水輪發電機組導葉立面密封方式優化

閆廣志，姜 娜，梁雪山，徐向東

(1.國網東北分部綠源水力發電公司檢修公司，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

導葉立面密封質量的好壞直接影響水輪發電機組開機的穩定性以及是否出現機組自轉等現象。針對導葉立面密封形式，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不銹鋼壓板密封形式，有效解決了導葉立面密封問題。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象以及安裝困難問題，提高了機組穩定性。文獻[5]利用ANSYS Workbench 軟件對中、低水頭水輪機導葉立面密封進行有限元分析，結果表明，通過對導葉局部密封進行修改，可以實現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年后，導葉密封膠條逐漸出現脫落、疲勞損傷、彈性降低等問題。為解決上述問題，提出由傳統膠條密封改造為導葉剛性接觸硬密封方式，從而提高導葉立面密封性，減少導葉立面間隙漏水量，降低更換密封膠條成本以及消除導葉立面間隙的存在導致的水力不平衡，進而產生的機組振動等現象。

1 導葉立面密封優化方案

1.1 膠條密封方式缺陷

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

1.2 導葉立面密封優化

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

1.3 導葉立面間隙調整工藝

由于本次導葉立面密封形式發生改變，導葉在回裝過程中，第一個導葉的安裝角度無法確定，無任何安裝的理論依據?；谏鲜鲈?，采用傳統捆綁法。在導葉處于自由不受力狀態下，使用鋼絲繩將24 個導葉捆綁1.5 圈，一端固定于固定導葉上，另一端通過葫蘆固定在吊鉤上，拉緊鋼絲繩，關閉導葉。在拉緊過程中，使用銅棒先敲擊奇數導葉，隨后敲擊偶數導葉，使24 個導葉處于自由、靈活狀態。

導葉捆綁時，使用0.05 mm 塞尺測量導葉立面上(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，監視各立面間隙值，測量導葉立面間隙是否發生變化。

2 測量結果及材料性能分析

2.1 導葉立面間隙值分析

為確保修后導葉立面間隙調整具有參考性，需要進行機組修前立面間隙測量。測量結果如表1 所示，機組在長期運行后，1-2 號、22-23 號導葉立面中間部位間隙值為0.50 mm；3-4 號、20-21 號導葉立面中間部位間隙值為0.10 mm；11-12 號導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 號導葉立面下部位出現0.30 mm間隙。

表1 2 號機組修前導葉立面間隙測量值

出現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) 由于導葉密封膠條固定于導葉上端，在固定端會產生空蝕，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，由于水流中雜質被導葉夾固，機組導葉立面間隙不為零。

導葉立面密封優化后，根據預裝方案，對導葉進行回裝，無油壓狀態下，測量修后導葉立面間隙值如表2 所示。11-12 號、17-18 號、22-23 號導葉立面下部間隙值為0.20 mm，長度約為80 mm；19-20 號導葉立面下部間隙值為0.10 mm，長度約為60 mm；13-14 號導葉立面下部間隙值為0.15 mm，長度約為60 mm；9-10 號導葉立面下部間隙值為0.10 mm，長度約為50 mm；1-2 號導葉立面上部間隙值為0.15 mm，長度約為70 mm。其余導葉立面間隙值為零。導葉總高度約為760 mm，依據電廠技術規程的規定，在導葉安裝過程中，導葉全關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，其長度不大于導葉總高度的1/4，即190 mm。根據廠家標準，導葉全關無油壓立面局部間隙不大于0.20 mm，其長度不大于導葉總高度的1/4。測量結果表明：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，滿足廠家技術要求。在接力器油壓作用導葉全關狀態下，測量各個導葉立面間隙值為零。導葉由傳統膠條密封變換為剛性接觸硬密封后，效果優于修前膠條接觸軟密封。

表2 2 號機組無油壓修后導葉立面間隙測量值

剛性接觸硬密封方式需要導葉加工工藝較高，必須滿足導葉在回裝過程中，各個導葉的安裝位置精準，不允許發生移位、錯位等現象，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 導葉開度分析

導葉立面密封優化后，在調速器開度為55 %、100 %狀態下，分別測定導葉開口度，需滿足導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。

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

表3 2 號機組導葉開度值

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性能。傳統導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。當導葉進行關閉時，導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生彈性形變后無法恢復原狀，變為塑性材料，而不銹鋼材料的屈服強度為205 MPa，與橡膠密封材料相比較，極難發生塑性變形。不銹鋼材料抗彎強度為520 MPa，當導葉關閉時，即使出現木棍等雜質被導葉夾固的情況，不銹鋼立面也極難發生彎曲變形現象。綜上分析，剛性接觸硬密封優于傳統膠條密封[6

表4 聚四氟乙烯與不銹鋼材料力學性能

]。

3 結論

通過對水輪發電機組導葉立面密封形式進行優化，將傳統膠條密封變換為剛性接觸硬密封，研究分析得出如下結論。

1) 無油壓狀態下，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，導葉全關，測量各個導葉立面間隙值為零，滿足檢修工藝技術要求。導葉由傳統膠條密封變為剛性接觸硬密封后，優于修前膠條軟密封。

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

3) 不銹鋼材料的力學性能優于聚四氟乙烯，其屈服強度是聚四氟乙烯的8.9 倍。與橡膠密封材料相比，導葉不銹鋼剛性接觸硬密封極難發生塑性變形，結構不易發生破壞，可提高導葉立面密封性，防止機組發生自轉，保障了機組的安全、穩定運行。