置。密封的使用壽命不僅取決于元件的合理的幾何形狀,還取決于材料的性能指標(biāo)。因此,圖4中的“V”型密封元件推薦采用HDJ-980高強(qiáng)度耐油、耐水、耐磨特種橡膠通過澆注加壓加熱硫化成型。我國(guó)的“λ”型密封運(yùn)行實(shí)踐表明:潛伏的故障中很大部分是因?yàn)閺椈闪Σ痪斐身斊瓠h(huán)傾斜、發(fā)卡以及變形等引起的。端面密封試驗(yàn)表明,由彈簧造成的密封工作面的單位壓力必須大于被封介質(zhì)單位壓力1～2kg/cm2才能實(shí)現(xiàn)有效密封。但“V”型密封的工作面在側(cè)壁,彈簧的壓緊力對(duì)側(cè)壁的貼緊力影響不大。我們專門進(jìn)行了改變彈簧作用力的大小直到起、取彈簧對(duì)密封性能影響的試驗(yàn)。結(jié)果查明彈簧力大小以及有無(wú),對(duì)密封性能均無(wú)明顯影響,證明彈簧可以取消。圖4所示的葉片密封裝置,通過試驗(yàn)室模型篩選,真機(jī)車間試驗(yàn)和電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及20多年的運(yùn)行考驗(yàn),證明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)制造精度裝配經(jīng)驗(yàn)要求不高,運(yùn)行可靠無(wú)需維護(hù),使用壽命長(zhǎng)(保證15a以上)。綜上所述,可知“V”型葉片密封裝置是人們?cè)谒啓C(jī)制造長(zhǎng)期生產(chǎn)活動(dòng)中,通過試驗(yàn)研究和生產(chǎn)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、提高取得的,它完全滿足了現(xiàn)代水輪機(jī)運(yùn)行要求。目前我國(guó)許多水輪機(jī)仍有“λ”型轉(zhuǎn)輪葉片密封在運(yùn)行,發(fā)生過漏油問題,普遍存在可靠性差,靠電站精心安裝,精心維護(hù)維持運(yùn)行。兩種密封裝置對(duì)比表明:(1)“λ”型密封未經(jīng)試驗(yàn)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究、篩選,僅通過制造廠車間裝配后和電站現(xiàn)場(chǎng)安裝后打壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)泄漏,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整處理,運(yùn)行中特別是大型機(jī)組,常出現(xiàn)漏油問題。“V”型密封,在國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行過密封原理的試驗(yàn)研究且有真機(jī)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),效果很好,無(wú)漏油事例。(2)兩種密封都屬雙向密封,即同時(shí)密封轉(zhuǎn)輪內(nèi)腔的油向外泄漏和防止轉(zhuǎn)輪外的水滲到轉(zhuǎn)輪體內(nèi)。但“λ”型密封為單層密封,“V”型密封為多層密封,增加了可靠性。(3)“λ”型密封為非自封性的接觸密封,其工作原理與填料密封相似,當(dāng)壓緊量過大出現(xiàn)干摩擦?xí)r,橡膠與軸頸的摩擦力可增加2～4倍,導(dǎo)致密封圈啃破撕斷、漏油。“V”型密封有自封性,與軸頸的正壓力和摩擦力小,實(shí)際應(yīng)用中從未發(fā)生扯斷現(xiàn)象。(4)“λ”型密封采用普通耐油橡膠,拉斷應(yīng)力不小于200kg/cm,拉斷伸長(zhǎng)率不小于350%。“V”型密封采用HDJ-980高強(qiáng)度耐油、耐水、耐磨特種橡膠,其拉斷應(yīng)力不小于390kg/cm,拉斷伸長(zhǎng)率不小于400%,其密封的可靠性和使用壽命得到大幅度提高。綜上所述,這種密封由于靠“自封性”密封,不靠外力壓緊,保證工作表面壓力小且均勻,因而摩擦小、阻力小,自然也就磨損小、壽命長(zhǎng),而無(wú)需維護(hù)。如果將現(xiàn)行的丁晴橡膠密封圈改為具有自潤(rùn)滑性能好的某種材料,效果將更為理想。3密封槽寬度、結(jié)構(gòu)改造的結(jié)構(gòu)圖(如圖4)是按水電設(shè)備制造廠的要求,有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、安全可靠的原則下設(shè)計(jì)的,現(xiàn)說明如下。(1)自封性“V”型密封圈采用3層封油,2層封水。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用1～2層已十分可靠。但考慮到:①尺寸小,能布置下;②摩擦阻力很小;故采用多層更可靠。(2)密封槽寬度取22mm。原“λ”密封槽寬40mm,寬度大,密封圈制造偏差大,對(duì)密封有害無(wú)益。國(guó)外統(tǒng)計(jì)寬度在15～25mm范圍內(nèi),試驗(yàn)的“V”形密封圈寬也在此范圍,故取22mm。(3)國(guó)外結(jié)構(gòu)當(dāng)葉片樞軸為不銹鋼,轉(zhuǎn)輪體為普通鋼時(shí),一般在轉(zhuǎn)輪體的密封槽處堆焊不銹鋼。本結(jié)構(gòu)此處加不銹鋼套筒(圖4中項(xiàng)④)。這種結(jié)構(gòu)在加工制造現(xiàn)場(chǎng)裝配以及運(yùn)行中不存在任何問題和困難。(4)經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算,機(jī)組飛逸(nR=140r/min)時(shí),各零件在離心力和轉(zhuǎn)輪體內(nèi)油壓聯(lián)合作用下,應(yīng)力情況為:M16螺釘(圖4中項(xiàng)①)的拉伸應(yīng)力