楊小龍
摘 要：某蓄能（néng）水電廠導葉下軸（zhóu）套密封在機組投產初期（qī）存在頻繁漏水問題，本文（wén）總結了該密封成功改造的思路與（yǔ）方法（fǎ）。首先簡介了水泵水輪（lún）機導葉下軸套及其密封的結構特點，分析了改造前導葉下軸套密封存在的問題及原因。然後針（zhēn）對性地提出了（le）新密封的工作和設計要求，闡述了新密封的材料選擇、尺寸和形式設計的（de）依據和方法，Z終（zhōng）確定了符合要求的軸套密封（fēng）新材料及創新結構（gòu）設計。改造後的軸套新密封，工作可靠，運行效果良好。某蓄能水電廠（chǎng）導葉下軸套密封的（de）成功改造對水電（diàn）廠的設計和（hé）運（yùn）維也有重要借鑒意義。
關鍵（jiàn）詞：水泵；水輪機（jī）；導葉；軸套；密封；漏水；聚氨酯
0 引言
某蓄能水電廠共（gòng）8台機組，單機容量(發（fā）電工況)300MW，總裝機容量為2400MW，是世界上一次性建成（chéng）的Z大的（de）抽水蓄能電站（zhàn）。某蓄能水電廠水輪機型式為立軸、單級（jí）、混流、可逆式、可調導水（shuǐ）機構，額定轉速為500r/min，為轉輪中拆的懸式機（jī）組。
水輪機導葉下軸套密封損壞和漏水問（wèn）題（tí）是水電站常見而（ér）又不能得到有效解決的問題；由於抽水蓄能電站運行條件比常規水電站更（gèng）苛刻，出現問題的可能性更大。
導葉下軸套密封（fēng）損壞和漏水，不僅造成（chéng）廠房大量積水，引起水輪機部件的鏽蝕，長（zhǎng）時間也可能造成導葉表麵磨蝕和導（dǎo）葉下軸套（tào）損壞，甚至導致導葉開關困難，影響水輪機效率。對下軸套可拆卸的機組，小修需要頻（pín）繁更（gèng）換密封，增加了檢修工作量和檢修維（wéi）護，拖（tuō）長檢修停機時間。對一些底環埋設的中拆或上拆式機組，因為下軸套密封（fēng）損壞產（chǎn）生（shēng）的大量漏水，可能會導致（zhì）機組不得不提前大修來（lái）進（jìn）行密封的更換、改造。
1 導（dǎo）水機構、底環及下（xià）軸套的結構特點（diǎn）
導水機構是水輪機流量調節機（jī）構。惠蓄（xù）水泵水輪（lún）機導水機構為單導葉接力器導水機構，共有20個導葉，沒有控製環，每個導葉可以獨立操作；頂蓋可拆卸，但底環埋設於混凝土並與尾水椎管焊接而不可拆卸。
每個導葉有上、中、下（xià）三個軸套（tào）和一個止推軸承。導葉上軸套和（hé）止推軸承在頂蓋上環（huán）麵，不與水接觸。導葉中軸套位於頂蓋下環麵，導葉下軸套位於（yú）底環上（shàng）環麵。導葉軸套結構均為鋼坯（pī）中冷套ORKOT非金屬聚合物自潤滑材料後加工成型。
由於（yú）底環是不可拆卸的埋設部件，為了（le）方便檢修導葉下軸套和排出導葉下軸套的漏水，特別（bié）在底環下部設計了環形檢修進人（rén）通道。如果（guǒ）導葉下軸套或其密封因故障需要（yào）更換，檢修人員可以從尾水門進（jìn）人通道直接進入底環進人廊道進行檢修。這樣設計避免了因導葉下軸套檢修而需（xū）要拆卸頂蓋即（jí）相當於水輪（lún）機大修的過程。這也是（shì）某蓄能水電廠獨特的創新設計。
導葉下軸承分布在底環（huán）上部外環的軸孔（kǒng）內，裝（zhuāng）套在導葉下軸頸處，承擔導葉下部的（de）徑向（xiàng）受（shòu）力和限位。
在（zài）下軸套之下還有下軸承蓋和止推板。帶（dài）凸環的下軸套蓋封閉軸套密封腔；止推板通過螺栓從下到上與底環連接，承受軸套蓋傳（chuán）遞的下軸套重（chóng）量及其水壓力。下軸承蓋和止推板中間開孔接管以排出可（kě）能的導葉下軸承漏水，這樣（yàng）也可以（yǐ）消除導葉（yè）所受的向上（shàng）水推（tuī）力。
導葉下軸套相關尺寸參數如下：
底環導葉下軸套安裝孔中心圓直徑4508mm
