轴流转桨式水轮机密封失效分析

轴流转桨式水轮机密封失效分析

20世纪60年代初至80年代初，中国开发的带有浮动叶片的倾斜蒸汽机的旋转叶片密封基本上采用了“”型密封，其典型结构如图1所示。这种密封的优点是结构简单,不拆叶片可以更换密封圈,在水质清洁的中型机组上应用,基本令人满意。但随着机组尺寸增大,屡屡出现漏油、漏水问题,例如长湖、富春江、三门峡、葛洲坝等电站,都出现过严重漏油问题,往往又一时难以解决,造成大量经济损失。20世纪80年代中期开始研究新的密封结构,此后大型水轮机很少再采用“λ”型密封结构。葛洲坝电站二江厂房的两台170MW和5台125MW的水轮发电机组的转轮叶片密封均采用的是“λ”型密封装置。这也是我国早期生产的轴流转桨式水轮机常用的一种密封结构。这种单层的“λ”型密封装置用于较大型的水轮机转轮上的合理性有待商榷。葛洲坝电站20多年来的运行实践表明:密封装置性能不稳,检修后也无法充分估计其使用寿命。因此,经常因种种原因而导致密封失效,机组出现大量的漏油,造成严重的环境污染和巨大的经济损失,给安全稳定的电力生产带来了极大的麻烦。1型齿轮叶片密封装置出现油通过葛洲坝电站20多年来的运行观察和检修处理的经验总结,认为这种密封装置属于压缩式宽型橡胶动密封。它的密封原理是依靠顶起环的弹簧和油压的作用,以及密封圈的断面压缩,使“λ”密封圈压缩变形,从而在密封面上获得足够大的接触压力来实现对介质进行密封(如图1)。这种密封装置用于小型水轮机获得了很好的成功,但用于大型水轮机是不合理的。它的工作原理基本上相当于填料密封。由于橡胶干摩擦系数大(丁晴橡胶与钢件的摩擦系数约在1.5),作为大型填料,机组运行后就会出现下列一些问题:(1)由于担心密封效果,往往在装配时施加大的压紧力,造成橡胶与枢轴和转轮体之间的干摩擦,引起密封圈的磨损、撕裂,而出现漏油。(2)运行中在离心力作用下,叶片发生轴向位移,操作力和轴套磨损引起叶片法兰面倾斜,这些都影响弹簧和密封的正常工作导致漏油。密封性在很大程度上依赖于制造精度和装配经验。(3)当顶起环受周围弹簧力不均匀时,容易出现倾斜发卡,密封圈局部被挤压,造成局部磨损以致撕裂漏油。(4)在大型机组中,随着机组几何尺寸的增大,密封断面尺寸也随之增大,密封圈各断面就很难做到均匀紧密,当叶片枢轴出现较大偏心位移时,由于密封碗弹性储备量不足,一侧漏油,对侧严重磨损。“λ”型密封装置失效漏油的情况很普遍。葛洲坝电站在多次的检修中积累了许多宝贵的经验,早在20世纪80年代初就开始寻求改进方案,在检修中采取了以下综合治理的措施:(1)加大顶起环弹簧的压力,使其与作用在该密封圈上的水压力相等。(2)加大顶起环与密封槽的间隙,使顶起环的内外间隙各为1mm,保证在叶片下沉和铜套磨损后顶起环还能活动自如。(3)加大“λ”密封圈的内径,由原来的直径1846mm改为(1855+4)mm。(4)根据检修的需要,将原整体顶起环改为3/3分瓣结构。(5)将密封圈压板改为上、下两层结构,以便于检修时现场拆装。如此改进和优化后,机组运行情况较以前有了明显的好转,但是性能并不稳定,尤其是检修后质量无法评价。有时安装后打压动作试验情况很好,但吊装后又出现漏油,因此,技术人员提出了以其它密封结构形式来取代“λ”型转轮叶片密封的改造方案。生产厂家对葛洲坝大江厂房同型号14台125MW的水轮机转轮叶片密封装置予以了改进,采用了复合密封圈结构装置(如图2、图3)。这样改造后实际运行效果较好,有效地延长了机组的检修周期,性能稳定可靠。2“v”型叶片密封在现代机械制品中的应用鉴于我国水电资源丰富,含砂河流多,需要结构简单、性能可靠、使用寿命长的水轮机转轮叶片密封。针对葛洲坝二江厂房7台水轮机转轮叶片密封结构的特点,结合大江厂房机组的运行经验,提出将二江厂房的2台170MW和5台125MW的水轮发电机组的转轮叶片“λ”型密封装置改为自封性无维护“V”型密封。