水輪機導葉端面間隙值設置及密封結構設計探討

應金仁

(東芝水電設備(杭州)有限公司,杭州 310000)

0 前 言

合理地設置導葉端面間隙值和設計密封結構，對水輪機運行非常重要。眾所周知，機組的效率、運行穩定性和檢修維護周期是檢驗水輪機性能的重要方面。通過對導葉端面間隙值及密封結構方式優化設計，可以避免因導葉端面間隙值出現異常，防止端面間隙值加大，上、下導葉端面間隙值不對稱、導葉密封失效，水輪機效率下降，機組開、關等穩定性降低等現象的產生，從而滿足水輪機大修周期要求。本文根據已運行電站成功的優化設計經驗，針對水輪機導葉端面間隙值與密封結構方式應用，提出若干意見供探討。

1 導葉端面間隙值設置

導葉端面間隙值設置，結合水電站的實際情況綜合確定，主要按以下3個方面進行確定：導葉作為水輪機通流部件的要求，導葉本體制造公差及導水機構尺寸鏈公差，水輪機安裝技術要求。

1.1 GB和IEC標準的相關規定

對于導葉端面間隙值，GB/T 10969-2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》和IEC60193-1999《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》作了詳細規定：真機間隙應小于模型的放大值，導葉端面間隙單個值與平均值的允許偏差不大于±50%，導葉漏水量不大于額定流量的3%。以上作為保證水輪機性能的要求，結合規定的水輪機導葉漏水量要求，在確定導葉端面間隙值時必須保證，可以理解為最低要求。

1.2 導葉及導水機構裝配尺寸鏈公差

導葉與頂蓋、底環之間總間隙由設計及加工制造決定。可細化為導葉兩端面的平行度，頂蓋與底環的導葉同軸度，頂蓋、底環、座環安裝平面不平行度誤差，測量誤差等因素，立式水輪機導水機構裝配尺寸鏈見圖1。即頂蓋、底環定位面間的距離A，導葉本體高度B，底環高度C，頂蓋過流面到定位面間的距離D，確定導葉端面總間隙δ=A-B-C-D。在通常情況下，水頭較低，導葉高度較高，總間隙值越大；反之亦然。按照一般車床達到的IT07加工精度，導葉本體公差按IT08(B0)比較合適，其他因素在IT10(B0)和IT11(B0)之間，總間隙通常在IT08(B0)+ IT10(B0)與IT08(B0)+ IT11(B0)之間。

圖1 立式水輪機導水機構裝配尺寸鏈圖

1.3 若干水輪機導葉端面間隙

對若干已成功運行電站立式水輪機導葉端面間隙進行統計，導葉端面間隙統計見圖2，結果表明導葉端面間隙均在以上范圍內。若干電站的導葉高度及導葉端面間隙見表1。

表1 若干電站導葉高度及導葉端面間隙表

圖2 導葉端面間隙統計圖

1.4 導水機構安裝技術要求

GB/T 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》中對基礎環、座環、頂蓋、底環的安裝允許偏差作了規定，具體見表2。常規電站端面間隙值應滿足最大安裝公差。

表2 基礎環、座環安裝允許偏差表

以某電站為列，轉輪直徑為2.64 mm，底環安裝面直徑為2.96 m，安裝徑向平面度允許偏差為2.96×0.05=0.148 mm，周向平面度允許偏差為0.30 mm。底環上平面水平安裝允許誤差為0.35 mm，因同軸度1.0 mm引起的導葉傾斜度對端面間隙的影響幾乎可以不計，因此最大綜合值為0.68 mm。該電站設置的端面總間隙為0.70 mm，滿足安裝要求。

1.5 小型機組導葉端面間隙值

對于小型機組，導葉端面間隙值可按中小型質量分等標準，見表3。

表3 按中小型質量分等標準表

2 不同導葉端面密封結構設計

對于立式水輪機端面密封結構，比較應用廣泛的有彈性壓板式金屬密封，偏心導葉端面金屬密封，壓板式聚氨酯密封等。

彈性壓板式金屬密封是在抗磨板的導葉關閉位置上設置帶彈性墊的黃銅密封，可使機組停機時導葉漏水量最小。端面密封主要由減震墊、密封環、壓板及固定螺栓組成的。彈性壓板式金屬密封見圖3。

