閆廣志，姜 娜，梁雪山，徐向東

(1.國網(wǎng)東北分部綠源水力發(fā)電公司檢修公司，遼寧 丹東 118000；2.丹東大東線圈工程有限公司，遼寧 丹東 118000)

0 引言

導(dǎo)葉立面密封質(zhì)量的好壞直接影響水輪發(fā)電機組開機的穩(wěn)定性以及是否出現(xiàn)機組自轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。針對導(dǎo)葉立面密封形式，文獻[1-3]提出了由單一燕尾槽膠條密封改造為橡膠條加出水邊單側(cè)不銹鋼壓板密封形式，有效解決了導(dǎo)葉立面密封問題。文獻[4]采用聚醚聚氨酯彈性體為原材料，設(shè)計一種“D”型密封方式，通過兩種不同形狀密封組合而成，并將薄不銹鋼條插入兩者之間，起固定作用，該種密封方式有效解決了機組蠕動現(xiàn)象以及安裝困難問題，提高了機組穩(wěn)定性。文獻[5]利用ANSYS Workbench 軟件對中、低水頭水輪機導(dǎo)葉立面密封進行有限元分析，結(jié)果表明，通過對導(dǎo)葉局部密封進行修改，可以實現(xiàn)直接靠金屬接觸面研合方式進行密封。

某電站2 號機組原導(dǎo)葉立面密封采用膠條密封，即軟密封。這種密封方式在機組投運數(shù)年后，導(dǎo)葉密封膠條逐漸出現(xiàn)脫落、疲勞損傷、彈性降低等問題。為解決上述問題，提出由傳統(tǒng)膠條密封改造為導(dǎo)葉剛性接觸硬密封方式，從而提高導(dǎo)葉立面密封性，減少導(dǎo)葉立面間隙漏水量，降低更換密封膠條成本以及消除導(dǎo)葉立面間隙的存在導(dǎo)致的水力不平衡，進而產(chǎn)生的機組振動等現(xiàn)象。

1 導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化方案

1.1 膠條密封方式缺陷

機組經(jīng)過長期運行后，密封膠條結(jié)構(gòu)破壞。原因是導(dǎo)葉開度隨著機組出力發(fā)生變化，當導(dǎo)葉處于關(guān)閉過程中，水流中含有雜質(zhì)(如木棒、鐵塊等)，在接力器作用下，被導(dǎo)葉夾固，致使導(dǎo)葉立面膠條彈性性能降低，嚴重情況下，膠條由彈性變?yōu)閯傂?，從而產(chǎn)生導(dǎo)葉立面間隙，甚至破壞密封膠條結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉密封膠條通過壓板及固定螺栓固定于導(dǎo)葉進水邊，固定螺栓的脫落也會造成壓板及密封膠條脫落，致使導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴。

1.2 導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化

基于上述傳統(tǒng)膠條密封方式的缺陷，在機組改造過程中，將傳統(tǒng)膠條密封方式改為導(dǎo)葉立面剛性接觸硬密封，導(dǎo)葉進水邊與出水邊直接進行面接觸。接觸面材質(zhì)選擇不銹鋼，進而提高接觸面材料性能。在接力器作用下，導(dǎo)葉進水邊與出水邊進行剛性接觸硬密封。

1.3 導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整工藝

由于本次導(dǎo)葉立面密封形式發(fā)生改變，導(dǎo)葉在回裝過程中，第一個導(dǎo)葉的安裝角度無法確定，無任何安裝的理論依據(jù)?；谏鲜鲈颍捎脗鹘y(tǒng)捆綁法。在導(dǎo)葉處于自由不受力狀態(tài)下，使用鋼絲繩將24 個導(dǎo)葉捆綁1.5 圈，一端固定于固定導(dǎo)葉上，另一端通過葫蘆固定在吊鉤上，拉緊鋼絲繩，關(guān)閉導(dǎo)葉。在拉緊過程中，使用銅棒先敲擊奇數(shù)導(dǎo)葉，隨后敲擊偶數(shù)導(dǎo)葉，使24 個導(dǎo)葉處于自由、靈活狀態(tài)。

