張建云,張帆

（1.華能甘肅水電開(kāi)發(fā)有限公司肅北分公司，甘肅 酒泉 736300；2.克拉瑪依天華新能源電力有限公司，新疆 奎屯 833200）

黨上四級(jí)水電站位于甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣境內(nèi)的黨河上游干流上，黨河在此段縱坡較大，平均在23‰左右，地層主要是第四系沖洪積漂、卵、礫石及下部巖石組成，黨河流域多年平均輸沙率Qp=20.7 kg/s，平均年輸沙量Wp=65.3×104t，懸移質(zhì)平均含沙量CS=1.93 kg/m3，電站安裝有兩臺(tái)6.3 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭73.6 m，額度轉(zhuǎn)速500 r/min，水輪機(jī)型號(hào)為HLJF3011B-LJ-117，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量5 386萬(wàn)kW·h。

1 水輪機(jī)工作密封

1.1 工作密封的作用

水輪機(jī)是將水的能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，再通過(guò)轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能的一種機(jī)器[1]。水輪機(jī)工作密封是水輪機(jī)關(guān)鍵部件之一，它裝在立式機(jī)組水導(dǎo)軸承的下部，主要由固定轉(zhuǎn)環(huán)和橡膠密封環(huán)組成，以防止壓力水流從主軸和頂蓋之間的間隙上溢，影響導(dǎo)軸承的正常工作。如果出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)軸承就有被水淹沒(méi)的危險(xiǎn)，妨礙水輪機(jī)的正常工作，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

1.2 工作密封的分類

目前水輪機(jī)主軸密封主要有兩種分類：①按照工作性質(zhì)劃分為工作密封和檢修密封。工作密封按照密封結(jié)構(gòu)形式可分為：平板密封、徑向密封、盤根密封、端面密封以及迷宮環(huán)密封，黨上四級(jí)水電站采用平板密封。②按水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)劃分為接觸式密封和非接觸式密封。非接觸式密封方式包括反螺旋密封、離心式密封[3]。

1.3 平板密封的工作原理

工作密封環(huán)底座下部通入0.02～0.1MPa的壓力清潔水，通過(guò)水壓力使密封環(huán)克服自身重量上浮起來(lái)，頂住固定在主軸上的轉(zhuǎn)環(huán)上，轉(zhuǎn)環(huán)隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，密封環(huán)安裝在活塞密封座里，密封環(huán)上對(duì)稱設(shè)計(jì)了4根直徑為Φ8 mm定位銷，限制密封環(huán)只能作上下運(yùn)動(dòng)，不能作環(huán)向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖1。密封環(huán)在壓力水的作用下，與轉(zhuǎn)環(huán)緊密貼合，使水輪機(jī)與頂蓋處的漏水受到阻礙，不能直接流向頂蓋，從而達(dá)到封水效果[4]。

圖1 平板密封結(jié)構(gòu)

1.4 工作密封的材質(zhì)選擇

工作密封選用的材質(zhì)有泰迪（TAIDIER）、耐水PU（聚醚聚氨酯）、耐油橡膠NBR等，可根據(jù)電站的水頭、軸徑、轉(zhuǎn)速、水質(zhì)、安裝空間及使用頻率等參數(shù)來(lái)選擇相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。

2 黨上四級(jí)水電站水輪機(jī)工作密封運(yùn)行情況

黨上四級(jí)水電站自投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，由于水輪機(jī)工作密封受泥沙影響磨損較快，當(dāng)機(jī)組汛期運(yùn)行時(shí)，夾雜泥沙的渾水滲入轉(zhuǎn)環(huán)與密封環(huán)之間，加劇了密封環(huán)的磨損[5]，致使主軸密封漏水量逐漸增大，進(jìn)而引起水導(dǎo)油盆進(jìn)水、油質(zhì)乳化。在未使用泰迪材料密封環(huán)之前，每年4～9月單臺(tái)機(jī)組更換工作密封環(huán)的次數(shù)在3～4次，增加了檢修維護(hù)工作量和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)還影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。工作密封損壞較快的主要原因是工作密封環(huán)材料抗耐磨性能較低、摩擦系數(shù)大、硬度低，轉(zhuǎn)環(huán)磨損量不足1/3時(shí)工作密封圈完全磨穿，致使工作密封失效。

