1 引言

炳灵水电站位于甘肃省永靖县与积石山县交界处黄河干流的寺沟峡峡谷进口以下12.5km处的塔坪村，尾水与刘家峡水电厂水库回水衔接,下距刘家峡水电厂44.5km，距甘肃省兰州市125km。炳灵水电站总装机容量为240MW，装有5台单机容量为48MW的灯泡贯流式水轮发电机组，也是国内为数不多的厂顶溢流式重力坝。

炳灵水电站灯泡贯流式机组导叶操作机构为锥形布置，机组原有导叶外轴颈套筒密封仅采用一道U型密封，且机组运行时此处频繁转动摩擦，一道U型密封不能很好的起到密封河道水的作用，机组运行期间导叶套筒漏水很大。为解决漏水大的问题，期初将原有的U型密封形式改为U+O密封形式，应用到水电站的三台机组上试验，期初取得一定的效果，没有明显的漏水现象，但几个月后在汛期时或是运行一年后改造的三台机组导叶外枢轴套筒仍然出现漏水问题。为了彻底解决这一顽固性套筒漏水问题，在研究了导叶套筒漏水问题原因后，通过与厂家的沟通后，提出改变导叶套筒结构和加装其它密封等的方法，来解决机组导叶套筒漏水大的问题。

2 选题背景

炳灵水电站机组导叶套筒漏水大一直是水电站机组安全运行的一大隐患，每次在机组大修时，需要更换导叶套筒密封，但机组检修完运行几个月后大部分导叶外枢轴套筒出现漏水大的现象，导致机组导叶安全连杆处的行程开关易进水损坏，导水机构易腐蚀，检修平台积水严重，润滑油泵、高压油顶起泵易受潮，当漏水大或排水不畅时有可能溅到润滑油泵、高压油泵、漏油泵的电机上或漏进低位油箱、漏油箱内，导致油质乳化和设备的腐蚀，对机组的安全稳定运行带来极大的安全隐患，严重时影响导叶全关和压紧行程等问题。

2021年，炳灵水电站为了彻底解决机组导叶外枢轴套筒漏水问题，经过对原有导叶外枢轴套筒系统的分析研究后，认为原有的导叶套筒密封结构太单一，没有二次密封和泄压槽等，在机组运行一段时间后，由于黄河泥沙含量高，在泥沙的摩擦，河水汽蚀作用和杂物的介入等，导致密封槽汽蚀严重，密封件损伤严重，不能在一个A级检修周期内有效起到密封作用。为此，炳灵水电站技术人员讨论，对现有的导叶套筒结构上进行改造和密封形式上的改变，以此来解决导叶套筒漏水问题，通过探讨认为这种思路是合理的解决导叶套筒漏水问题的路径，因此在结合1号机组A级检修的机会，对1号机组导叶外枢轴套筒漏水大的问题进行彻底的解决，并在1号机组A级检修时进行实施，彻底解决掉水电站多年来的导叶套筒漏水大的疑难杂症。

3 导叶外枢轴密封组成及作用

炳灵水电站单台机组导水机构有16片重约3吨的导叶，导叶两端分别是内枢轴和外枢轴，分别在机组泡体内配水环和外配水环上连接，导叶外枢轴密封由导叶球轴承、导叶套筒、间距块、压板、U型密封圈、O型密封圈等组成。

导叶球轴承与导叶外枢轴连接，起转动导叶时支撑和自由旋转作用，导叶套筒与导叶球轴承装配在一起，通过密封圈、间距环将流道水隔离开来，他们相互紧密连接一起，起到防止流道泥沙进入密封内，防止轴径磨损，减少摩擦等作用，这些部件共同作用阻断流道内河水漏出导水机构，为导叶动作提供支撑点。