底環導葉下軸套（tào）安裝孔直徑359mm
導葉下軸套內徑290mm
導葉下軸套高度250mm
圖1 惠蓄導葉下軸套剖麵圖
2 導葉下軸套密封（fēng）簡介
在導葉下軸承上部內（nèi）側（cè）與導葉過渡麵（miàn）之間和下部內側（cè）與（yǔ）導葉末端（duān）軸頸之間分別安裝一道開口朝上（shàng）的唇形（xíng）密封。
導葉（yè）下（xià）軸套上部（bù）進口的唇形密封（fēng）圈主（zhǔ）要（yào）起防（fáng）沙作用以（yǐ）免水中（zhōng）的沙粒（lì）進入而磨損自潤滑（huá）軸套。下軸套支座上部外側有溝槽和Ф5小孔連通軸（zhóu）套內部和轉輪室，以給導（dǎo）葉軸套提（tí）供潤滑水。
下軸套出口的唇形密封圈，支承在下軸承蓋凸環之上，起封水作（zuò）用，防止下軸套漏水，即為本文所研討的密封。
3 導葉下軸套密封工作條件
導葉下軸套密封（fēng）工作在可以轉動的導葉四周，在機組運行和（hé）靜止時（shí）都要（yào）起到封水作用，為動密封，也是靜密封。
導葉（yè）下軸套密封承受的來自轉輪進口的單向水壓，在停機時為機組尾水壓力（lì），開機時為機組上遊水壓，機組甩負荷時壓力更高。
密封的（de）工作溫度為基本（běn）為環境（jìng）自然溫度，但機組在轉輪室進氣（qì）壓水後長時間調（diào）相工況運行會導（dǎo）致的水溫升高。
綜合導（dǎo）葉下軸套密封的工作條件（jiàn）如下：
（1）工（gōng）作介質
為基本無沙泥的清澈幹淨的水庫水。
（2）工作水（shuǐ）壓
機組靜止時8bar到10bar；
開機時正常45bar到（dào）60bar；
機組甩負荷（hé）時Z大不超過80bar。
（3）工作溫度：
一般在（zài）5℃到40℃之間，極（jí）限工作溫度不超過70℃。
（4）密封處導葉的運動：
導葉開關轉動的動（dòng）作頻（pín）率一天不超（chāo）過10次，開或關時（shí）間約為15s；
導葉轉動線速度在Φ290軸頸處約為0.0045m/s；
導葉上下垂直竄動量為0.10～0.20mm；
導葉在0°到27°範圍往複開（kāi）關，而不是360°整周旋（xuán）轉運動。
4 原導葉下軸（zhóu）套密封存在的問題及原（yuán）因分析
原導葉下軸套密封為旋轉接（jiē）觸式動密封，形式為向上開口的唇形密封，材料為丁晴橡膠（jiāo）NBR85和夾布（bù）丁腈（jīng）橡膠。
在（zài）某（mǒu）蓄能水電廠機組投（tóu）產一到兩年後，導葉下軸套普遍出現漏水（shuǐ）現象（xiàng）。漏水來自下軸套底部軸承蓋的中心孔及其（qí）外圓四周，即密（mì）封內經（jīng）和外（wài）徑兩個（gè）圓周漏（lòu）水現象同時存在。
機組檢修（xiū）時（shí）進入底環進人廊道，拆下漏水的（de）下軸套密封（fēng），發現密封存在不同程度（dù）的損（sǔn）壞。原丁晴橡膠和夾（jiá）布橡膠密封損壞表現為：密封與導葉一起旋轉，導致被撕扯而斷裂；密封（fēng）出現老化現（xiàn）場，表麵脫層；密封下部內徑處夾入（rù）導葉（yè）間的縫隙而被（bèi）破壞；夾布橡膠帶布與不帶布的部分分層脫開。
總（zǒng）結分析原密封損壞原（yuán）因有：尺寸不（bú）合適（shì），包括內徑和外徑尺寸；材料強度低；材料抗老化（huà）性能差；材（cái）料抗擠壓性能差；密封上部開口太小；密封形式和（hé）結構不合理。
5 新導葉下軸套密封（fēng）工作與設計（jì）要求
根據密封的工作條件和環境，鑒於原密封的性能差和壽命短的情況（kuàng），對（duì）改進的新密（mì）封提出了以（yǐ）下要求：
密封能夠適應機組不同工況下的（de）水壓；
密封材料能夠（gòu）耐高溫，耐溫80℃以上；
密封材料有良好的抗水解能力；