3 泰迪材料工作密封的實(shí)際應(yīng)用

3.1 泰迪材料工作密封環(huán)性能優(yōu)勢(shì)

泰迪材料是一種綜合性能優(yōu)良的高分子樹(shù)脂基復(fù)合材料，具有穩(wěn)定性好、良好的耐磨性、摩擦系數(shù)低，吸水膨脹率低、自潤(rùn)滑性能好、抗沖擊等特點(diǎn)，同時(shí)還具有良好的機(jī)械加工性能和耐酸、堿、化學(xué)腐蝕性。在使用中與轉(zhuǎn)環(huán)表面接觸時(shí)容易保持滑動(dòng)，避免出現(xiàn)撕拉，對(duì)密封環(huán)本身有一定的保護(hù)作用，較好的耐磨性和磨損率保證了長(zhǎng)期使用性。

表1 泰迪材料工作密封環(huán)主要性能指標(biāo)

3.2 泰迪材料工作密封實(shí)際應(yīng)用效果

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，攜帶泥、沙、石的頂蓋水流過(guò)工作密封環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)之間的間隙，對(duì)密封環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)表面產(chǎn)生磨損破壞。黨上四級(jí)水電站采用泰迪材料工作密封環(huán)，在使用過(guò)程中，一是保證密封環(huán)能在潤(rùn)滑水壓力和彈簧的作用下靈活移動(dòng)，保證密封環(huán)磨損時(shí)能夠提供補(bǔ)償。二是工作密封潤(rùn)滑水壓強(qiáng)和彈簧彈力可以調(diào)節(jié)，并保持與工作密封的漏水壓強(qiáng)相適應(yīng)。壓強(qiáng)或彈力太低時(shí)將導(dǎo)致密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)脫離，漏水量增大；壓強(qiáng)或彈力太高將導(dǎo)致密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)貼合過(guò)緊，出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的干摩擦而損壞密封環(huán)，主軸間隙滲水中的沙粒被擠壓在工作密封圈和轉(zhuǎn)環(huán)之間，造成沙粒劃傷工作密封圈和轉(zhuǎn)環(huán)，加劇了工作密封的磨損，實(shí)際機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中這是工作密封損壞的主要原因。三是調(diào)節(jié)工作密封潤(rùn)滑水壓。黨河河水中的泥沙含量較大，可以通過(guò)調(diào)節(jié)潤(rùn)滑水壓力將含泥沙水壓回到主軸一側(cè)，不造成摩擦副的磨損。

基于泰迪材料工作密封環(huán)低摩擦系數(shù)和高耐磨等材料性能，保證在密封環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)之間形成一層有效的水膜，這樣即可以密封住從主軸間隙壓上來(lái)的水，又可以保護(hù)密封環(huán)不被磨損。目前，黨上四級(jí)水電站單臺(tái)機(jī)組工作密封更換次數(shù)下降到每年0～1次，延長(zhǎng)了機(jī)組的檢修周期，取得了可觀的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在不改變現(xiàn)有部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的前提下，采用合理的運(yùn)行方式，經(jīng)過(guò)不斷的探索選材和實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)效果，泰迪材料工作密封環(huán)應(yīng)用在多泥沙河流混流式水輪機(jī)上的效果顯著，可有效密封水輪機(jī)頂蓋上水，減小了密封環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)的磨損，有效降低了檢修維護(hù)成本，提高了機(jī)組安全穩(wěn)定性，在同條件、同類型機(jī)組上可以推廣應(yīng)用，也可廣泛應(yīng)用于電力、化工、機(jī)械制造、冶金、船舶等行業(yè)。