4 导叶套筒漏水原因分析

灯泡贯流式机组导水机构为锥形，结构设计较为复杂，它的设计与制造质量直接影响到灯泡贯流式机组品质和机组运行的稳定性。导叶外枢轴的密封圈安装在导叶套筒的沟槽内，密封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。当橡胶密封件受到流体压力作用时，将被挤压到沟槽的一侧。炳灵水电站机组导叶外枢轴套筒原密封采用单一的U型密封，灯泡贯流式机组导叶操作机构为锥形布置，早年由于加工精度的限制，导叶外枢轴瓦位置一般采用关节轴承，来适应加工精度的要求。在机组安装或检修时，外枢轴和内枢轴安装间隙调整不合适或过小，会影响导叶全行程动作，最明显的表现是在动作时由刺耳的金属摩擦声，影响导叶端部止水台，还会影响导叶套筒密封效果，对事故停机时机组投重锤时导叶可能全关不到位等问题，我们在机组检修时做重锤试验时发现，导叶内枢轴和外枢轴同心度好的，动作灵活，密封效果好，同心度差的，端面间隙调整过小的或是有的导叶端面间隙为零，在投重锤时导叶无法全关闭到位，所以，考虑导叶套筒安装时调整好同心度很有必要，而且U型密封圈这种材质的最大工作压力为40MPa，在试验中是密封介质为透平油，没有杂质，是个理想工作环境，所以试验中密封效果会比实际应用中要好的多。在实际中密封效果主要取决与密封内外圈裙边的压紧量^[1]。由于炳灵水电站最大水头25m，即导叶套筒密封水压力仅为0.25MPa，这会易导致密封裙边打开不足，所以密封压紧量不能保证，致使密封处容易出现漏水大的问题所在。

为适应灯泡贯流式机组锥形导水机构的加工误差，导叶轴颈轴瓦采用关节球轴承，这使得密封于导叶轴径之间会产生一定的夹角，导致密封一边间隙过大，一边过小的可能性。这会导致轴颈密封两侧压紧量不一致，长期运行后密封圈变形或是一边容易磨损，从而导致导叶密封失效而出现漏水大的问题。

由于炳灵水电站在黄河上游，河道泥沙含量高，导致导叶密封容易进泥沙而磨损，且导叶密封面内泥沙直接影响密封效果，塑料、树枝等杂物较多，导致杂物从轴与套筒的间隙容易进入，影响轴径间隙的均匀性，且易汽蚀密封槽，影响密封件的密封效果。

还有一个原因是，灯泡贯流式机组的特性，决定了此类机组水电站库容小，受河道来流量影响大，所以需要平繁开停机，和调整符合，导致对导叶开关动作平繁，使导叶密封来回摩擦损耗较大。

5 改造方案

通过对原有机组导叶外枢轴密封形式的分析，漏水原因的分析、以及导叶套筒结构的分析，提出技改方案时考虑经济因素和使用效果的考虑，在设备改造时要考虑原有导水机构外配水环上孔的尺寸，不能改变导叶套筒外形尺寸的基础上进行改造比较有可行性，所以在不破坏原有结构的前提下，对原有导叶套筒结构进行部分改造，增加新密封件和密封压盖等措施。考虑到河道泥沙含量大，杂物较多等因素以及工作水压不是太大等因素，在轴颈密封圈的选型上，采用大补偿量的低压力的新型U型密封，并在U型圈内增加O型圈作为密封容易磨损的补偿，材料上采用改性聚氨酯，以保证耐磨性的需求^[2]。同时在导叶外轴套端部增加密封压环，在密封压环与套筒端面、支撑环径向增加新密封，依次来阻断漏水通道，形成第二道密封。密封压环与套筒端面为静密封，所以采用O型圈形式即可有效防二次漏水，密封压环与转臂支撑环间为径向动密封采用不需额外润滑的斯特封形式，如图1。在密封压环外侧增加漏水观察孔，观察机组长期运行后的漏水量，在机组运行一段时间后可通过打开漏水观察孔检查漏水量的大小来判断U型密封是否有效封水，这样可提前判断密封的完整性，为下次检修提前做好备品准备。

图1  改进后导叶套筒密封示意图

6 方案的实施

此次改造所需材料并不多，提前准备材料有，密封压环16个，O型密封圈16个，U＋O型密封圈16个，斯特封16个，支撑环16个，改造的导叶套筒16个，压盖16个，钙剂润滑脂若干。

