叶片密封在轴流转桨式水轮机上的应用

叶片密封在轴流转桨式水轮机上的应用

主缸密封是防止底部发生水渗透的一种必要的密封装置。其防洪能力直接关系到机组安全运行和电气站本身的安全。目前,按水轮机工作性质可分为检修密封和工作密封。其中工作密封分为平板密封、碳精密封、盘根密封、端面密封和迷宫密封。这几种密封方式的性能局限性如下:(1)平板密封。有单层平板密封和双层平板密封,单层平板密封效果较差,双层平板密封效果好,但其结构复杂,抬机时漏水,目前仅在中小型轴流机组中应用;(2)碳精密封。主要是在清洁水中密封,在含泥沙水中其耐磨性较差。这种密封结构复杂,安装检修困难,弹簧性能不易保证,磨擦后径向自调量小,基本淘汰;(3)盘根密封。主要在清洁水中密封,在多泥沙电站一个汛期甚至不足一个汛期就会磨损坏,造成电站汛期停机;(4)端面密封。该种密封结构简单,好调整,但弹簧受力不均匀,容易发生偏卡、磨损,密封性能不稳定;(5)迷宫密封。性能较好但当转轮的转速增大到一定程度后开始失稳,水轮机迷宫密封环间隙不均引起机组振动,导致密封和转轮发生碰摩,影响了水轮机转轮系统动力稳定性,轴向漏油仍然存在,而且制造、安装较为复杂,安装的空间也较大,适合于混流式水轮机和水泵水轮机。鉴于以上原因,作者介绍一种高性能的水轮机主轴密封——叶片密封,它适用于轴流转桨式水轮机及恶劣的工作环境。1密封元件的安装叶片密封由于安装方式较多,有背对背、多环、单环等形式,作者仅介绍背对背的安装方式,其他的安装方式只是应用场合有所差异,原理相当。叶片密封背对背形式结构如图1,密封元件1由两部分组成,呈双向“V”字型结构,其材料是中性高弹性镍钛诺非磁性合金,具有很好的大密封表面线速度功能,在此基础上,在与轴接触的地方加上一层橡胶涂织物,紧紧的和轴粘在一起;2、4为安装密封元件的构件,用螺钉3连接,中间的空间用来安装密封元件,其大小根据水轮机轴的大小而定;5为调节构件,其大小根据构件4和顶轴构件6之间的空间而定,7为水轮机主轴。安装时,对密封元件轴向不施加任何压缩,而径向挤压密封元件,由于弹性非常好,使其产生一定量的变形。在水轮机正常运转时,由于离心力的作用,密封系统随着外部系统压力的上升,在油和水之间保持一个稳定的压力差,使水和颗粒物不能进入密封系统,油可以进来,保持清洁润滑,这就形成了反挤出润滑理论。目前的润滑方式中,大多数都有检修密封装置,而叶片密封不需要检修密封装置,因为在水轮机停机和开始启动的时候提供低压密封,低压密封会防止水进入,这就大大减少了电站的其他辅助设备。2水轮机与水导轴承某电站是江西省大型水电站之一,总装机容量1.5×107W,其中有2台为轴流转桨式水轮机,水轮机型号ZZS00-LH-420;额定功率26.8MW;额定流量139m3/s;额定转速150r/min;吸出高度-5.8m;水轮机安装高程73.04m;一台机满载时尾水位高程79.20m;水导轴承采用巴氏合金轴瓦;自循环筒式稀油润滑轴承,分半组合。2.1平板密封变形产生的原因2000年前,该水电站2台轴流转桨式水轮机采用的是双层平板密封。双层平板密封的特点是:上密封平板静止,下密封平板随大轴转动。双层平板密封装置自1985年投入运行,运行期间,水压极不稳定,在0～0.2MPa之间变动,密封装置有时冒烟和散发出烧焦的橡胶臭味,并经常出现密封失效而漏水的情况,运行不到2000h就发生过3次平板密封磨损而被迫停机检修。特别严重的是1988年3月份因密封烧损磨穿,造成密封大量漏水,2台顶盖泵全部启动也难以排除漏水,造成水淹水导轴承事故。分析其原因:(1)橡胶平板固定结构不尽合理。从该密封装置的结构来看,上平板外侧是大气压,只要密封水箱建立一定的水压,平板橡皮就产生变形(如图2所示)。水压越大平板橡皮变形越大,橡皮板与抗磨环贴得越紧,当无水渗出,就造成橡皮板烧损或损坏。如果水压减少(即管道压力真空值)到一定值时,上平板橡皮与抗磨环就会脱开,漏水量变大,水箱压力就无法建立。下密封平板与轮叶前水压相通,其运行条件要比上平板密封好些,即使轮叶前有时可能出现真空值,因下密封板是转动的,能调节运行条件;(2)原设计中只重视了“密封”,认为只要密封得越严、止水效果就越好,但忽视了封得太严密会导致两摩擦面之间无法形成冷却润滑条件。双层平板密封系采用中硬耐磨橡皮,在摩擦的情况下极易磨损,故小修、大修不断。由于平板密封效果不好,2000年到2004年,该水轮机采用U型水压端面密封结构见图3。开始运行的时候效果还好,每小时泄漏量为20多升,一年后,泄漏量为每小时100多升,主要因为该密封结构存在以下不足:(1)密封圈没有润滑冷却水槽,清水不能充分进入摩擦面,润滑冷却效果不好,密封易磨损烧坏,使用寿命较短;(2)密封圈下部没有密封唇,一方面压力清水由密封圈两侧缝隙泄漏,增加了漏水量,另一方面,过机泥沙进入缝隙内造成密封圈卡在密封座内,不能顶起,漏水量偏大;(3)密封座上没有定位导向销钉,密封圈在水压顶起工作时,可随抗磨板一起环向移动,在密封圈局部发卡或扭曲憋劲时,沿周向的顶起高度不一致,导致密封面磨损不均,破坏密封面,造成密封不严,增大漏水量;(4)由于水轮机使用时间较长,主轴和轴承受到不同程度的损坏,运转不同心,漏水量增大。由于上述原因,多次出现漏水量偏大,顶盖水位上升,有时运行不到2000h就因密封磨损而被迫停机检修,小事故不断,人力、维修费用大大增加。一年甚至半年就要小修,2年必定要大修,特别严重的是2003年3月份因密封烧损磨穿,造成密封大量漏水,导致水淹水导轴承事故,使机组安全运行可靠性大幅下降,水轮机使用效率也下降约28%。2.2重复使用叶片密封2005年元月,该水电站决定采用叶片密封方式进行改造,拆下原来的密封装置后,发现主轴有几处磨损,主轴运转不同心,轴承也有磨损,决定采用如图4的结构,与图1相比,增加了3个垫块。具体参数如下:因为D1<575mm,故选用B=10+0.58−0.44-0.44+0.58mm,R=1mm,H=24mm,T1=2mm,T2=1.5mm。改造完之后,经过1个月的运行,发现每天有1～3L的泄漏量,这样也能确保水轮机正常工作直至水轮机正常报废。后来对密封腔进行修缮后重新安装密封系统,经过4年的运行,基本不漏水,也没有任何大修、小修,整体运行良好。在印度尼西亚、瑞典等国的一些电站的水轮机也采用了叶片密封,运行10年,水轮机和水质没有什么破坏。从以上分析不难发现,采用叶片密封具有以下优点:(1)有良好的低压和高压密封性能;(2)在轴承磨损而导致的主轴运转不同心、主轴磨损的条件下,提供良好密封;(3)安装和重装叶片密封很方便;(4)大大减少水轮机停机时间和维修费用