Fe3O4质量分数对低水头水轮机导叶套筒密封橡胶性能的影响

李正贵，程 杰，杨逢瑜,2，陈君辉，司国雷，李海明，杨世江，王得红，孔旭勇



Fe3O4质量分数对低水头水轮机导叶套筒密封橡胶性能的影响

李正贵1，程 杰1，杨逢瑜1,2，陈君辉3，司国雷3，李海明3，杨世江4，王得红4，孔旭勇4

（1. 流体与动力工程教育部重点实验室（西华大学），成都 610039；2. 兰州理工大学磁性物理与磁技术研究所，兰州 730006；3. 烽火机械厂设计中心，成都 611130；4. 甘肃柴家峡水电有限公司，兰州 730065）

Fe3O4质量分数对橡胶密封性能有着极大的影响。近年来，因低水头水轮机导叶套筒密封材料失效而引起水或油泄漏事故层出不穷，对于在低水头水轮机导叶套筒密封材料的研究也成为了很多研究人员所关注的焦点。因此，本文通过对不同质量分数的Fe3O4密封橡胶材料在低水头水轮机导叶套筒应用进行理论方程分析发现：一定配比质量分数的Fe3O4密封橡胶材料相比于传统密封材料来说，它的摩擦系数更小、抗磨损性能更强。最后，将几种不同质量分数的Fe3O4密封橡胶材料在水电站进行实际应用，20%质量分数的Fe3O4密封橡胶材料使得低水头水轮机导叶套筒的泄漏量相比于对照组显著减少，水轮机的密封性能得到极大的提高。

低水头水轮机；导叶套筒；理论方程；Fe3O4质量分数；密封和泄漏；应用效果

0 前言

亚太地区水电市场分额占据世界水电市场的70.3%。根据世界水电研究报告数据可得：2015~2023年，世界水电预计装机容量按照2.85%的增长比率，在2023年达到146.65GW。此外，世界水电资源中国位居世界第一，可开发量约为3.78亿kW。所以，为了使得水电可以得到安全可持续的发展，国内外相关人员对水力机械进行了充分的研究。例如余晓东[1]等人对联合运行水电站水力机械系统小波动稳定性进行了研究，在研究中成功的推导出了联合运行条件下的系统等效惯性时间常数、总出力变化以及机组控制方程，再根据工程实际运行环境，建立了水力机械小波动稳定理论分析模型和过渡时域[2-4]仿真模型，为计算机水电站模拟[5-7]提供了更加科学的方法。此外，耿聃[8]等相关人员对水力脉动与水电站机组及厂房结构的影响进行了研究，在研究中细致的讨论了水力振源[9]在某些工况可能同时影响机组运行和厂房结构。另外，对三种电站常见振源，水力、机械[10]和电磁[11-13]进行了研究，其中水力振源分布广泛、作用范围最大的进行了研究。在相关研究中刘明海[14]等研究了BaO-6Fe2O3丁腈橡胶摩擦损性能。在研究中丁腈橡胶这种新型密封材料的耐磨性能、磁性、自修复性引起水电行业的关注，并开始对丁腈橡胶在水轮机密封中进行应用性研究。但是，对于水电站机组密封处密封材料的配比成分对水电站机组运行的研究却较少，尤其在低水头水轮机导叶套筒中的密封，更具有研究和实际价值。

1 导叶套筒密封结构设计

低水头水轮机导水机构结构如图1所示，主要由导叶套筒1、外配水环2、导叶3、内配水环4、流道5、接力器6、拐臂7组成，在运行过程中，为了启停机组、调节负荷导叶动作频繁，流道中流体对导叶的扭矩很大，这样对导叶套筒的密封提出很大的挑战，经常出现漏水问题。

水轮机导叶套筒结构如图2所示，低水头水轮机转轮丁腈橡胶密封装置机构设计如图3所示，水轮机外配水环支撑相对导叶轴头静止，导叶转轴为运动部件，X型复合丁腈橡胶密封件2及O型复合丁腈橡胶密封件4分别进行轴向与进行密封，由于复合丁腈橡胶含有Fe3O4磁性粉末，在磁极3的磁力作用下，始终与密封面接触，提高密封性能。

