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1 基本情況
青溪水電廠是低水頭徑流式水電廠，裝機(jī)容量4×36 MW。最大工作水頭25 m，最小工作水頭10m，設(shè)計(jì)水頭20.5 m。水輪機(jī)型號(hào)為ZZ500-LH-500，額定流量209.1 m3/s，額定轉(zhuǎn)速125r/min。水輪機(jī)安裝高程45.00 m，下游最低發(fā)電水位48.51 m。水輪機(jī)主軸密封分為停機(jī)狀態(tài)密封(俗稱檢修密封)和運(yùn)行狀態(tài)密封(俗稱工作密封)兩種。其中檢修密封為橡膠圍帶式結(jié)構(gòu)，工作密封為橡膠活塞式結(jié)構(gòu)。工作密封面高程46.867 m。
2 水輪機(jī)主軸密封的作用及工作過(guò)程
當(dāng)機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，工作密封活塞下腔是無(wú)壓的，活塞在活塞座內(nèi)靠自重沿定位銷自由下落
到底部。而圍帶此時(shí)已接通0.6～0.7 MPa的壓縮空氣，其非約束部分受壓鼓起，與密封環(huán)緊密接
觸，從而阻斷尾水竄入水輪機(jī)頂蓋的通道，起到密封作用。
開(kāi)機(jī)時(shí)，為避免圍帶與主軸的磨擦，在機(jī)組啟動(dòng)前，開(kāi)機(jī)繼電器就使圍帶排氣卸壓。同時(shí)，為防
止圍帶卸壓后尾水大量竄入頂蓋，開(kāi)機(jī)繼電器還使0.059 MPa壓力的清潔水通入密封活塞下腔，使
密封活塞克服重力上升到頂端，阻斷竄水通道，起到密封作用。
停機(jī)時(shí)，當(dāng)主軸完全靜止后，停機(jī)繼電器使圍帶通入壓縮空氣，并關(guān)閉密封活塞下腔的壓力水，
密封活塞自由落下。
3 故障現(xiàn)象
青溪水電廠3號(hào)機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)，已累計(jì)運(yùn)行了28 000多小時(shí)。但在2000年9月下旬以來(lái)，曾多
次出現(xiàn)下述情況：機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)，水輪機(jī)在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)的幾分鐘內(nèi)，水車室內(nèi)濃煙滾滾，且橡膠焦臭味
非常濃烈，待機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，濃煙才被機(jī)組旋轉(zhuǎn)的氣流漸漸吹散，一切又都恢復(fù)正常。
4 原因分析
水車室內(nèi)除電氣設(shè)備、元件外，其余都是機(jī)械構(gòu)件以及為數(shù)極少的橡膠密封材料(如盤根、圍帶和
密封活塞)。在排除電氣設(shè)備、元件故障的可能后，能在發(fā)熱后冒煙并散發(fā)橡膠焦臭味的就只能是這
些橡膠制品。
然而，這些作為水輪機(jī)密封用的橡膠密封制品全都安裝在水下。就連工作密封活塞，也長(zhǎng)期浸泡
在水輪機(jī)頂蓋的積水中。可想而知，這些浸泡在水中的橡膠密封即使與金屬物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)磨擦，也
不可能發(fā)熱冒煙。換句話說(shuō)，這些橡膠密封如果發(fā)熱冒煙，一定存在干性或臨界干性的運(yùn)動(dòng)磨擦。
就青溪水電廠機(jī)組的情況來(lái)說(shuō)，在水輪機(jī)各種密封裝置中，存在磨擦運(yùn)動(dòng)可能的只有檢修密封和
工作密封兩種。 前者有3種情況可能發(fā)生運(yùn)動(dòng)磨擦：
a)開(kāi)機(jī)時(shí)圍帶尚未排氣卸壓，機(jī)組就運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)；
b)停機(jī)時(shí)機(jī)組尚未靜止，圍帶就被充入壓縮空氣；
c)機(jī)組停機(jī)期間，由于導(dǎo)水葉漏水過(guò)大，機(jī)組自轉(zhuǎn)。對(duì)于檢修密封來(lái)說(shuō)，無(wú)論發(fā)生哪一種運(yùn)動(dòng)磨
擦，其磨擦面始終浸泡在水中，其結(jié)果雖然會(huì)損壞圍帶，卻不可能因此產(chǎn)生濃煙。對(duì)于后者，它雖
然被固定在活塞座里，只能作上下運(yùn)動(dòng)，不能作圓周運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，但是，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)卻是隨主軸一
起轉(zhuǎn)動(dòng)的。顯然，密封活塞存在運(yùn)動(dòng)磨擦。但密封活塞是靠清潔水流作為其磨擦面的潤(rùn)滑介質(zhì)的，
因此必須對(duì)密封活塞的工況作進(jìn)一步剖析。
密封活塞安裝在活塞座里，如圖2所示。活塞座中均布4根*12 mm的定位銷(A3)，限制活塞只