通过透明的模型装置,对“V”型密封元件受力变形的观测量和在〉400、700试验装置上进行的密封、摩擦、磨损试验查明:“V”型密封元件的密封性能主要取决于几何尺寸和形状。良好的尺寸形状应能保证在制造、安装、运行中各种因素引起的叶片枢轴最大偏心、倾斜的情况下,有足够的弹性补偿和吸收,即压缩量最小侧也能保证密封,压缩量最大侧摩擦、磨损无显著增加。它的一端形状应保证密封有自封性。因此,推出了如图4所示的密封装置。密封的使用寿命不仅取决于元件的合理的几何形状,还取决于材料的性能指标。因此,图4中的“V”型密封元件推荐采用HDJ-980高强度耐油、耐水、耐磨特种橡胶通过浇注加压加热硫化成型。我国的“λ”型密封运行实践表明:潜伏的故障中很大部分是因为弹簧力不均造成顶起环倾斜、发卡以及变形等引起的。端面密封试验表明,由弹簧造成的密封工作面的单位压力必须大于被封介质单位压力1～2kg/cm2才能实现有效密封。但“V”型密封的工作面在侧壁,弹簧的压紧力对侧壁的贴紧力影响不大。我们专门进行了改变弹簧作用力的大小直到起、取弹簧对密封性能影响的试验。结果查明弹簧力大小以及有无,对密封性能均无明显影响,证明弹簧可以取消。图4所示的叶片密封装置,通过试验室模型筛选,真机车间试验和电站现场试验以及20多年的运行考验,证明结构简单,对制造精度装配经验要求不高,运行可靠无需维护,使用寿命长(保证15a以上)。综上所述,可知“V”型叶片密封装置是人们在水轮机制造长期生产活动中,通过试验研究和生产进行经验总结、提高取得的,它完全满足了现代水轮机运行要求。目前我国许多水轮机仍有“λ”型转轮叶片密封在运行,发生过漏油问题,普遍存在可靠性差,靠电站精心安装,精心维护维持运行。两种密封装置对比表明:(1)“λ”型密封未经试验室内模型试验研究、筛选,仅通过制造厂车间装配后和电站现场安装后打压试验,发现泄漏,现场调整处理,运行中特别是大型机组,常出现漏油问题。“V”型密封,在国内外都进行过密封原理的试验研究且有真机应用经验,效果很好,无漏油事例。(2)两种密封都属双向密封,即同时密封转轮内腔的油向外泄漏和防止转轮外的水渗到转轮体内。但“λ”型密封为单层密封,“V”型密封为多层密封,增加了可靠性。(3)“λ”型密封为非自封性的接触密封,其工作原理与填料密封相似,当压紧量过大出现干摩擦时,橡胶与轴颈的摩擦力可增加2～4倍,导致密封圈啃破撕断、漏油。“V”型密封有自封性,与轴颈的正压力和摩擦力小,实际应用中从未发生扯断现象。(4)“λ”型密封采用普通耐油橡胶,拉断应力不小于200kg/cm,拉断伸长率不小于350%。“V”型密封采用HDJ-980高强度耐油、耐水、耐磨特种橡胶,其拉断应力不小于390kg/cm,拉断伸长率不小于400%,其密封的可靠性和使用寿命得到大幅度提高。综上所述,这种密封由于靠“自封性”密封,不靠外力压紧,保证工作表面压力小且均匀,因而摩擦小、阻力小,自然也就磨损小、寿命长,而无需维护。如果将现行的丁晴橡胶密封圈改为具有自润滑性能好的某种材料,效果将更为理想。3密封槽宽度、结构改造的结构图(如图4)是按水电设备制造厂的要求,有实际经验、安全可靠的原则下设计的,现说明如下。(1)自封性“V”型密封圈采用3层封油,2层封水。根据试验结果,采用1～2层已十分可靠。但考虑到:①尺寸小,能布置下;②摩擦阻力很小;故采用多层更可靠。(2)密封槽宽度取22mm。原“λ”密封槽宽40mm,宽度大,密封圈制造偏差大,对密封有害无益。国外统计宽度在15～25mm范围内,试验的“V”形密封圈宽也在此范围,故取22mm。(3)国外结构当叶片枢轴为不锈钢,转轮体为普通钢时,一般在转轮体的密封槽处堆焊不锈钢。本结构此处加不锈钢套筒(图4中项④)。这种结构在加工制造现场装配以及运行中不存在任何问题和困难。(4)经强度计算,机组飞逸(nR=140r/min)时,各零件在离心力和转轮体内油压联合作用下,应力情况为:M16螺钉(图4中项①)的拉伸应力