水轮机主轴补气阀漏水原因分析及处理

王环东，姚贵宇，郭 娟

（吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林省抚松县 134500）

水轮机主轴补气阀漏水原因分析及处理

王环东，姚贵宇，郭 娟

（吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林省抚松县 134500）

针对水轮机主轴补气阀漏水问题，通过改变补气阀安装形式、改变密封结构等方法，避免了密封老化及离心力对补气阀动作的影响，最终解决了补气阀漏水缺陷，保证了机组安全稳定运行。

立式；补气阀；离心力；硬密封

1 设备现状

松江河发电厂小山水电站位于第二松花江上游，电站共装有2台80MW混流式水轮发电机组。为保证机组在不稳定工况时，补入空气，借以吸振及降低旋涡强度，改善机组的运行状态，在水轮机轴法兰装设的4只4-DN50卧式弹簧橡胶密封补气阀（见图1）。由于下游双沟水电站蓄水后，随着尾水水位的抬高，水轮机主轴补气阀的位置由原来的尾水水位以上，改变为现在的尾水水位以下，由于补气阀自动补气口密封不严，下游尾水从补气阀补气口倒流至水轮机室，造成水导轴承进水、导水机构及接力器等零部件锈蚀，严重影响机组安全稳定运行。

图1 原补气阀结构图

2 存在的问题

2.1 阀体密封失效

补气阀采用橡胶板平面密封式结构，由于机组长时间运行，补气动作频繁，橡胶密封大约运行2个月即失去的密封作用。

2.2 浮筒导向杆卡塞

由于杂质等原因，造成导向杆与导向套卡塞，阀体开启后无法在弹簧力的作用下闭合，导致尾水倒灌。

2.3 补气定值漂移

补气阀开启压力在检修时虽进行了精确的调整，但4只补气阀的动作定值不同步，且存在无法开启的问题。

3 原因分析

3.1 未能充分利用浮力增加密封的压紧力

阀体上虽然设有浮筒，但浮筒采用卧式安装，而浮力是垂直向上，浮力未作用在密封圈上。在停机时有可能由于密封圈压紧力偏小导致漏水。

3.2 未考虑机组旋转产生的离心力作用

当机组运行时，主轴旋转使阀体受到离心力的作用，此作用力与浮力合力会导致轴瓦摩力增大，极易导致浮筒发卡。

3.3 未充分利用旋转产生的强迫补气压力

阀体设有6-φ20补气孔，旋转时空气动压力使阀体朝开启方向运动，如果在停机工况下，阀体在弹簧的作用下关闭力较大，易导致补气时阀体无法打开，如果关闭力较小，又易使阀体密封压力较小导致漏水。

3.4 橡胶密封老化

橡胶密封运行环境恶劣，加速了老化失效的时间，同时由于水内含有杂质，在动作过程中密封压环将水中悬浮的泥沙等颗粒压入橡胶板，造成橡胶板受损，影响密封效果。

4 处理方法

针对小山水电站的实际情况及原补气阀存在的不足，从结构、密封等方面入手，对原补气阀进行了重新设计改进（见图2）。

图2 新补气阀结构图

4.1 阀体改为立式结构

4.1.1 立式结构杜绝了离心力对补气阀的影响

浮筒所受离心力为：

式中：Fcv——离心力，N；

m——浮筒质量，m=7g；

ω——主轴旋转角速度，ω=πn/30r/s,

n——主轴转速，n=214.3r/min;

D——浮筒中心处直径，D=1806mm。

Fcv=7×(π×214.3/30)2×1806/2000=3183N=324.83kg

从计算结果可以看出阀体所受离心力为324.83kg，原结构离心力作用在阀体整个密封面上，这势必导致阀体定值调整不准，而新的结构杜绝了机组旋转过程中产生的离心力对补气阀开关的影响，保证了补气阀的正常动作。

4.1.2 立式结构增加了补气阀的补气量

补气的主要功能是使尾水管水体的固有频率与激振频率错频,从而避免由此引起的共振，目前国际上通用补气量估算方法为：

式中：Q——补气量，m3/min；

Qr——机组额定流量，Qr=105 m3/s。

Q=(0.08%～0.12%)×105×60=5.04～7.56 m3/min

新型补气阀补气量为：

式中：Vv——补气量，m3/min；

B——进风口宽度，B=112mm；

H——进风口高度，L=154mm；

F——进风效率，f=50%；

n——主轴转速，n=214.3r/min；

D——浮筒中心处直径，D=1806mm。

Vv=10.5m3/min＞Q=5.04～ 7.56 m3/min

从计算结果来看，改造后的补气量为原结构补气量的1.5～2倍左右，保证了机组运行过程中的补气要求。

4.1.3 立式结构使浮筒受力分布更均匀

原浮筒为径向受力，在机组旋转过程中密封环上、下部受力不均匀，易导致导向杆发卡阀体拒动的现象。改进后的补气阀由于垂直安装，浮筒所受的浮力均匀分布在密封环上，杜绝了受力不均发卡现象的发生。

4.2 密封形式改进

更改橡胶密封为金属密封（见图3），在密封面位置堆焊硬度较软的紫铜，浮筒密封选用紫铜密封，其密封面采用球面结构，并与阀座同研，其优点是当浮筒轴线有轻微偏差时，也可保证密封面紧密接触，达到封水目的，且由于铜密封材料硬度大于橡胶材料，其寿命也远远大于橡胶密封寿命。

图3 密封结构图

5 运行效果

改进后的补气阀安装后，经过近一年的观察，发现尾水倒灌问题得到了彻底的解决，机组在振动区运行时补气阀均能正常动作，实践证明以上的处理方法是成功的。

[1] 韦彩新,谭月灿.水轮机主轴中心孔补气装置的研究.大电机技术，1998.05.

[2] 唐敏，张红伟，吴励鸣.向家坝800MW水轮机主轴中心孔补气系统设计简介.水电站机电技术，2011.06.

王环东（1974—），男，电力高级工程师，主要研究方向：水轮发电机组检修等。E-mail：whdwyh@163.com

姚贵宇（1974—），男，电力高级工程师，主要研究方向：水轮发电机组检修等。E-mail：guiyu-yao@sgxy.sgcc.com.cn

郭 娟（1974—），女，馆员，主要研究方向：水电站动力设备运行与检修、科技档案管理等。E-amil：juanguo@sgxy.sgcc.com.cn

Turbine Spindle Air Compensating Valve Leakage Reason Analysis and Processing

Wang Huandong
(Jilin SongJiangHe hydropower limited liability company,FuSong 134500,China)

In view of the water turbine spindle air compensating valve leakage problem, by changing the form of air compensating valve installation, change methods of sealing structure, avoided the sealing of air compensating valve action and the effect of aging and centrifugal force fi nally solved the air compensating valve leakage defects, to ensure the safe and stable operation of unit.

vertical; Air compensating valve; Centrifugal force;Hard seal