(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局淠東干渠管理處，安徽 六安 237009)

九里溝水電站位于安徽省淠史杭灌區(qū)，利用淠河總干渠和淠東干渠的輸水落差發(fā)電，該站于2015年完成了水利部農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目，裝有3臺(tái)JP502-LH-180水輪機(jī)。水輪機(jī)導(dǎo)軸承采用稀油潤(rùn)滑巴氏合金筒瓦和轉(zhuǎn)動(dòng)油盆結(jié)構(gòu)，主軸采用盤根密封。

1 存在問題的原因分析

首臺(tái)機(jī)組安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)油盆裝配極為困難。試運(yùn)行時(shí)，主軸密封漏水嚴(yán)重，轉(zhuǎn)動(dòng)油盆進(jìn)水，被迫停機(jī)處理。九里溝水電站與主機(jī)生產(chǎn)廠詳細(xì)分析了原因，決定在后兩臺(tái)機(jī)組供貨前對(duì)水導(dǎo)軸承和主軸密封進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。改造前的水輪機(jī)導(dǎo)軸承和主軸密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改造前的水輪機(jī)導(dǎo)軸承和主軸密封結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)動(dòng)油盆和筒瓦結(jié)構(gòu)在水輪機(jī)導(dǎo)軸承上運(yùn)用較為廣泛，屬比較成熟的設(shè)計(jì)。但九里溝水電站3臺(tái)機(jī)組均為小型水輪機(jī)，首臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)沒有充分考慮結(jié)構(gòu)尺寸的限制，轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋的裝拆異常困難。轉(zhuǎn)動(dòng)油盆安裝好以后，油盆蓋不能先安裝，否則，水導(dǎo)軸承座就放不下去了，必須先把水導(dǎo)軸承座組裝好放入轉(zhuǎn)動(dòng)油盆，然后向上抬起約11cm，手從水導(dǎo)軸承座與支持蓋的把合面伸進(jìn)去，盲操安裝轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋，實(shí)際操作空間不到10cm，且扳手轉(zhuǎn)動(dòng)角度受限，每次只能轉(zhuǎn)30°左右，然后拔出扳手憑手感重新找準(zhǔn)螺栓繼續(xù)緊固。一顆螺栓需半小時(shí)才能緊固，24顆螺栓，僅安裝轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋就需要兩天，工作效率極低，如果運(yùn)行一段時(shí)間后螺栓生銹，可以預(yù)見這種操作環(huán)境根本無(wú)法拆卸。

盤根密封的設(shè)計(jì)同樣受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制。這種密封的效果取決于填料的壓緊程度，太松則漏水量太大，太緊則很快會(huì)燒毀填料使密封失效；而且運(yùn)行一段時(shí)間后填料磨損，需要適度地緊固密封壓墊蓋。填料壓緊度的調(diào)整需要在機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下才能精確進(jìn)行，但該機(jī)組在主軸密封安裝好以后，水導(dǎo)未安裝，不具備轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)試條件；水導(dǎo)安裝到位后，主軸密封完全封在軸承下部，無(wú)法調(diào)整。因此，密封填料的松緊度只能憑運(yùn)氣，全部安裝完畢后才能試車，如果調(diào)整不合適的話只能拆除水導(dǎo)重新調(diào)整，然后回裝試車，不行的話再次重復(fù)。如前所述，水導(dǎo)的設(shè)計(jì)不利于安裝，整個(gè)水導(dǎo)拆裝一遍需要5天，這就使盤根密封的調(diào)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果完全不可控。首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)僅1個(gè)月，就發(fā)生過(guò)2次密封填料燒毀和1次水淹水導(dǎo)的事故，運(yùn)行中始終提心吊膽。

2 水導(dǎo)軸承的改造

水導(dǎo)軸承改造，首先需要解決轉(zhuǎn)動(dòng)油盆蓋難以裝拆的問題，其次使盤根密封便于調(diào)試。對(duì)于前者，先后考慮了在支持蓋開操作孔和在水導(dǎo)軸承座開安裝孔的方法，使孔口對(duì)準(zhǔn)油盆蓋螺栓，通過(guò)孔口進(jìn)行裝拆。但油盆蓋螺栓達(dá)24個(gè)，開孔數(shù)過(guò)少，達(dá)不到預(yù)期效果，增加開孔數(shù)，又沒有足夠空間，且影響部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)于后者，水導(dǎo)軸承安裝到位后，就無(wú)法對(duì)下面的盤根進(jìn)行任何調(diào)整，這是結(jié)構(gòu)決定的，無(wú)法改變，于是考慮要延長(zhǎng)盤根調(diào)整周期。采用的方法，一是將密封壓墊蓋的螺栓加長(zhǎng)，中間套上不銹鋼彈簧，利用彈簧補(bǔ)償壓緊行程，但這種尺寸的彈簧力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，起不到補(bǔ)償作用；二是更換更耐磨、潤(rùn)滑特性更好的填料，分別試用了石墨、芳綸和四氟材料的盤根填料，但由于不能在運(yùn)轉(zhuǎn)中調(diào)試，效果均不理想。在多次嘗試失敗后，決定轉(zhuǎn)變思路。

