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水轮机主轴密封冒烟原因分析及对策.doc

上传人:j35w19 文档编号:4211704 上传时间:2018-12-15 格式:DOC 页数:4 大小:27.50KB
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1、水轮机主轴密封冒烟原因分析及对策1 基本情况 青溪水电厂是低水头径流式水电厂,装机容量 436 MW。最大工作水头 25 m,最小工作水头 10 m,设计水头 20.5 m。水轮机型号为 ZZ500-LH-500,额定流量 209.1 m3/s,额定转速 125 r/min。水轮机安装高程 45.00 m,下游最低发电水位 48.51 m。水轮机主轴密封分为停机状态密封(俗称检修密封) 和运行状态密封(俗称工作密封)两种。其中检修密封为橡胶围带式结构,工作密封为橡胶活塞式结构。工作密封面高程 46.867 m。其结构如图 1 所示。 图 1 水轮机主轴密封结构 2 水轮机主轴密封的作用及工作过

2、程 当机组处于静止状态时,工作密封活塞下腔是无压的,活塞在活塞座内靠自重沿定位销自由下落到底部。而围带此时已接通 0.60.7 MPa 的压缩空气,其非约束部分受压鼓起,与密封环紧密接触,从而阻断尾水窜入水轮机顶盖的通道,起到密封作用。 开机时,为避免围带与主轴的磨擦,在机组启动前,开机继电器就使围带排气卸压。同时,为防止围带卸压后尾水大量窜入顶盖,开机继电器还使 0.059 MPa 压力的清洁水通入密封活塞下腔,使密封活塞克服重力上升到顶端,阻断窜水通道,起到密封作用。 停机时,当主轴完全静止后,停机继电器使围带通入压缩空气,并关闭密封活塞下腔的压力水,密封活塞自由落下。 3 故障现象 青溪

3、水电厂 3 号机组自投产以来,已累计运行了 28 000 多小时。但在 2000 年 9 月下旬以来,曾多次出现下述情况:机组开机时,水轮机在开始运转的几分钟内,水车室内浓烟滚滚,且橡胶焦臭味非常浓烈,待机组运转一段时间后,浓烟才被机组旋转的气流渐渐吹散,一切又都恢复正常。 4 原因分析 水车室内除电气设备、元件外,其余都是机械构件以及为数极少的橡胶密封材料(如盘根、围带和密封活塞)。在排除电气设备、元件故障的可能后,能在发热后冒烟并散发橡胶焦臭味的就只能是这些橡胶制品。 然而,这些作为水轮机密封用的橡胶密封制品全都安装在水下。就连工作密封活塞,也长期浸泡在水轮机顶盖的积水中。可想而知,这些浸

4、泡在水中的橡胶密封即使与金属物体发生运动磨擦,也不可能发热冒烟。换句话说,这些橡胶密封如果发热冒烟,一定存在干性或临界干性的运动磨擦。 就青溪水电厂机组的情况来说,在水轮机各种密封装置中,存在磨擦运动可能的只有检修密封和工作密封两种。 前者有 3 种情况可能发生运动磨擦: a)开机时围带尚未排气卸压,机组就运转起来;b)停机时机组尚未静止,围带就被充入压缩空气;c)机组停机期间,由于导水叶漏水过大,机组自转。对于检修密封来说,无论发生哪一种运动磨擦,其磨擦面始终浸泡在水中,其结果虽然会损坏围带,却不可能因此产生浓烟。对于后者,它虽然被固定在活塞座里,只能作上下运动,不能作圆周运动和径向运动,但

5、是,转动环却是随主轴一起转动的。显然,密封活塞存在运动磨擦。但密封活塞是靠清洁水流作为其磨擦面的润滑介质的,因此必须对密封活塞的工况作进一步剖析。 图 2 密封活塞及其装配图 密封活塞安装在活塞座里,如图 2 所示。活塞座中均布 4 根*12 mm 的定位销(A3),限制活塞只能作上下运动(活塞行程为 5 mm),不能作环向运动和径向运动。 在活塞上下端面之间有 8 个均布的*4 mm 通流孔。当活塞下腔无压时,活塞能靠自重落到底部。当活塞下腔通入压力水后,活塞在水压作用下上升到顶端。在顶起活塞的同时,水流经通流孔流到活塞上端。当活塞与转动环接触后,接触面之间就产生了流动的水膜。这时如果机组开

6、始运转,转动环与活塞的磨擦实质上就是与流动水膜的磨擦。 流动水膜不仅保护了密封活塞,还将磨擦引起的热量带走。 但在密封活塞的工作过程中,也可能出现下面几种情况: (1) 开机时,由于其它方面的原因使压力水不能通入活塞下腔,活塞不能顶起,但这时其上端面与转动环之间保持着 5 mm 的间隙,因此不可能发生运动磨擦。 (2) 开机时活塞顶起后,如果压力水突然中断,活塞失压后将落下,这样也不存在运动磨擦。 (3) 停机时,如果压力水关闭后活塞没有复位,卡在顶起位置,那么在下次开机时,活塞首先被水压顶紧,通流孔被转动环封堵,在磨擦面间就不能产生流动水膜。此时如果机组转动,那么在启动初期将出现短时的干性磨

7、擦或临界干性磨擦的情况。 那么,密封活塞有没有可能卡在顶端呢?为此对密封活塞的受力情况进行分析。 如图 3 所示,转动环在某点的速度方向 V 是其作圆周运动的切线方向,其磨擦力 f 的方面与 V 相反。由力学性质可知,密封活塞工作中所受的力除重力 mg、水压力 P(且 Pmg)外,还有由磨擦力产生的力F,且 F=f。在 F的作用下,密封活塞有随转动环转动的趋势,但受到定位销的约束,于是出现密封活塞与定位销紧紧贴合的结果。 由此可见,如果存在定位销倾斜、生锈、或活塞定位销孔变形等不利情况,则密封活塞在机组静止后就有可能卡在顶端。 图 3 密封活塞受力分析 经以上分析,可以认为,青溪水电厂 3 号

8、机组在停机后,由于工作密封活塞没有复位,使得活塞磨擦面在下次开机的初始阶段不能产生流动水膜, 开机时转动环与活塞之间出现干磨擦或临界干磨擦,造成活塞严重发热冒烟,并散发出浓烈的橡胶焦臭味。机组启动后,在机组振动和转轮室水力脉动的交替作用下, 水流才逐渐进入磨擦面。因此当机组运转一段时间后,磨擦面间的水膜才恢复正常。 5 防止对策 (1) 将定位销由*12 mm 增大到*16 mm,且改用不锈钢制作,这样做既增加销钉强度,又避免销钉生锈长垢。 (2) 在密封活塞的定位孔中增加不锈钢套管,避免销孔受力变形,减小活塞失压后下滑的磨擦力。套管示意图如图 4。安装时从活塞下腔往上套入, 其 4 个锐翼嵌入橡胶内,使套管不致脱落。套管安装后,其顶端低于活塞磨擦面 510 mm。 图 4 套管结构示意图 (3) 将密封活塞上端面的外侧磨成楔成坡口,使活塞与转动环的磨擦面间形成楔形间隙。这样即使活塞失压后没有落下,只要顶盖有一定的清洁水,当机组转动后,转动环就能将水带进磨擦面,并在磨擦面间形成楔形的流动水膜。 (4) 调整顶盖排水泵的停泵水位,使顶盖水位即使在最低情况下仍能淹没工作密封装置。

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