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        某水電站生態(tài)機(jī)組主軸密封結(jié)構(gòu)形式及材料優(yōu)化

        2023-11-16 01:38:20楊希華龔芹炬
        水電站機(jī)電技術(shù) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:壓環(huán)水導(dǎo)密封件

        楊希華,龔芹炬

        (中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

        1 電站簡(jiǎn)介

        某水電站位于湖南省洪江市,電站裝機(jī)830 MW,其中生態(tài)機(jī)組裝機(jī)30 MW。生態(tài)機(jī)組于2014 年3月投產(chǎn)。

        電站主要上下游水位:

        上游正常水位: 250.00 m

        正常尾水位: 214.41 m

        最低尾水位: 195.60 m

        生態(tài)機(jī)組水輪機(jī)基本參數(shù)[1]

        水輪機(jī)型號(hào): HL(FF133)-LJ-195

        最大水頭: 56 m

        額定水頭: 49 m

        最小水頭: 34 m

        加權(quán)平均水頭: 50 m

        轉(zhuǎn)輪直徑: 1.95 m

        額定轉(zhuǎn)速: 300 r/min

        飛逸轉(zhuǎn)速: 537 r/min

        額定流量: 35.08 m3/s

        額定出力: 15.5 MW

        水輪機(jī)安裝高程: 192.80 m

        旋轉(zhuǎn)方向: 俯視順時(shí)針

        2 優(yōu)化改造的必要性

        2.1 原主軸密封與水導(dǎo)軸承的特殊組合結(jié)構(gòu)

        水輪機(jī)主軸密封與水導(dǎo)軸承通常為獨(dú)立的結(jié)構(gòu),相互不影響。該機(jī)組主軸密封與水導(dǎo)軸承為特殊的組合結(jié)構(gòu),主軸密封布置在水導(dǎo)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)油盆外側(cè),轉(zhuǎn)動(dòng)油盆既用于水導(dǎo)軸承又用于主軸密封,如圖1 所示。

        圖1 原主軸密封和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

        水導(dǎo)軸承為稀油潤滑筒式瓦軸承,轉(zhuǎn)動(dòng)油盆為不分瓣的整體結(jié)構(gòu)。機(jī)組停機(jī)時(shí),潤滑油全部在轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi),軸瓦下部浸在油中。機(jī)組啟動(dòng)后,潤滑油自轉(zhuǎn)動(dòng)油盆經(jīng)水導(dǎo)軸瓦下部法蘭外側(cè)進(jìn)油孔進(jìn)入上油箱,經(jīng)布置在上油箱的冷卻器冷卻后,通過軸瓦內(nèi)圓上的數(shù)道斜槽進(jìn)入軸瓦表面并形成油膜,之后返回轉(zhuǎn)動(dòng)油盆,如此往復(fù)循環(huán)。

        主軸密封布置在水導(dǎo)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)油盆外側(cè),設(shè)一道L 型工作密封和一道檢修密封,L 型密封件材料為丁腈橡膠。為增加工作密封的耐磨性,轉(zhuǎn)動(dòng)油盆接觸面鑲嵌40 mm×7 mm 不銹鋼環(huán),作為抗磨環(huán)。

        2.2 原主軸密封與水導(dǎo)軸承存在的問題

        該生態(tài)機(jī)組主軸密封存在的以下問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[2,3]:

        (1)原轉(zhuǎn)動(dòng)油盆鑲嵌的不銹鋼抗磨環(huán)材質(zhì)耐磨性較差,經(jīng)過近5 年時(shí)間運(yùn)行,已磨出一道寬度約15 mm、深度約3 mm 溝槽。

        (2)原轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的磨損加速了L 型密封件的磨損,導(dǎo)致L 型接觸式密封壽命小于C 級(jí)檢修周期。

        (3)L 型密封失效后,導(dǎo)致主軸密封漏水量大。因漏水來不及排出,水進(jìn)入軸承油槽,導(dǎo)致水導(dǎo)軸承內(nèi)潤滑油乳化變質(zhì),影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

        (4)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)為整體結(jié)構(gòu),電站檢修轉(zhuǎn)動(dòng)油盆時(shí)需拆除發(fā)電機(jī)上機(jī)架、吊出轉(zhuǎn)子、拆除推力軸承、發(fā)導(dǎo)軸承、下機(jī)架等,因此轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的檢修只有在機(jī)組大修時(shí)才能實(shí)施,檢修工作量大[4]。

        3 主軸密封優(yōu)化改造方案研究及實(shí)施

        針對(duì)主軸密封存在的問題,對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆、轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板、主軸密封結(jié)構(gòu)、L 型密封材料進(jìn)行了一系列優(yōu)化改造。改造后的主軸密封和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)如圖2 所示[5]。

        圖2 優(yōu)化改造后主軸密封和水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

        3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)油盆優(yōu)化改造方案

        (1)采用分瓣式結(jié)構(gòu)

        通過對(duì)原整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆結(jié)構(gòu)分析,認(rèn)為原整體式轉(zhuǎn)動(dòng)油盆完全可以改造成分瓣結(jié)構(gòu)。根據(jù)調(diào)研,國內(nèi)各制造廠在設(shè)計(jì)、制造稀油潤滑筒式瓦軸承方面有豐富的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn),可以保證轉(zhuǎn)動(dòng)油盆在任何工況下不漏油。改造為分瓣結(jié)構(gòu)后,檢修轉(zhuǎn)動(dòng)油盆時(shí)只需拆除水導(dǎo)軸承的上部分部件,檢修工作量將明顯減小。