在工作條件下的密（mì）封老化壽（shòu）命在5年以上，5年以內下軸套密封不能出現（xiàn）漏水；
密封彈性較好、形狀恢複性能好，密封（fēng）唇口與導葉（yè）接觸良好，能適應導葉工作過程的約0.25mm左右的偏心；
密封壽命（mìng）內不能出（chū）現表麵脫落和分層脫開等現象；
與密（mì）封內唇（chún）口直接接觸的可（kě）轉動導葉的材料為ZG06Cr13Ni4Mo，表麵加工精度0.8～1.6微米，密封材料（liào）表（biǎo）麵（miàn）磨擦係數低，不因（yīn）損傷導葉表麵而導致導葉被（bèi）磨損；
密封不（bú）能隨（suí）導葉的轉（zhuǎn）動而一起轉動，適應動靜兩種（zhǒng）工作狀態；
通過密封材料選擇或截麵形狀設計避（bì）免密封因被擠壓而夾入與導葉間的縫隙。
6 導葉下軸套新密封的選型（xíng）與設計
對新密封的（de）選型（xíng）與設計，須避免原（yuán）密封（fēng）出現的問（wèn）題，在原（yuán）因分析的基礎上，通過新密封的材料選擇、尺寸、形狀和結構的設計，滿足上述工作與設計要求。
首先，在密封材料選擇上，經過市場調查（chá）和（hé）參考其他電廠（chǎng）實例（lì）比較，分析了多個廠家的不同類型和牌號的密封。現挑選三種材料的主要性能參數比較如下（xià）：
從上表（biǎo）比較可以看出聚醚聚氨酯和抗水解聚氨（ān）酯的各（gè）主要性能參數都遠遠優於目前使用的丁腈橡膠。因此，首先排除（chú）了普通丁腈橡膠類材料，另外也排除了表中未列舉的其他普通聚氨酯材料，Z後聚焦到了抗水解聚氨酯（zhǐ）和聚醚聚氨酯（zhǐ）兩種優質材料（liào）上。
聚醚聚氨酯（zhǐ）材料（liào）各（gè）方麵性（xìng）能優異，但相比性能幾乎同樣優越的抗水解聚氨酯（zhǐ）材料，其價格為後者（zhě）的兩倍以上，性（xìng）價（jià）比（bǐ）不高。因此，決定（dìng）選擇優質抗水解聚氨酯為新密封材料。
相對常規密封材料，改（gǎi）造采用的自潤（rùn）滑抗水解聚氨酯具有以下優點：
抗水解性能優異，抗老化性能好；
材料中添加自潤滑成分，具有更低的摩擦係數（shù），更強的耐磨性能（néng），對導葉軸頸損傷小；
良好的機（jī）械性能，抗撕裂能力強；
抗壓性能強，可以承受較大的擠出間隙；
具有（yǒu）更長的使用壽命，Z低可達5年以上（shàng）。
因此，該自潤滑抗水解聚氨酯密封材料完全符（fú）合下軸套（tào）密封的工作條件與（yǔ）設計要求，克服了原材料的弱點，可避免其出現的問題，各項性能優異。
根據下軸套處部件圖紙尺寸，得出環形（xíng）密封腔的尺寸：截麵寬（kuān）度mm；密封腔的（de）內徑，即導葉外徑為mm；密封腔（qiāng）的外徑（jìng），即軸套密封腔處的內徑mm；密封（fēng）腔的高度（dù）為20mm。
但有導葉與軸套間存在0.11～0.243mm的間（jiān）隙，在導葉工作過程中會造成導葉中心與軸套密封中心的不同心，而且導葉自潤滑軸套本身的彈性形變約為0.15mm左右。這樣，導葉軸中（zhōng）心與密封中心可能存在的偏（piān）心範圍在0.26～0.395mm。密封（fēng）尺寸設計特別是唇口設計時（shí）應考慮到該偏心。
密封腔內徑下部的擠（jǐ）出間隙即下軸承蓋與導葉軸頸（jǐng）間的間隙。綜合考（kǎo）慮導（dǎo）葉、下軸（zhóu）套（tào）和下軸承底蓋間的加工誤差與（yǔ）配（pèi）合偏心，得出導葉四周即密封腔內（nèi）徑下（xià）部的單邊擠出間隙基本為1mm左右，範圍為（wéi）0.645～1.491mm，而且由於導葉與軸套偏心的存在，導葉四周的擠出（chū）間隙是呈橢圓變化分部。密封的（de）選材、底（dǐ）部的（de）形狀與尺寸設計時應充分考慮該擠出間隙。