九里溝水電站發(fā)電用水來(lái)自大別山水庫(kù)，常年保持為Ⅱ類水質(zhì)，技術(shù)供水安裝有濾水器，水質(zhì)好，泥沙少，有這樣得天獨(dú)厚的條件，如果把水導(dǎo)改成水潤(rùn)滑軸承，就可以取消轉(zhuǎn)動(dòng)油盆，也就不怕水導(dǎo)進(jìn)水了，上述問題便迎刃而解。如果采用多年前已廣泛使用的水潤(rùn)滑橡膠瓦，軸承結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大，且其承載力和運(yùn)行穩(wěn)定性不如巴氏合金瓦。

如果使用其他材料，以水為潤(rùn)滑劑有三個(gè)問題：一是水的黏度很低,在瓦面和軸頸之間不容易產(chǎn)生水膜層,尤其是轉(zhuǎn)速低、負(fù)荷大時(shí)更不容易形成；二是現(xiàn)有的巴氏合金不具備自潤(rùn)滑性，一旦水膜形成不良或不穩(wěn)定時(shí),軸瓦會(huì)與軸頸產(chǎn)生干摩擦而導(dǎo)致燒瓦；三是水對(duì)軸承系統(tǒng)有銹蝕作用。經(jīng)查閱相關(guān)資料，并與推力瓦(使用彈性金屬塑料瓦)生產(chǎn)廠家聯(lián)系得知，該公司研制的水潤(rùn)滑軸瓦,是一種瓦面材料為聚四氟乙烯的彈性金屬塑料瓦,它解決了水膜的形成、干摩擦?xí)r的自潤(rùn)滑性和銹蝕等難題，而且可以用原巴氏合金瓦的瓦基，經(jīng)釬焊、布置金屬絲墊和澆筑改性聚四氟乙烯而成為水潤(rùn)滑軸瓦，原軸承座和各部位安裝尺寸均未改變，這樣改動(dòng)小、造價(jià)低、工期短。水潤(rùn)滑彈性金屬塑料瓦的主要技術(shù)性能見表1，其與巴氏合金瓦的摩擦系數(shù)和摩擦功耗對(duì)比見表2。

表1 水潤(rùn)滑彈性金屬塑料瓦主要技術(shù)性能

表2 水潤(rùn)滑彈性金屬塑料瓦與巴氏合金瓦摩擦系數(shù)和摩擦功耗對(duì)比

水導(dǎo)瓦改成水潤(rùn)滑彈性金屬塑料瓦后，取消了轉(zhuǎn)動(dòng)油盆結(jié)構(gòu)，上油盆可拆除冷卻器直接改成水箱，原冷卻水改成軸承潤(rùn)滑水。經(jīng)校核，潤(rùn)滑水流量要求不小于1.2m3/s，原冷卻水設(shè)計(jì)流量為4.8m3/s，完全滿足需要。

3 主軸密封的改造

原主軸密封位于水導(dǎo)下方，調(diào)整和維修需拆卸水導(dǎo)，也不具備帶水調(diào)試的條件；盤根密封沒有自補(bǔ)償性能，維護(hù)周期短。水導(dǎo)改成水潤(rùn)滑軸承后，可將密封位置上移到水導(dǎo)上方。原上油盆拆除冷卻器后，空間足以布置密封結(jié)構(gòu)，可把密封裝在潤(rùn)滑水(原冷卻水)進(jìn)口上方，這樣，在密封和水導(dǎo)軸承之間就形成了一個(gè)壓力水箱，保證了潤(rùn)滑水具有必要的壓力和流量。有自補(bǔ)償性能的主軸密封，常用的有橡膠平板密封和活塞式端面水壓密封，九里溝電站在增效擴(kuò)容改造前均使用過(guò)。相比較而言，活塞式端面水壓密封結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工和安裝精度要求高，還容易卡阻；橡膠平板密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，效果較好。因此，決定使用單層平板密封。

4 改造中要注意的問題

水導(dǎo)軸承和主軸密封結(jié)構(gòu)改造后，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化,見圖2。

圖2 改造后的水輪機(jī)導(dǎo)軸承和主軸密封結(jié)構(gòu)

水導(dǎo)部分仍使用原來(lái)的軸承座，僅更換了水潤(rùn)滑水導(dǎo)瓦(兩瓣筒瓦結(jié)構(gòu))，通過(guò)固定螺栓與水導(dǎo)軸承座固定；轉(zhuǎn)動(dòng)油盆相關(guān)部件全部拆除，上油盆內(nèi)的冷卻器也全部拆除，原水導(dǎo)下方的盤根密封拆除，為防止水大量涌入機(jī)坑，要將支持蓋腰形孔(見圖1)用鋼板封堵。主軸密封部分由轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)、不銹鋼抗磨環(huán)(與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)焊接在一起)、壓板、橡膠平板和密封底座構(gòu)成，密封底座直接焊在原上油盆的內(nèi)壁。