導(dǎo)葉捆綁時，使用0.05 mm 塞尺測量導(dǎo)葉立面上(A—A)、中(B—B)、下（C—C）三個部位間隙，當間隙值在0.20 mm 以下時，再次使用銅棒敲震各個導(dǎo)葉，使其消除鋼絲的余力，克服自身的彈性變形。卸載鋼絲繩外力時，監(jiān)視各立面間隙值，測量導(dǎo)葉立面間隙是否發(fā)生變化。

2 測量結(jié)果及材料性能分析

2.1 導(dǎo)葉立面間隙值分析

為確保修后導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整具有參考性，需要進行機組修前立面間隙測量。測量結(jié)果如表1 所示，機組在長期運行后，1-2 號、22-23 號導(dǎo)葉立面中間部位間隙值為0.50 mm；3-4 號、20-21 號導(dǎo)葉立面中間部位間隙值為0.10 mm；11-12 號導(dǎo)葉立面三個部位間隙值都為1.00 mm，該處漏水量最為嚴重；23-24 號導(dǎo)葉立面下部位出現(xiàn)0.30 mm間隙。

表1 2 號機組修前導(dǎo)葉立面間隙測量值

出現(xiàn)嚴重漏水的原因有以下幾點。

1) 由于原立面密封方式為膠條密封，在水流沖擊力的長期作用下，密封膠條產(chǎn)生疲勞損傷，致使立面間隙增大。

2) 密封膠條背面滲入來自上游段的高壓水流，當導(dǎo)葉開度較小時，流道較窄，壓力較低，從而形成壓差，造成脫落。

3) 由于導(dǎo)葉密封膠條固定于導(dǎo)葉上端，在固定端會產(chǎn)生空蝕，造成固定螺栓、壓板脫落，進而致使密封膠條脫落。

4) 機組在停機過程中，由于水流中雜質(zhì)被導(dǎo)葉夾固，機組導(dǎo)葉立面間隙不為零。

導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化后，根據(jù)預(yù)裝方案，對導(dǎo)葉進行回裝，無油壓狀態(tài)下，測量修后導(dǎo)葉立面間隙值如表2 所示。11-12 號、17-18 號、22-23 號導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.20 mm，長度約為80 mm；19-20 號導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.10 mm，長度約為60 mm；13-14 號導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.15 mm，長度約為60 mm；9-10 號導(dǎo)葉立面下部間隙值為0.10 mm，長度約為50 mm；1-2 號導(dǎo)葉立面上部間隙值為0.15 mm，長度約為70 mm。其余導(dǎo)葉立面間隙值為零。導(dǎo)葉總高度約為760 mm，依據(jù)電廠技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，在導(dǎo)葉安裝過程中，導(dǎo)葉全關(guān)無油壓立面間隙為零，以0.05 mm塞尺檢查不能通過，局部間隙不大于0.10 mm，其長度不大于導(dǎo)葉總高度的1/4，即190 mm。根據(jù)廠家標準，導(dǎo)葉全關(guān)無油壓立面局部間隙不大于0.20 mm，其長度不大于導(dǎo)葉總高度的1/4。測量結(jié)果表明：立面間隙最大值為0.20 mm，存在間隙部位的最大長度為80 mm，遠小于190 mm，滿足廠家技術(shù)要求。在接力器油壓作用導(dǎo)葉全關(guān)狀態(tài)下，測量各個導(dǎo)葉立面間隙值為零。導(dǎo)葉由傳統(tǒng)膠條密封變換為剛性接觸硬密封后，效果優(yōu)于修前膠條接觸軟密封。

表2 2 號機組無油壓修后導(dǎo)葉立面間隙測量值

剛性接觸硬密封方式需要導(dǎo)葉加工工藝較高，必須滿足導(dǎo)葉在回裝過程中，各個導(dǎo)葉的安裝位置精準，不允許發(fā)生移位、錯位等現(xiàn)象，且立面上、中、下三個部位的間隙測量值不允許偏差較大，最大相對偏差不大于0.20 mm。