结合1号机组A级检修期间，在吊出导水机构检修时，依次导叶球轴承、间隔环，拆解机组的16片导叶，拆解外枢轴密封的导叶套筒等组件。对锈蚀外配水环孔进行打磨除锈；对关节球轴承用汽油进行清洗，检查是否有损伤和裂纹，有明显划痕和损伤的部位可以用油石进行打磨处理，对于关节球轴承间隙过大或有裂纹的进行更换处理；间隔环进行汽油清洗，有划痕的还是用油石打磨，有变形的要更换，以免影响导叶套筒的密封效果和导叶动作的灵活性，导叶套筒密封槽要检查是否有铁销等杂质，确保密封槽内干净光滑，没有损伤密封的毛刺。

在安装时，首先要在外配孔涂抹一次润滑脂，导叶套筒外圆及O型密封圈槽涂抹润滑脂，以防密封圈在安装时被切割，还有密封作用，在这里不建议用透平油涂抹，在安装U型密封时用70度透平油加热U型密封，在冷却前将密封安装到位；第一块间隔环在安装导叶时先套在导叶外枢轴上，轴径上涂抹上润滑脂，利用导叶检修用吊耳孔和两个导链，将导叶调整好角度，使已安装的导叶套筒与导叶外枢轴同心后，缓慢位移安装，到位后回装球轴承和另一块间隔环；最后回装密封压环，在回装前，提前安装好密封，并涂抹润滑脂，回装到位，暂不紧固螺栓，待导水机构吊至基坑，回装到位后，导叶间隙调整合适后在紧固螺栓^[3]。

7 应用效果

此次在1号机组A修期间导叶外枢轴密封的改造，通过系统的分析漏水大的原因，结合原有套筒结构进行改造，严格按照设计要求安装，导叶间隙调整符合图纸要求。机组检修完调试期间，导叶动作灵活，机组启机时16片导叶外枢轴无一漏水。经过近三年的机组运行实践，目前没有导叶套筒漏水现象，在两次汛期泥沙含量高时也没有漏水现象，安全度过了两个高泥沙汛期，说明这次改造是成功的，可行的。

 8 结束语

贯流式机组从研制到现在已有一百多年的历史了，它在低水头高效率上的优势是其他类型机组无法匹敌的，投资少见效快，适应环境性强也是它的优势，但它也有着其无法回避的缺点，如机组导叶套筒漏水，主轴密封漏水，机组震动大，噪音大，机组检修繁琐等。一般灯泡贯流式机组因为是过流式水电站，库容不大，所以会随着河道来流量的大小平凡调整符合和开停机，导致机组导叶外枢轴和主轴密封容易漏水，金属结构容易出现裂纹，机组震动大等一系列问题，这也是所有灯泡贯流式水电站需要努力解决的问题。本文通过对灯泡贯流式机组水电站的多家不同厂家和水电站技术人员的咨询、研究和分析，在实践中不断更换不同材质的密封，改造部分部件结构等，最终确定用U＋O密封和斯特封等来组成两道有效的导叶外枢轴密封，经过近三年的机组运行，目前设备运行良好，没有出现导叶外枢轴套筒漏水现象，且导水机构在做投重锤关导叶试验中效果明显，导叶动作比未改造前灵活，关闭时间比改造前短。所以说，此次改造是成功的，可行的，在同类型灯泡贯流式机组中有可推广型和通用性，为机组安全稳定运行提供了可靠技术保障。

建议灯泡贯流式机组在运行时，尽量少调整负荷，减少机组开停机也是减少设备出现故障的有效方法。

参考文献： 

[1] 程杰、李正贵、杨逢瑜等.贯流式水轮机导叶套筒磁力橡胶密封实验及应用.贯流式水电站专业委员会第十二次年会论文集.2017.09

[2] 张春华、张敏、王继任等.基于正压控制的采控区双重高效密封防火技术[J].煤炭学报，2015，40（7）:1569-1573.

[3] 田树棠.贯流式水轮发电机组实用技术-设计.施工安装.运行检修[M].中国水利水电出版社，2010