        優(yōu)化改造后的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆為2 瓣結(jié)構(gòu),分瓣面采用螺栓把合。轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的外徑保持不變,為布置螺栓和增加剛性,內(nèi)徑減小使筒體加厚。分瓣式轉(zhuǎn)動(dòng)油盆每個(gè)合縫面采用10 個(gè)M12 和2 個(gè)M16 螺栓連接。轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面合縫處采用局部凹下0.08~0.12 mm過渡設(shè)計(jì),防止轉(zhuǎn)動(dòng)油盆旋轉(zhuǎn)時(shí)合縫面產(chǎn)生的錯(cuò)牙對(duì)L 型密封件的損壞[6-8]。

        (2)摩擦部分采用高強(qiáng)度不銹鋼材料并進(jìn)行熱噴涂。原轉(zhuǎn)動(dòng)油盆本體材料為碳鋼,在主軸密封接觸面抗磨環(huán)處鑲嵌了耐磨性較差?yuàn)W氏體不銹鋼。新轉(zhuǎn)動(dòng)油盆中,與主軸密封接觸段材料采用04Cr13Ni5Mo 不銹鋼材料,強(qiáng)度和耐磨性較原設(shè)計(jì)有明顯提升。為延長使用壽命,提高轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)段的抗磨性能,在轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)段表面采用高速火焰噴涂金屬碳化鎢抗磨涂層(HVOF)[9]。

        3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板優(yōu)化改造方案

        為防止主軸密封處漏水進(jìn)入水導(dǎo)軸承下油槽引起水導(dǎo)軸承潤滑油乳化變質(zhì),對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板優(yōu)化見圖3。

        圖3 新轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板

        (1)適當(dāng)加大蓋板外緣直徑,上表面采用內(nèi)高外低斜面設(shè)計(jì),內(nèi)側(cè)設(shè)凸起5 mm 的擋水環(huán)。

        (2)分瓣面螺栓連接部位的凹槽與外緣之間設(shè)斜向上的排水孔,以備凹槽內(nèi)有水時(shí)能夠及時(shí)排出。

        (3)蓋板內(nèi)側(cè)密封部位設(shè)斜向下的回油孔。

        3.3 主軸密封優(yōu)化改造方案

        (1)增加L 型密封調(diào)整環(huán)

        為了減小主軸密封的漏水,更換密封壓環(huán),新密封壓環(huán)中與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆配合處堆焊奧氏體不銹鋼,減小密封壓環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面之間的間隙,從而減小主軸密封的漏水[10]。

        為了盡可能延長轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的使用壽命,在密封壓環(huán)和L 型密封件之間增設(shè)1 道用于調(diào)整L型密封件高度位置的調(diào)整環(huán),調(diào)整環(huán)分2 瓣,分瓣面用螺栓把合。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)磨損嚴(yán)重不宜再繼續(xù)使用時(shí),拆下調(diào)整環(huán),僅安裝密封壓環(huán)和L 型密封件,此時(shí)L 型密封件與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面的配合位置避開損壞區(qū)域,猶如更換了1 只新的抗磨環(huán),可使轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的使用壽命在噴涂的基礎(chǔ)上再提高一倍。

        (2)L 型密封材料優(yōu)化

        原L 型密封材料為丁腈橡膠,為了提高主軸密封中的L 型密封件的使用壽命,延長檢修周期,通過幾種水輪機(jī)常用密封件材料綜合性能對(duì)比,最終確定采用丁苯橡膠。丁苯橡膠耐油、耐水、耐磨、耐熱、耐老化及硫化速度等性能均優(yōu)于丁腈橡膠[11]。

        4 結(jié)論

        該電站生態(tài)機(jī)組主軸密封和水導(dǎo)軸承的優(yōu)化改造研究及創(chuàng)新應(yīng)用如下:

        (1)將整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆改造成分瓣結(jié)構(gòu),克服了檢修、更換轉(zhuǎn)動(dòng)油盆時(shí)必須大修才能實(shí)施的缺點(diǎn),方便對(duì)主軸密封和水導(dǎo)軸承的檢修,從而大大縮短了檢修周期;

        (2)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋板采用內(nèi)高外低、適當(dāng)加大蓋板的外緣直徑等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后,防止主軸密封處的漏水進(jìn)入水導(dǎo)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi),避免轉(zhuǎn)動(dòng)油盆內(nèi)的潤滑油乳化變質(zhì);

        (3)在密封壓環(huán)上與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆的配合處堆焊奧氏體不銹鋼,減小密封壓環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨面之間的間隙,從而減小主軸密封的漏水;

        (4)密封壓環(huán)和L 型密封件之間增設(shè)1 道用于調(diào)整L 型密封件高度位置的調(diào)整環(huán)。安裝調(diào)整環(huán),轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)可在不同高度位置,因而轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)的使用壽命再延長一倍;

        (5)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆本體材料選用高強(qiáng)度耐磨不銹鋼04Cr13Ni5Mo;

        (6)L 型密封件采用耐水耐磨耐熱的丁苯橡膠;

        (7)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)表面采用先進(jìn)的高速火焰噴涂碳化鎢抗磨涂層(HVOF),使抗磨表面抗磨能力及使用壽命提高3~5 倍。

        某電站生態(tài)機(jī)組主軸密封通過上述改造研究及技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用,經(jīng)過近2 年的持續(xù)性觀察,轉(zhuǎn)動(dòng)油盆抗磨環(huán)幾乎沒有磨損,解決了電站原主軸密封存在的問題。主軸密封的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命均明顯提高,保證了機(jī)組安全持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

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