1-导叶套筒；2-外配水环；3-导叶；4-内配水环；5-流道；6-接力器；7-拐臂

1-导叶轴头；2-轴头上密封；3-轴头下密封

1-外配水环支撑，2-X型复合丁腈橡胶密封件，3-磁极，4-O型复合丁腈橡胶密封件，5-导叶转轴

2 导叶套筒密封原理

导叶套筒在密封过程中，密封圈装在沟槽与被密封表面间，橡胶受力产生反作用的弹力给接触面产生一定的初始密封压力，构成预密封。当处于预紧密封状态的橡胶密封件受流体压力作用时，将被挤压到沟槽的一侧。因为流体的压力和橡胶密封件形变、接触面的压力成正比。因此，当流体压力较大时，接触面外侧的压力就大于了内侧，从而构成自紧密封[15-16]。其微观机理是：接触面的橡胶密封材料被压入金属表面形成凹陷，以此构成阻断密封带[17]。

式中，为密封件变化前宽度；为密封件变化后宽度；=0.8E，E为密封件的换算模量，测量可得。所以，变形的密封件每一单位周长上所占的接触值：

密封件径向位移到密封槽壁（压力对面的侧壁）接触并在此位置上保持必要压力，由公式得：

式中：0表示密封件轴向位移的必要压力。但0需满足：

当压力变大到≥0时，密封件发生相对滑动，这时密封件便失效。但是密封件因位移产生了自紧密封，接触力剧增，失密现象立即得到控制。形成自紧密封条件为：

式中，K为压力传递系数[19-20]，其值约为1。

其中和非磁性密封件相比，需修订的公式如下：

3 性能分析

按照以上结构设计与理论分析，对不同质量分数Fe3O4低水头水轮机导叶套筒贯密封件摩擦性能进行试验，用UTM摩擦磨损试验机进行试验。实验设备自带的UTM Test Viewer软件控制系统，试验界面如图4所示。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示为4种质量分数的Fe3O4密封件试样。不同组分表示在丁腈橡胶中磁性粒子的质量分数比，不同成分的丁腈橡胶平均摩擦系数不同，具体数据见表1。实验中摩擦力随时间的变化规律由图5中所示。

表1 平均摩擦力

从表1中可以看出，对于橡胶，平均摩擦系数随着不同组分的磁性粒子比例而有不同的变化。其摩擦系数变化还与磁粉的添加量与种类有关。当加入磁粉后磁性橡胶的硬度便增加，因而导致磁性橡胶的粘着摩擦和滞后摩擦（橡胶变形和分子键断裂）下降，可是加入磁粉后磁性橡胶又具有了磁性，从而产生了磁性力，使得摩擦力又减小，但是由于添加的磁粉量少，所以磁性较小，因此硬度改变对摩擦系数的影响远远大于磁性对摩擦系数的影响，总体对外表现为摩擦系数下降。故结合低水头水轮机导叶套筒实际密封工况与运行条件，选择20%质量分数的Fe3O4橡胶比较理想。

4 应用效果

将20%质量分数的Fe3O4橡胶用于低水头水轮机导叶套筒的设计中，并在水电站进行运行检测。数据见表2。在实际运行中发现，用20%质量分数的Fe3O4橡胶作为密封装置时，密封件的磨损度和泄漏量得到了极大地减少。

表2 丁腈橡胶与常规橡胶密封试验

因此，由实验数据可知，将20%质量分数的Fe3O4用于低水头水轮机导叶套筒时，其密封效果十分显著。由此体现了对水轮机密封件结构配比的研究的必要性，以及其未来的巨大潜力。

[1] 俞晓东, 张健, 刘甲春, 等. 联合运行水电站水力机械系统小波动稳定性研究[J]. 水利学报, 2017, 48(2): 234-240.

[2] 席强. 主轴中心孔高压补水对部分负荷工况下混流式机组性能的影响研究[D]. 西安理工大学, 2016.

[3] 吴广宽. 大型水力机械通用实验台建设及水泵水轮机模型试验研究[D]. 浙江大学, 2015.

[4] 权辉. 螺旋离心泵内大尺度涡旋演变及叶轮域能量转换机理的研究[D]. 兰州理工大学, 2015.

[5] 黑灿, 伍鹤皋, 傅丹, 等. 基于不同网架模拟方式的水电站厂房振动特性研究[J]. 三峡大学学报（自然科学版）, 2016, 38(1): 26-30.

[6] 宁珍. 木扎提三级水电站水力过渡过程分析研究[D]. 河北工程大学, 2016.

[7] 尹红霞, 王一新, 简新平, 等. 虚拟仿真系统在水电站教学中的应用研究[J]. 高等建筑教育, 2016, 25(2): 171-173.