2.2 導(dǎo)葉開度分析

導(dǎo)葉立面密封優(yōu)化后，在調(diào)速器開度為55 %、100 %狀態(tài)下，分別測定導(dǎo)葉開口度，需滿足導(dǎo)葉最大開度值偏差不超過最大平均開度的±3 %，才符合驗收標準。

在導(dǎo)葉開度為55 %時，使用卡鉗及鋼板尺依次測量導(dǎo)葉開度值，測量結(jié)果如表3 所示，最大導(dǎo)葉開度值為140 mm，最小導(dǎo)葉開度值為133 mm。導(dǎo)葉最大開度偏差值為2.96 %，滿足導(dǎo)葉最大開度值偏差不超過最大平均開度的±3 %。導(dǎo)葉全開(100 %)狀態(tài)下，設(shè)計全開值為305 mm，開口偏差不大于±2%，測量結(jié)果如表3 所示，最大導(dǎo)葉開度值為309 mm，最小導(dǎo)葉開度值為303 mm，實測最大開口偏差值為1.06 %。兩種狀態(tài)下均滿足導(dǎo)葉開度驗收標準。導(dǎo)葉立面密封方式改造后，導(dǎo)葉開度仍滿足開度條件。

表3 2 號機組導(dǎo)葉開度值

2.3 材料性能分析

表4 為聚四氟乙烯與不銹鋼材料的力學(xué)性能。傳統(tǒng)導(dǎo)葉立面密封方式為膠條密封，密封材料為聚四氟乙烯，該材料屈服強度為23 MPa，剛性接觸硬密封材料為不銹鋼，屈服強度為205 MPa，不銹鋼材料的屈服強度約是聚四氟乙烯的8.9 倍。當導(dǎo)葉進行關(guān)閉時，導(dǎo)葉進水邊與出水邊接觸受力增加，當壓力值達到23 MPa 時，極易使聚四氟乙烯材料發(fā)生彈性形變后無法恢復(fù)原狀，變?yōu)樗苄圆牧?，而不銹鋼材料的屈服強度為205 MPa，與橡膠密封材料相比較，極難發(fā)生塑性變形。不銹鋼材料抗彎強度為520 MPa，當導(dǎo)葉關(guān)閉時，即使出現(xiàn)木棍等雜質(zhì)被導(dǎo)葉夾固的情況，不銹鋼立面也極難發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象。綜上分析，剛性接觸硬密封優(yōu)于傳統(tǒng)膠條密封[6

表4 聚四氟乙烯與不銹鋼材料力學(xué)性能

]。

3 結(jié)論

通過對水輪發(fā)電機組導(dǎo)葉立面密封形式進行優(yōu)化，將傳統(tǒng)膠條密封變換為剛性接觸硬密封，研究分析得出如下結(jié)論。

1) 無油壓狀態(tài)下，剛性接觸硬密封立面間隙最大值為0.20 mm，長度約為80 mm，遠小于190 mm；在接力器油壓作用下，導(dǎo)葉全關(guān)，測量各個導(dǎo)葉立面間隙值為零，滿足檢修工藝技術(shù)要求。導(dǎo)葉由傳統(tǒng)膠條密封變?yōu)閯傂越佑|硬密封后，優(yōu)于修前膠條軟密封。

2) 在導(dǎo)葉開度為55 %時，使用卡鉗及鋼板尺依次測量導(dǎo)葉開度值，導(dǎo)葉最大開度值偏差為2.96 %；100 %開度時，導(dǎo)葉最大開度值偏差不超過最大平均開度的±3 %。

3) 不銹鋼材料的力學(xué)性能優(yōu)于聚四氟乙烯，其屈服強度是聚四氟乙烯的8.9 倍。與橡膠密封材料相比，導(dǎo)葉不銹鋼剛性接觸硬密封極難發(fā)生塑性變形，結(jié)構(gòu)不易發(fā)生破壞，可提高導(dǎo)葉立面密封性，防止機組發(fā)生自轉(zhuǎn)，保障了機組的安全、穩(wěn)定運行。