泰迪材料密封在多泥沙河流水轮机上的应用

张建云,张帆

（1.华能甘肃水电开发有限公司肃北分公司，甘肃 酒泉 736300；2.克拉玛依天华新能源电力有限公司，新疆 奎屯 833200）

党上四级水电站位于甘肃省酒泉市肃北蒙古族自治县境内的党河上游干流上，党河在此段纵坡较大，平均在23‰左右，地层主要是第四系冲洪积漂、卵、砾石及下部岩石组成，党河流域多年平均输沙率Qp=20.7 kg/s，平均年输沙量Wp=65.3×104t，悬移质平均含沙量CS=1.93 kg/m3，电站安装有两台6.3 MW的混流式水轮发电机组，额定水头73.6 m，额度转速500 r/min，水轮机型号为HLJF3011B-LJ-117，设计年平均发电量5 386万kW·h。

1 水轮机工作密封

1.1 工作密封的作用

水轮机是将水的能量转换成转轮旋转的机械能，再通过转轮驱动发电机转子旋转产生电能的一种机器[1]。水轮机工作密封是水轮机关键部件之一，它装在立式机组水导轴承的下部，主要由固定转环和橡胶密封环组成，以防止压力水流从主轴和顶盖之间的间隙上溢，影响导轴承的正常工作。如果出现问题，导轴承就有被水淹没的危险，妨碍水轮机的正常工作，影响机组的安全稳定运行[2]。

1.2 工作密封的分类

目前水轮机主轴密封主要有两种分类：①按照工作性质划分为工作密封和检修密封。工作密封按照密封结构形式可分为：平板密封、径向密封、盘根密封、端面密封以及迷宫环密封，党上四级水电站采用平板密封。②按水轮机主轴密封结构划分为接触式密封和非接触式密封。非接触式密封方式包括反螺旋密封、离心式密封[3]。

1.3 平板密封的工作原理

工作密封环底座下部通入0.02～0.1MPa的压力清洁水，通过水压力使密封环克服自身重量上浮起来，顶住固定在主轴上的转环上，转环随主轴一起转动，密封环安装在活塞密封座里，密封环上对称设计了4根直径为Φ8 mm定位销，限制密封环只能作上下运动，不能作环向运动和径向运动，见图1。密封环在压力水的作用下，与转环紧密贴合，使水轮机与顶盖处的漏水受到阻碍，不能直接流向顶盖，从而达到封水效果[4]。

图1 平板密封结构

1.4 工作密封的材质选择

工作密封选用的材质有泰迪（TAIDIER）、耐水PU（聚醚聚氨酯）、耐油橡胶NBR等，可根据电站的水头、轴径、转速、水质、安装空间及使用频率等参数来选择相应的密封结构和材质。

2 党上四级水电站水轮机工作密封运行情况

党上四级水电站自投产发电以来，由于水轮机工作密封受泥沙影响磨损较快，当机组汛期运行时，夹杂泥沙的浑水渗入转环与密封环之间，加剧了密封环的磨损[5]，致使主轴密封漏水量逐渐增大，进而引起水导油盆进水、油质乳化。在未使用泰迪材料密封环之前，每年4～9月单台机组更换工作密封环的次数在3～4次，增加了检修维护工作量和运营成本，同时还影响机组的安全稳定运行。工作密封损坏较快的主要原因是工作密封环材料抗耐磨性能较低、摩擦系数大、硬度低，转环磨损量不足1/3时工作密封圈完全磨穿，致使工作密封失效。

3 泰迪材料工作密封的实际应用

3.1 泰迪材料工作密封环性能优势

泰迪材料是一种综合性能优良的高分子树脂基复合材料，具有稳定性好、良好的耐磨性、摩擦系数低，吸水膨胀率低、自润滑性能好、抗冲击等特点，同时还具有良好的机械加工性能和耐酸、碱、化学腐蚀性。在使用中与转环表面接触时容易保持滑动，避免出现撕拉，对密封环本身有一定的保护作用，较好的耐磨性和磨损率保证了长期使用性。

表1 泰迪材料工作密封环主要性能指标

3.2 泰迪材料工作密封实际应用效果

水轮发电机组运行过程中，携带泥、沙、石的顶盖水流过工作密封环和转环之间的间隙，对密封环和转环表面产生磨损破坏。党上四级水电站采用泰迪材料工作密封环，在使用过程中，一是保证密封环能在润滑水压力和弹簧的作用下灵活移动，保证密封环磨损时能够提供补偿。二是工作密封润滑水压强和弹簧弹力可以调节，并保持与工作密封的漏水压强相适应。压强或弹力太低时将导致密封环与转环脱离，漏水量增大；压强或弹力太高将导致密封环与转环贴合过紧，出现长时间的干摩擦而损坏密封环，主轴间隙渗水中的沙粒被挤压在工作密封圈和转环之间，造成沙粒划伤工作密封圈和转环，加剧了工作密封的磨损，实际机组运行过程中这是工作密封损坏的主要原因。三是调节工作密封润滑水压。党河河水中的泥沙含量较大，可以通过调节润滑水压力将含泥沙水压回到主轴一侧，不造成摩擦副的磨损。

基于泰迪材料工作密封环低摩擦系数和高耐磨等材料性能，保证在密封环和转环之间形成一层有效的水膜，这样即可以密封住从主轴间隙压上来的水，又可以保护密封环不被磨损。目前，党上四级水电站单台机组工作密封更换次数下降到每年0～1次，延长了机组的检修周期，取得了可观的效果。

4 结束语

在不改变现有部件设计结构的前提下，采用合理的运行方式，经过不断的探索选材和实际运行试验效果，泰迪材料工作密封环应用在多泥沙河流混流式水轮机上的效果显著，可有效密封水轮机顶盖上水，减小了密封环和转环的磨损，有效降低了检修维护成本，提高了机组安全稳定性，在同条件、同类型机组上可以推广应用，也可广泛应用于电力、化工、机械制造、冶金、船舶等行业。