[8] 耿聃, 宋志强, 苏晨辉, 等. 水力脉动对水电站机组及厂房结构的影响研究与振动控制综述[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(10): 135-139.

[9] 宫汝志, 李德友, 王洪杰, 等. 乌江构皮滩水电机组水力稳定性试验研究[J]. 排灌机械工程学报, 2016, (1): 32-37,44.

[10] 徐雪源, 胡亚安, 谢兴华等.水力式升船机平衡重系统单竖井模型振动试验研究[J]. 水运工程, 2016,(12): 164-168.

[11] 陈龙, 鹏飞, 张鑫, 等. 水力振荡钻井提速技术在渤海油田中的应用[J]. 科技创新与应用, 2016,(10): 82-82.

[12] 关苏敏, 徐铬, 冉应兵等.某大型水力发电机的固有振荡频率计算[J]. 水电与新能源,2017,(7): 45-47.

[13] 高朦伟, 方朝阳. 某水电站内源振动引起厂房结构振动反应分析[J]. 水力发电, 2017,43(2): 44-46,103.

[14] 刘明海. BaO·6Fe2O3丁腈磁性橡胶摩擦磨损性能研究[D]. 兰州理工大学, 2007.

[15] 高炳军, 孙少南, 杜招鑫, 等. 椭圆形内伸自紧密封高压快开人孔可行性分析[J]. 河北工业大学学报,2016,45(2): 50-54.

[16] 刘鹏, 宋文杰, 蒋庆林, 等. 深海高压环境下O形密封圈的密封性能研究[J]. 液压与气动,2017,(4): 66-70.

[17] 张春华, 张敏, 王继仁, 等. 基于正压控制的采空区双重高效密封防火技术[J]. 煤炭学报,2015,40(7): 1569-1573.

[18] 何新文, 高驰名. Ansys软件在设备密封性仿真中的应用[J]. 无线电工程, 2016,46(4): 75-78.

[19] 孙伟, 张旭, 屈福政, 等. 基于压力动态平衡的盾构密封舱压力控制方法[J]. 机械工程学报, 2014,(21): 38-44.

[20] 张运良. 水电站垫层压力钢管内压传递系数的综述与新解[J]. 水力发电学报, 2015, 34(4): 146-151.

Effect of Fe3O4Quality Fraction on the Rubber Properties of the Guide Vane Sleeve of Low Water Turbine

LI Zhenggui1, CHENG Jie1, YANG Fengyu1,2, CHEN Junhui3, SI Guolei3,LI Haiming3, YANG Shijiang4, WANG Dehong4, KONG Xuyong4

(1. Key Laboratory of Fluid And Power Engineering, Ministry of education(Xihua University), Chengdu 610039, China; 2. Research Institute of Magnetic Physics and Magnetic Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 3. Research and Development Center Fenghuo Machinery Factory, Chengdu 611130, China; 4. Gansu Chaijiaxia Hydropower Company Limited, Lanzhou 730065, China)

Fe3O4mass fraction has a great impact on rubber sealing performance. In recent years, due to the low water head water turbine guide vane sleeve sealing material failure caused by water or oil spill emerge in endlessly, in the low water head water turbine guide vane sleeve sealing materials research has become the focus of attention by many researchers. Therefore, this article through to the different quality of Fe3O4rubber sealing material applied in low water head water turbine guide vane sleeve theory equation analysis found that a certain proportion of the mass fraction of Fe3O4seal rubber materials compared with the traditional sealing material, its smaller friction coefficient, wear resistance stronger. Finally, the several different mass fraction of Fe3O4rubber sealing material for practical application in hydro power station, a certain proportion of the mass fraction of Fe3O4rubber sealing material made of low water head water turbine guide vane sleeve leakage significantly reduced compared with control group, the turbine sealing performance is greatly improved.

low head water turbine; guide vane sleeve; theoretical equations; Fe3O4quality score; sealing and leakage; application effect

TK730.5

A

1000-3983(2017)05-0058-05

四川省教育厅自然科学重大培育项目（17CZ0034）；西华大学流体及动力工程教育部重点实验室开放基金（szjj2017087）；西华大学自然基金（Z1510416）

2016-10-27

李正贵（1974-），1999年毕业于甘肃工业大学，教授，现从事水力机械流动机理方面的研究。国际小水电中心工程技术专家、中国水力发电工程学会贯流式水轮机专委会委员、中国空气动力学会风工程和工业空气动力学专业委员会委员。