通過設計比較和分析，導葉下軸套新密封（fēng）采用由Y形結構主密封、底部內側（cè）的耐磨環和唇口O形條三部分組成的（de）複（fù）合環形結構。新密封的尺寸為：Z大外徑為322.75mm，Z小內徑290.23mm，高（gāo）度為19mm，密封截麵靜態（tài）壓縮率為7.75%。
圖2 導葉下軸套密封腔體及截麵形狀圖
新密封在結構和（hé）形狀上的設計（jì）特點有：
（1）密封的截麵形狀（zhuàng）仍為開口朝上即朝水壓方向的唇（chún）形密封，並在唇口分（fèn）段放入O形密封條以保證任何情況下強行脹開，解決了一般（bān）密封低水壓（yā）效果差（chà）的問題。唇口O形密封條材料為優質丁腈橡膠。
（2）為增強抵（dǐ）抗（kàng）擠出間隙的能力在密封底部靠導葉（yè）軸頸處設（shè）計了耐磨環，耐磨環材料（liào）為硬度（dù）更高和抗擠壓能力更強的黑色複（fù）合尼龍。這（zhè）種增加耐磨環的結構及特（tè）殊的尺（chǐ）寸設計，在100bar水壓時，允許單邊2.5mm的擠壓間隙，完全本密封符合工作要求；
（3）采用靜（jìng）態無壓力時預緊設計，不論高水壓還是（shì）低（dī）水壓，都可以實現良好（hǎo）的密封，也適應導葉與密封的微小形位偏心；
（4）密封唇口內圓設計獨特，接觸麵少，極大地降低（dī）了（le）摩擦阻力，較少了磨耗。密封（fēng）外徑比腔體外（wài）徑大，加上其獨特的形（xíng）狀，使得密封在腔體更加（jiā）穩定，可以有效防止密封隨導葉一起旋轉。
（5）密封成型采用數（shù）控（kòng）車床車削加工的方法，而非傳統的模（mó）具澆鑄，尺（chǐ）寸精確可控，誤（wù）差極小（xiǎo），產品質量高。
7 新密封應用現狀
某蓄能電廠已經全部更（gèng）換（huàn）了8台（tái）機組的160副導葉（yè）下軸套密封。安裝新密封的機組運行近三（sān）年時間內，新密封幾乎做到了滴水不漏，表現優異。但也發現個別導葉偶爾（ěr）在開停機瞬間出現滴水現象，拆卸密（mì）封檢查完好，推測為開停機時個別（bié）導葉及（jí）軸套（tào）偏（piān）向一邊極限（xiàn）引起，動作後回複正（zhèng）常。導葉下軸套密封的改（gǎi）造消除了電廠（chǎng）的（de）重要缺陷，減少了檢修工作量（liàng），保障了機組的（de）安全穩定運行，也改（gǎi）觀（guān）了廠房的麵貌。
8 結語
中國抽水（shuǐ）蓄能電站建設方興未艾，基（jī）本都是高水頭大容量機組，而且已經逐步（bù）過（guò）渡到國產化自主設計抽水蓄能機（jī）組（zǔ）階段。抽水蓄能機組運行工況複雜，導水機構工作條件苛刻，如果導葉下軸套材料（liào）不過關（guān），很可能造成導葉下軸（zhóu）套密封損壞繼而引發大量（liàng）漏水，隻能重新改造和更換密封。特別（bié）是近年來（lái）新設計的抽水蓄能機組，上拆機組（zǔ）較多，導葉下軸套密封的損壞，將不得（dé）不麵對整台機組大（dà）修的問題，電廠停機損失巨大。
對於新設（shè）計與新（xīn）投產機組，製造廠家礙（ài）於（yú）成本考（kǎo）慮（lǜ），對（duì）下（xià）軸（zhóu）套密封材料一般使用較為普通而便宜的普通橡膠（jiāo）類材料（liào）。業主單位應在招（zhāo）標和設計階段明確要（yào）求廠家采用類似本文的（de）性能優異（yì）、使用壽命長的密封材料。另外，對於中拆和上拆機組，可以考慮增加導葉（yè）下軸套的檢修方法，像某蓄能水電廠增加底環（huán）進人廊道；或者也可以（yǐ）考慮在不（bú）拆卸發電機的情況下，在水車室可以拆卸和提升頂（dǐng）蓋進而可以更（gèng）換導葉下軸套密封的特別設計。
導葉（yè）下軸套密封漏水作為水電廠的常見問題，本文介紹的成功改造經驗，可以為（wéi）投運和新建的水電廠甚至電站設備和密封廠家（jiā），提（tí）供寶貴的借鑒；也可為水機其（qí）他密封的選型和改造提供（gòng）參考思路和方法。