圖3 彈性壓板式金屬密封圖

對于帶翼大端面偏心活動導葉，采用導葉端面金屬密封，可提高水輪機的效率，同時可有效降低停機漏水，避免間隙空蝕。設置端面導葉軸承防砂密封，可有效地防止泥砂進入導葉軸承，具有自補償性能，該密封結構見圖4。

圖4 偏心導葉端面金屬密封圖

對軸流式水輪機，由于過流量大，導葉端面接觸面積大，采用聚氨酯密封條、不銹鋼密封壓板、緊固螺釘組成的密封形式。聚氨酯超耐磨且有一定彈性，避免金屬端面密封之間大面積接觸的磨損，密封性能良好，具體見圖5。對于軸流式機組，立面間隙比端面間隙更重要。

圖5 壓板式聚氨酯端面密封圖

3 現場安裝注意事項

現場安裝過程中，需注意一些安裝事項，以達到設計最優值。止推軸承應安裝到位，并進行與導葉臂之間的間隙測量，間隙值為0.1 mm，防止活動導葉上浮產生上、下端面間隙不一致的情況。

活動導葉通過端蓋提升螺栓調整上、下端面間隙，通過在控制環抗磨板上旋轉，并通過端蓋和導葉之間的緊固螺栓連接進行的。端蓋與導葉之間間隙、控制環與抗磨板之間間隙需在提升導葉安裝過程中消除，防止在動作時導葉下沉，使底部間隙變小。

導葉端面間隙采用塞尺和百分表測量，以塞尺為準，結合百分表監測，用專用工具提升導葉到頂部，用塞尺測量底部間隙，符合端面設計間隙要求。調整好端面間隙值不但能夠容易打開、關閉導葉，減少漏水量，而且可以延長端面密封的使用壽命。

4 設計過程中的建議

4.1 應考慮影響端面間隙值的幾個因素

在設計過程，應充分考慮影響導葉端面間隙值的因素，主要有溫度、沖水后頂蓋的上抬量、導葉高度、導水機構尺寸鏈公差、現場安裝允許公差，水質，端蓋與導葉無間隙措施以及控制環與抗磨環無間隙措施等。

因溫度不同受熱脹冷縮的影響，導葉總間隙在夏天比冬天小。在廠內預裝過程中，應考慮溫度變化的影響。設計上考慮在沖水后頂蓋將上抬0.15～0.4 mm左右，廠內預裝時應滿足下端面間隙比上端面間隙小，流道充水后基本滿足上、下端面間隙相同。導葉高度工廠內加工公差。安裝時保證端蓋與導葉間、控制環與抗磨環間無間隙，防止導葉下沉等。

4.2 選擇合理的端面密封結構

從電站水頭和水質含沙量等重要因素，考慮匹配性，建議端面密封結構設計和導葉端面間隙值設置如下。對高水頭電站，考慮泥沙磨損影響，適當減少端面間隙值。導葉端面密封方式及相關內容見表4。

表4 導葉端面密封方式及相關內容表

5 結 語

目前很多電站的技術合同中規定導葉端面間隙值有應滿足水輪機通流部件技術條件和IEC60041標準，并規定真機端面間隙值應小于按照模型放大的端面間隙值。因此生產廠家也是按合同要求進行嚴格控制的。但生產廠家往往不會局限于某一標準，結合自己的優化設計經驗制定相關設計基準。總的來說，在工廠現有數控加工條件下，盡可能地減少導葉端面間隙值應是一種發展趨勢。根據許多電站不同條件，目前已成功采用了合適的端面密封結構及導葉端面間隙值。本文結合電站優化設計經驗，提出立式水輪機導葉端面間隙值設置和端面密封結構設計若干意見供探討。