改造中要注意的問題：一是水潤(rùn)滑水導(dǎo)瓦對(duì)技術(shù)供水水質(zhì)要求較高，一般要求裝設(shè)濾水器；如水中泥沙含量大，要靜置后才能使用。二是軸頸要做防銹處理。一般可將與軸瓦摩擦段鑲焊不銹鋼襯套，既能保護(hù)大軸，又能延長(zhǎng)軸承使用壽命。三是軸承運(yùn)行時(shí)，要保證潤(rùn)滑水箱充滿水，如水箱內(nèi)水量不足，水導(dǎo)瓦和密封平板都可能因缺水而形成干摩擦，影響使用壽命。機(jī)組啟動(dòng)前，技術(shù)供水泵要先啟動(dòng)，使?jié)櫥涑渌⒔毫Γ\(yùn)行中也要始終監(jiān)控水箱水壓?？稍跐?rùn)滑水進(jìn)水管處安裝一個(gè)電接點(diǎn)壓力表或壓力傳感器，當(dāng)水壓低于設(shè)定值時(shí)用于潤(rùn)滑水中斷的報(bào)警或停機(jī)。四是橡膠平板無(wú)需開模澆筑，使用5～10mm厚的橡膠板裁剪即可，使用平面橡膠輸送帶則耐磨性更佳。橡膠板厚度根據(jù)技術(shù)供水壓力確定，壓力大可選稍厚的，壓力小可選稍薄的。先按尺寸要求剪出一個(gè)橡膠圓環(huán)，然后將圓環(huán)的一邊剪開，以便套入主軸。剪短時(shí)切口不要豎直，沿主軸旋轉(zhuǎn)方向成30°～45°角，套入主軸后，用強(qiáng)力膠將切口黏合即可。九里溝電站增效擴(kuò)容前使用的澆筑式橡膠平板為兩瓣結(jié)構(gòu)，接頭處有梳齒結(jié)構(gòu)防滲漏，但訂貨困難，需要開模，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。上面介紹的方法經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，完全可行，材料隨處可取，方法簡(jiǎn)便易行，只要保證潤(rùn)滑水，其磨損很小。九里溝水電站2號(hào)機(jī)使用10mm厚度的輸送帶橡膠，已運(yùn)行數(shù)千小時(shí)，磨損量不到1mm，使用一個(gè)大修周期沒有問題，而且更換極其方便。五是轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)必須有定位銷。如圖2所示 ，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)和不銹鋼抗磨環(huán)是分兩半把合的，加工時(shí)用固定螺栓把合好，打定位銷，然后加工不銹鋼抗磨環(huán)的摩擦面。安裝時(shí)先用定位銷將兩半轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)定位，再用固定螺栓把合。如果無(wú)定位銷，安裝時(shí)很難使不銹鋼抗磨環(huán)重新把合成加工時(shí)的平面，兩半的結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階，切割橡膠平板造成異常磨損，且漏水量大增。六是橡膠平板與不銹鋼抗磨環(huán)之間的安裝間隙以0.50～0.80mm為宜，這個(gè)間隙在機(jī)組停止時(shí)不會(huì)引起大量漏水，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)容易形成水膜。安裝時(shí)兩者之間放一把0.50mm的塞尺即可。七是壓板與不銹鋼抗磨環(huán)的間隙要盡量小。九里溝水電站的機(jī)組目前按單邊3mm設(shè)計(jì)。最初改造時(shí)，未注意這一問題，壓板較窄，使得其與抗磨環(huán)間隙約40mm，使用一個(gè)月橡膠平板即被磨穿。檢查發(fā)現(xiàn)由于這一間隙過(guò)大，在水壓作用下該處橡膠平板翹曲拱起，與抗磨環(huán)接觸面減小，形成抗磨環(huán)外沿對(duì)翹曲處的橡膠平板的切割效應(yīng)(如圖3所示)。間隙減小后，不會(huì)形成有害翹曲，保證了使用壽命。

圖3 橡膠平板變形示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

九里溝水電站對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)軸承和主軸密封改造完成后，已安全運(yùn)行三年，初步驗(yàn)證了改造方案的可行性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。采用水潤(rùn)滑彈性金屬塑料瓦代替稀油潤(rùn)滑巴氏合金瓦對(duì)立式水輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，在國(guó)內(nèi)尚不多見。與巴氏合金瓦相比,它徹底省去了原有的油潤(rùn)滑系統(tǒng),降低了運(yùn)行成本；避免了油脂對(duì)河流的污染,利于環(huán)境保護(hù)；無(wú)水導(dǎo)進(jìn)水之虞，運(yùn)行安全穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大減少了檢修工作量。與橡膠瓦相比，它克服了橡膠瓦彈性模量低，變形大，穩(wěn)定性差，易磨損、易燒瓦，承載力差、易老化等缺點(diǎn)。對(duì)具備技術(shù)供水水質(zhì)條件的小型立式機(jī)組，值得推廣。用單層橡膠平板對(duì)主軸密封的改造，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取材方便，漏水量小，維護(hù)周期長(zhǎng)，以九里溝水電站的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行比較，明顯優(yōu)于盤根密封和活塞式端面水壓密封，可供其他電站參考。

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