掛治電廠轉輪槳葉密封優化改造

葉江寧，李 偉

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

掛治水電廠位于沅水干流上游河段的清水江中下游，壩址距貴州錦屏縣城7 km，是沅水梯級規劃的第三級，工程以發電為主，兼有改善航運條件等綜合利用效益。電廠為低水頭河床式電站，是三板溪電站的反調節電站，具有日調節性能。總裝機容量150 MW，安裝3臺單機容量50 MW的軸流轉漿式機組，電站保證出力42.5 MW，多年平均發電量4.021億kW·h。

電廠水輪機型號為：ZZ(ZK52)-LH-580，轉輪直徑：5.8 m；額定轉速：115.4 r/min；額定流量：270.4 m3/s；水頭 Hmax/Hr/Hmin：5.29/20.70/12.90 m；最大飛逸轉速315 r/min；最大水頭發額定出力時，軸向最大推力6 550 kN。

每臺機轉輪安裝有5只活動葉片，輪轂體內部約有透平油2 280 L。檢修人員長期觀察發現，在水輪機運行的各種工況中，若出現輪轂油壓小于外部水壓的情況，水份很容易透過槳葉密封唇邊邊緣進入輪轂內，使輪轂用油混入水份發生劣化，影響設備的安全、穩定運行（電廠2009年度機組檢修時發現輪轂內進水約100 L）。針對上述情況電廠對槳葉密封結構及材質進行了優化改造，以達到消除設備隱患，確保設備安全運行的目的。

圖1

1 原槳葉密封結構及材質分析

掛治電廠原槳葉密封為單向多層“V”型密封結構，橡膠材質。其密封原理是利用溝槽徑向尺寸與密封件尺寸的差異，用壓縮的柱型彈簧頂起密封支座產生預緊壓力，使得密封唇邊在密封面上獲得一定的接觸壓力，形成對介質的密封。如圖1所示，密封件由四層單向“V”型橡膠密封圈（圖1中件3）組成，這種葉片密封結構的特點是在頂起支座后面裝有100個圓柱彈簧（圖1中件6），利用頂起支座使“V”型密封圈唇邊貼緊葉片法蘭和輪轂體填料腔，由于密封圈的“V”型開口朝向輪轂內側，若輪轂內的油壓大于外部水壓，即可防止外部水份滲入，但從掛治電廠實際使用的效果上來看，密封油的一側密封效果良好，無泄漏情況，但密封水的一側則出現了滲漏，導致輪轂內進水油質劣化。從密封結構上分析，單向“V”型結構只能確保一個方向的密封效果，另外一側在機組某個運行工況下可能會形成通路發生泄漏。另外此種形式因其結構復雜，共有頂緊彈簧100支，檢修裝配困難，頂起支座容易發卡。橡膠材質槳葉密封長時間使用容易老化（2012年電廠3號機組檢修時檢查發現槳葉密封有老化斷裂情況）。

2 優化改造思路及改造情況

2.1 改造思路

（1）材質選擇

篩選出一種摩擦系數低、耐油、耐水壽命長的材料設計、制造槳葉密封。聚氨酯是一種新興的有機高分子材料，其具有防水、防蛀、防霉、防裂等特性，耐磨損、抗沖擊、減震性突出，同時易加工，被譽為“第五大塑料”。

新型PU-聚醚型聚氨酯，其整體綜合性能優越。此材料耐磨性能是丁腈橡膠的50倍，耐油性能和聚硫橡膠相當比丁晴橡膠還要好，此材料還有很高的強度，在與橡膠硬度相同的情況下，其拉伸強度、撕裂強度均比丁晴橡膠高出很多，在與塑料硬度相同的情況下，其彎曲強度和沖擊強度均比塑料高。

因其符合槳葉密封所需材料的所有性能要求，故使用特殊耐磨、耐油、耐水解超高硬度的進口聚醚型聚氨酯PU作為新型密封的所有部件材質。

為保證密封的耐久性，應對其進行試驗，所試驗材料確保達到的性能指標：硬度95±2；密度1.2 g/cm3；彈性模量≥11 N/mm2；抗拉強度≥45 N/mm2；斷裂強度≥280 %；彈性回復率43 %；撕裂強度≥40 N/mm；磨耗25 mm；工作溫度-30～+110℃；在航空汽油（25℃）浸24 h重量增加不大于10%～15%。

