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1 基本情況
青溪水電廠是低水頭徑流式水電廠，裝機容量4×36 MW。最大工作水頭25 m，最小工作水頭10m，設計水頭20.5 m。水輪機型號為ZZ500-LH-500，額定流量209.1 m3/s，額定轉速125r/min。水輪機安裝高程45.00 m，下游最低發電水位48.51 m。水輪機主軸密封分為停機狀態密封(俗稱檢修密封)和運行狀態密封(俗稱工作密封)兩種。其中檢修密封為橡膠圍帶式結構，工作密封為橡膠活塞式結構。工作密封面高程46.867 m。
2 水輪機主軸密封的作用及工作過程
當機組處于靜止狀態時，工作密封活塞下腔是無壓的，活塞在活塞座內靠自重沿定位銷自由下落
到底部。而圍帶此時已接通0.6～0.7 MPa的壓縮空氣，其非約束部分受壓鼓起，與密封環緊密接
觸，從而阻斷尾水竄入水輪機頂蓋的通道，起到密封作用。
開機時，為避免圍帶與主軸的磨擦，在機組啟動前，開機繼電器就使圍帶排氣卸壓。同時，為防
止圍帶卸壓后尾水大量竄入頂蓋，開機繼電器還使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。
停機時，當主軸完全靜止后，停機繼電器使圍帶通入壓縮空氣，并關閉密封活塞下腔的壓力水，
密封活塞自由落下。
3 故障現象
青溪水電廠3號機組自投產以來，已累計運行了28 000多小時。但在2000年9月下旬以來，曾多
次出現下述情況：機組開機時，水輪機在開始運轉的幾分鐘內，水車室內濃煙滾滾，且橡膠焦臭味
非常濃烈，待機組運轉一段時間后，濃煙才被機組旋轉的氣流漸漸吹散，一切又都恢復正常。
4 原因分析
水車室內除電氣設備、元件外，其余都是機械構件以及為數極少的橡膠密封材料(如盤根、圍帶和
密封活塞)。在排除電氣設備、元件故障的可能后，能在發熱后冒煙并散發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，也長期浸泡
在水輪機頂蓋的積水中。可想而知，這些浸泡在水中的橡膠密封即使與金屬物體發生運動磨擦，也
不可能發熱冒煙。換句話說，這些橡膠密封如果發熱冒煙，一定存在干性或臨界干性的運動磨擦。
就青溪水電廠機組的情況來說，在水輪機各種密封裝置中，存在磨擦運動可能的只有檢修密封和
工作密封兩種。 前者有3種情況可能發生運動磨擦：
a)開機時圍帶尚未排氣卸壓，機組就運轉起來；
b)停機時機組尚未靜止，圍帶就被充入壓縮空氣；
c)機組停機期間，由于導水葉漏水過大，機組自轉。對于檢修密封來說，無論發生哪一種運動磨
擦，其磨擦面始終浸泡在水中，其結果雖然會損壞圍帶，卻不可能因此產生濃煙。對于后者，它雖
然被固定在活塞座里，只能作上下運動，不能作圓周運動和徑向運動，但是，轉動環卻是隨主軸一
起轉動的。顯然，密封活塞存在運動磨擦。但密封活塞是靠清潔水流作為其磨擦面的潤滑介質的，
因此必須對密封活塞的工況作進一步剖析。
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
能作上下運動(活塞行程為5 mm)，不能作環向運動和徑向運動。
在活塞上下端面之間有8個均布的*4 mm通流孔。當活塞下腔無壓時，活塞能靠自重落到底部。
當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，水流經通流孔流到
活塞上端。當活塞與轉動環接觸后，接觸面之間就產生了流動的水膜。這時如果機組開始運轉，轉
動環與活塞的磨擦實質上就是與流動水膜的磨擦。 流動水膜不僅保護了密封活塞，還將磨擦引起
的熱量帶走。 但在密封活塞的工作過程中，也可能出現下面幾種情況：
(1) 開機時，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，但這時其上端面與
轉動環之間保持著5 mm的間隙，因此不可能發生運動磨擦。
(2) 開機時活塞頂起后，如果壓力水突然中斷，活塞失壓后將落下，這樣也不存在運動磨擦。
(3) 停機時，如果壓力水關閉后活塞沒有復位，卡在頂起位置，那么在下次開機時，活塞首先被水
壓頂緊，通流孔被轉動環封堵，在磨擦面間就不能產生流動水膜。此時如果機組轉動，那么在啟動
初期將出現短時的干性磨擦或臨界干性磨擦的情況。
那么，密封活塞有沒有可能卡在頂端呢？為此對密封活塞的受力情況進行分析。 如圖3所
示，轉動環在某點的速度方向V是其作圓周運動的切線方向，其磨擦力f的方面與V相反。由力學性質
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，還有由磨擦力產生的力F’，且
F’=f。在F’的作用下，密封活塞有隨轉動環轉動的趨勢，但受到定位銷的約束，于是出現密封活
塞與定位銷緊緊貼合的結果。
由此可見，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，則密封活塞在機組靜
止后就有可能卡在頂端。
經以上分析，可以認為，青溪水電廠3號機組在停機后，由于工作密封活塞沒有復位，使得活塞磨
擦面在下次開機的初始階段不能產生流動水膜， 開機時轉動環與活塞之間出現干磨擦或臨界干磨
擦，造成活塞嚴重發熱冒煙，并散發出濃烈的橡膠焦臭味。機組啟動后，在機組振動和轉輪室水力
脈動的交替作用下， 水流才逐漸進入磨擦面。因此當機組運轉一段時間后，磨擦面間的水膜才恢
復正常。
5 防止對策
(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度，又避免銷
釘生銹長垢。
(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。
安裝時從活塞下腔往上套入， 其4個銳翼嵌入橡膠內，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磨成楔成坡口，使活塞與轉動環的磨擦面間形成楔形間隙。這樣即使
活塞失壓后沒有落下，只要頂蓋有一定的清潔水，當機組轉動后，轉動環就能將水帶進磨擦面，并
在磨擦面間形成楔形的流動水膜。
(4) 調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工作密封裝置。
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