能作上下運(yùn)動(dòng)(活塞行程為5 mm)，不能作環(huán)向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)。
在活塞上下端面之間有8個(gè)均布的*4 mm通流孔。當(dāng)活塞下腔無(wú)壓時(shí)，活塞能靠自重落到底部。
當(dāng)活塞下腔通入壓力水后，活塞在水壓作用下上升到頂端。在頂起活塞的同時(shí)，水流經(jīng)通流孔流到
活塞上端。當(dāng)活塞與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)接觸后，接觸面之間就產(chǎn)生了流動(dòng)的水膜。這時(shí)如果機(jī)組開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)
動(dòng)環(huán)與活塞的磨擦實(shí)質(zhì)上就是與流動(dòng)水膜的磨擦。 流動(dòng)水膜不僅保護(hù)了密封活塞，還將磨擦引起
的熱量帶走。 但在密封活塞的工作過(guò)程中，也可能出現(xiàn)下面幾種情況：
(1) 開(kāi)機(jī)時(shí)，由于其它方面的原因使壓力水不能通入活塞下腔，活塞不能頂起，但這時(shí)其上端面與
轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)之間保持著5 mm的間隙，因此不可能發(fā)生運(yùn)動(dòng)磨擦。
(2) 開(kāi)機(jī)時(shí)活塞頂起后，如果壓力水突然中斷，活塞失壓后將落下，這樣也不存在運(yùn)動(dòng)磨擦。
(3) 停機(jī)時(shí)，如果壓力水關(guān)閉后活塞沒(méi)有復(fù)位，卡在頂起位置，那么在下次開(kāi)機(jī)時(shí)，活塞首先被水
壓頂緊，通流孔被轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)封堵，在磨擦面間就不能產(chǎn)生流動(dòng)水膜。此時(shí)如果機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在啟動(dòng)
初期將出現(xiàn)短時(shí)的干性磨擦或臨界干性磨擦的情況。
那么，密封活塞有沒(méi)有可能卡在頂端呢？為此對(duì)密封活塞的受力情況進(jìn)行分析。 如圖3所
示，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)在某點(diǎn)的速度方向V是其作圓周運(yùn)動(dòng)的切線方向，其磨擦力f的方面與V相反。由力學(xué)性質(zhì)
可知，密封活塞工作中所受的力除重力mg、水壓力P(且P>mg)外，還有由磨擦力產(chǎn)生的力F’，且
F’=f。在F’的作用下，密封活塞有隨轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，但受到定位銷的約束，于是出現(xiàn)密封活
塞與定位銷緊緊貼合的結(jié)果。
由此可見(jiàn)，如果存在定位銷傾斜、生銹、或活塞定位銷孔變形等不利情況，則密封活塞在機(jī)組靜
止后就有可能卡在頂端。
經(jīng)以上分析，可以認(rèn)為，青溪水電廠3號(hào)機(jī)組在停機(jī)后，由于工作密封活塞沒(méi)有復(fù)位，使得活塞磨
擦面在下次開(kāi)機(jī)的初始階段不能產(chǎn)生流動(dòng)水膜， 開(kāi)機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與活塞之間出現(xiàn)干磨擦或臨界干磨
擦，造成活塞嚴(yán)重發(fā)熱冒煙，并散發(fā)出濃烈的橡膠焦臭味。機(jī)組啟動(dòng)后，在機(jī)組振動(dòng)和轉(zhuǎn)輪室水力
脈動(dòng)的交替作用下， 水流才逐漸進(jìn)入磨擦面。因此當(dāng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，磨擦面間的水膜才恢
復(fù)正常。
5 防止對(duì)策
(1) 將定位銷由*12 mm增大到*16 mm，且改用不銹鋼制作，這樣做既增加銷釘強(qiáng)度，又避免銷
釘生銹長(zhǎng)垢。
(2) 在密封活塞的定位孔中增加不銹鋼套管，避免銷孔受力變形，減小活塞失壓后下滑的磨擦力。
安裝時(shí)從活塞下腔往上套入， 其4個(gè)銳翼嵌入橡膠內(nèi)，使套管不致脫落。套管
安裝后，其頂端低于活塞磨擦面5～10 mm。
(3) 將密封活塞上端面的外側(cè)磨成楔成坡口，使活塞與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的磨擦面間形成楔形間隙。這樣即使
活塞失壓后沒(méi)有落下，只要頂蓋有一定的清潔水，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)就能將水帶進(jìn)磨擦面，并
在磨擦面間形成楔形的流動(dòng)水膜。
(4) 調(diào)整頂蓋排水泵的停泵水位，使頂蓋水位即使在最低情況下仍能淹沒(méi)工作密封裝置。
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