（2）結構優化

為保證槳葉密封實現雙向密封，將密封結構型式設計為雙向V型結構。由于安裝密封件的空間尺寸受到原結構尺寸的限制，改造后的密封采用內兩道、外一道V型密封的結構，將X型密封支撐加工為帶密封作用的密封圈，這樣就形成了內三道、外兩道V型密封的結構（見圖2）。一般不推薦采用減薄V型密封件的厚度來增加密封件的圈數這種方法，因為太薄的V型密封件存在自身剛度差、唇口穩定性差的缺點，對密封效果反而不利。按照V型密封的試驗結果看，單道密封即可達到10 MPa的耐壓強度，而掛治電廠槳葉密封的耐壓需求不超過1 MPa，安全裕度有充分的保證。雙V型密封的結構特點如下：

a、V型密封具有“自密封”性。在自由狀態下V型密封的外徑比輪轂體填料腔內徑大，密封的內徑比槳葉法蘭外徑小，這樣裝配好就有一定量的過盈，再加上支撐環的頂推作用，即使不施加油壓力，其唇口也能封住一定壓強下的介質；

b、允許有一定的偏心運動與偏心載荷。因為密封件自由狀態下就有一定的過盈量，只要是在生產制造、或者是使用過程中出現溝槽徑向寬度變化量不超過預設的壓緊量時都可以保證能夠封住介質；

c、密封元件在溝槽中受介質壓力時能利用自身的結構均勻圓周方向壓力。當V組裝入溝槽中后，唇口部位有足夠的空間來變形和產生預緊壓力，不會干涉和影響到鄰近部分的密封變形擠壓，這樣就保證了密封能夠達到很好的效果；

d、高壓環境中可以使用多重V型圈來保證密封的可靠性；

e、能夠耐沖擊壓力和振動。水輪機在運行過程中存在較大的振動和壓力脈動，這種V組結構的耐振動和耐沖擊壓力的特性為水輪機長期安全可靠運行提供了保證。

圖2

2.2 改造情況

如圖2所示，新型槳葉密封采用雙向多層V型結構：3個V型密封圈（密封1：件10、密封2：件11、密封3：件12）和一個X型密封支撐（件13）組合為雙向V型葉片密封結構，雙向V型葉片密封的密封唇邊分別與葉片法蘭外圓接觸表面和輪轂體填料腔接觸表面壓緊。X型密封支撐的唇邊均有密封作用，因此共有兩道V型密封防止流道向轉輪體內滲水，三道V型密封防止輪轂體漏油。

將密封壓環（圖1中件2）從內凹型變更為外凸型（圖2中件9），以保證密封壓環頂緊密封1（圖2中件10），保證密封1唇邊與接觸面緊密貼合；簡化結構，提高可靠性，將頂起支座（圖1中件5）及彈簧（圖1中件6）取消，變更為無彈簧結構的密封支座（圖2中件14）。密封壓環和密封支座材質與V型密封材質一致。

為了保證其軸向力能夠傳遞至槳葉密封唇邊，將所有“V”型密封及密封壓環、密封支座頂尖削平（或V型密封底部開槽），這樣能夠使V圈之間，V圈與密封支撐之間，V圈與壓環、支座之間產生充足的自補償作用以提升密封效果。根據以上方案對各密封件進行加工，為了確保加工精度，在密封壓環（圖2中件9）上部留3 mm加工余量，掛治電廠2號機組擴大性大修時現場測量了5只葉片密封安裝溝槽尺寸，確定密封機構軸向尺寸設計值（圖2中A1），該尺寸為新的聚氨酯壓環、X型密封支撐、聚氨酯支座和V型密封圈的軸向安裝總長。根據實測數據，將在實測前留有加工余量的5只新的聚氨酯壓環完成最終加工并安裝。

槳葉密封裝復時，保證整圈裝復而不切斷粘接，并注意防止密封翻邊的情況發生。槳葉密封安裝之前，應確保所有與密封裝配相關的零部件光潔平整，無異常銹蝕，應將密封溝槽內雜物清理干凈，檢查溝槽內應平滑，若有明顯磨痕，需進行處理，直至符合密封安裝要求。槳葉密封安裝時，應注意防止密封翻邊的情況發生，在設計允許的范圍內可以涂抹適當的潤滑脂。

葉片密封試驗：改造后在0.5 MPa油壓時，保持16 h，在試驗過程中每小時操作葉片全行程3次，在周圍溫度不低于5℃的情況下，16 h內不得滲油，其它組合縫也不得滲漏油。單個葉片密封裝置在未加試驗壓力情況下均不得漏油，個別處滲油限量應符合GB/T 8564-2003有關規定。轉輪接力器應動作平穩，開啟和關閉的最低油壓一般不大于額定工作壓力的15%。

3 應用情況

掛治電廠2號機組槳葉密封改造后，運行中多次抽查輪轂油油質情況，均化驗合格。檢修中輪轂排油檢查未發現進水情況，油質化驗合格，未發現水分，槳葉密封效果良好。

4 結束語

軸流轉槳式機組轉輪結構復雜，輪轂內透平油混水將直接影響其內部部件的運行環境，通過槳葉密封優化改造，可大幅度提高密封效果，延長密封件壽命，從而消除轉輪泄露風險，確保機組安全穩定運行。

參考文獻：

[1] GB/T 8564-2003 水輪發電機組安裝技術規范[S].

[2]掛治水電廠水輪機安裝作業指導書[Z].

[3]傅明源，孫酣經.聚氨酯彈性體及其應用[M]. 北京：化學工業出版社，2006.