水輪發電機組導葉外軸套漏水原因分析及處理

陳 虎

（湖南發展集團股份有限公司株洲航電分公司，湖南株洲 412007）

0 引言

湖南發展集團股份有限公司株洲航電分公司下屬的空洲電廠位于株洲縣淥口鎮南部8 km 處的空洲灘，電站機組于2006 年8 月全部建成投產，裝設5 臺燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量150 MW，年平均發電量為7.2 億kW·h，年利用時間4800 h。

1 導水機構設備狀態

空洲電廠機組自投運以來，5 臺機組導水機構16 片導葉外軸套處在運行時出現不同程度漏水情況，尤其在低溫季節機組開機或停機之后，導水機構部分導葉外軸套處漏水較大，如1#機組7#拐臂、3#機組11#拐臂、4#機組2#拐臂。由于導水機構正下部有軸承回油箱、漏油箱、動力控制柜等設備設施，導葉外軸套的漏水直接影響其正常運行。現對導水機構導葉外軸套處漏水采用的是接漏盆逐一相連，將漏水引流至廊道層排水溝，機組檢修期拆除導水機構外軸承座后更換導葉軸頸內側密封環及O 形密封圈。

2 改造前漏水原因分析

空洲電廠導水機構設備是由哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造，導葉軸承裝置密封改造前結構如圖1 所示，導葉密封采用的為O 形圈及填料密封，O 形圈安裝在內側密封支承架上，內側密封支承架安裝在軸承內側（導葉側）。在日常運行時，在水流沖擊下導葉竄動導致密封環偏斜，密封環內外側O 形密封無法有效阻止水流進入軸套與軸承座之間的間隙，從而造成水流從外軸承座處滲出。

圖1 導葉軸承裝置密封改造前結構

圖2 導葉軸承裝置密封改造前結構

3 改造處理措施

3.1 對導葉外配水環軸頸部分結構設計改造

對機組水輪機導葉外配水環軸頸部分機械裝配結構設計改造，對軸承內側原密封重新設計，并在外側增加一道密封起二次保護作用。

（1）新設計一個內密封環替代原密封支承件，安裝在原密封支承件位置，在內密封環上有兩道旋轉密封圈，內密封環外圓與殼體之間采用O 形圈，新設計與旋轉密封圈相配的內保護套裝在軸承內側。同時改造軸承座及軸承，將兩者都改短，以便留出空間安裝內密封環，滿足結構要求。密封圈與內保護套為動密封，內保護套和密封圈接觸面為特殊工藝加工而成，耐磨性和密封性好。內保護套固定在軸頸上，與導葉軸頸采用間隙配合，另在內保護套和軸承間增加兩道O 形圈密封，防止水從內保護套和軸頸間漏出。

（2）新設計的外密封環安裝在改造后的軸承座上面，起二次保護作用，在外密封環上新增一道旋轉密封圈，新設計與旋轉密封圈相配的外保護套，密封圈與外保護套為動密封，外保護套和密封圈接觸面為特殊工藝加工而成，耐磨性和密封性好。外保護套固定在軸頸上，與導葉軸頸采用間隙配合，另在外保護套和軸承間增加一道O 形密封圈，防止水從外保護套和軸頸間漏出，外密封環和軸承座間設計有O 形密封圈，防止水從外密封環和軸承座間漏出。

（3）在軸承座和殼體之間增加一道O 形密封圈，防止水從殼體和軸承座之間泄漏。

（4）設計的軸承內側需新增一件隔圈，滿足結構要求。

3.2 密封件的設計選用

（1）在無運動副的密封面采用O 形密封圈。

（2）在運動副密封部位設計采用徑向密封的旋轉格萊圈密封，并設置兩道密封，以提高密封效果。

O 形密封圈的特點：①O 形密封圈是一種截面為圓形的橡膠圈，安裝時徑向或軸向方面的初始壓縮，賦予其初始密封能力。由系統壓力而產生的密封力與初始密封力合成總的密封力，它隨系統壓力的提高而提高。應用時，在相同間隙條件下，所選用的O 形圈被擠入間隙的體積應略小于其被擠入的最大允許值，此時的密封效果最佳；②O 形圈廣泛應用于應用于液壓、氣壓系統；③適用密封形式有靜態密封、動態密封，主要用于機械部件在靜態條件下防止液體和氣體介質的泄漏，密封介質可為油、水、氣、化學介質或其他混合介質；④尺寸和溝槽都已標準化，互換性強；⑤根據使用環境，選擇不同材料的O 形圈，適用溫度范圍-40～+300 ℃；⑥O 形圈斷面結構簡單，裝拆方便，且有自密封作用，密封性能可靠。

旋轉格萊圈密封的特點：①格萊圈是由一個PTFE 的滑環外加一個橡膠材料的O 形圈組合而成，又叫組合密封圈。格萊圈動態表面材料是由聚四氟乙烯加青銅，可以根據應用環境不同提供不同的填充材料。它分為孔用格萊圈和軸用格萊圈，但其密封作用是一樣的，依靠其本身的變形對密封表面產生較高的初始接觸應力，阻止無壓力液體的泄漏。改造采用軸用格萊圈；②高抗擠出能力，液壓缸工作時，壓力液體通過O 形圈的彈性變形最大限度地擠壓方形密封圈，使之緊貼密封表面而產生較高的隨壓力液體壓力增高而增高的附加接觸應力，并與初始接觸應力一起共同阻止壓力液體的泄漏，即使安裝孔和軸的中心軸線有一定的角度誤差也能實現很好的密封；③低摩擦和高速性能出色，無粘滯現象，啟動時不爬行，幾乎兼容所有的液體材料（需正確選擇O 形圈材料）；④內側的靜態O 形圈元件，具有低永久變形的特點；⑤節省空間的構造與簡單的凹槽設計；⑥適用的環境應用領域廣，可以應用于壓力不大于60 MPa，速度不大于15 m/s，溫度為-54～+200 ℃的工況（取決于O 形圈材料）。

（3）軸用旋轉格萊圈密封安裝形式如圖3 所示。

圖3 軸用旋轉格萊圈密封安裝形式

4 實施方案

（1）新加工內、外密封環1 件，其密封環材料為0Cr18Ni9。內密封環內側由原一道O 形密封改為二道格萊圈密封加三道O 形密封；外密封環外側設置一道格萊圈密封，下端面與關節軸承靠軸頸處放置一道O 形密封。

（2）改造原軸承座高度降低25 mm，以滿足新加工的內、外密封環安裝空間。

（3）新訂做導葉關節軸承，其高度由原135 mm 降低為85 mm，內徑和外圓保持與之前一致。

（4）新加工內、外保護套：表面硬化處理，以提高抗磨性能，延長使用壽命；與密封接觸面作特殊工藝無縲紋磨削及表面拋光處理。

（5）按新設計裝配結構圖使用新加工的內外密封環、軸承座、內外保護套、導葉軸承及設計的各處密封對導葉外軸套逐一進行更換安裝。

（6）所有外軸套改造安裝后，對導水機構進行無水動作，檢驗導葉開啟及關閉時間，確保外軸套無卡澀。

5 試運行情況

經過對導葉軸頸處結構重新設計，選用合適的O 形圈及格萊圈密封，重新回裝好軸承座及轉臂，機組充水及正常運行時，觀察到導葉外軸套處已沒有漏水情況，經半年運行觀察導水機構外導葉外軸套處未發現有漏水現象。

6 結束語

貫流式水輪機是一種臥軸式水輪機，即水流在流道內基本上沿著水平軸向運動，其導水機構比立式機組更容易漏水，且漏水處理難度大、成本高，處理效果不理想。此次對導葉軸承處進行改造，在保證設備后期安全運行的前提下，以較低的成本有效解決了導葉外軸套漏水問題。這不僅為后期維護節省了大量的人力、物力，縮短機組檢修工期，同時改善了廊道層運行環境，提升安全文明生產形象，為電廠安全穩定運行及效益提升創造了有利條件。