Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒密封橡膠性能的影響

李正貴，程 杰，楊逢瑜,2，陳君輝，司國(guó)雷，李海明，楊世江，王得紅，孔旭勇

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Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒密封橡膠性能的影響

李正貴1，程 杰1，楊逢瑜1,2，陳君輝3，司國(guó)雷3，李海明3，楊世江4，王得紅4，孔旭勇4

（1. 流體與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），成都 610039；2. 蘭州理工大學(xué)磁性物理與磁技術(shù)研究所，蘭州 730006；3. 烽火機(jī)械廠設(shè)計(jì)中心，成都 611130；4. 甘肅柴家峽水電有限公司，蘭州 730065）

Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)橡膠密封性能有著極大的影響。近年來(lái)，因低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒密封材料失效而引起水或油泄漏事故層出不窮，對(duì)于在低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒密封材料的研究也成為了很多研究人員所關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，本文通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4密封橡膠材料在低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒應(yīng)用進(jìn)行理論方程分析發(fā)現(xiàn)：一定配比質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4密封橡膠材料相比于傳統(tǒng)密封材料來(lái)說(shuō)，它的摩擦系數(shù)更小、抗磨損性能更強(qiáng)。最后，將幾種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4密封橡膠材料在水電站進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4密封橡膠材料使得低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒的泄漏量相比于對(duì)照組顯著減少，水輪機(jī)的密封性能得到極大的提高。

低水頭水輪機(jī)；導(dǎo)葉套筒；理論方程；Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)；密封和泄漏；應(yīng)用效果

0 前言

亞太地區(qū)水電市場(chǎng)分額占據(jù)世界水電市場(chǎng)的70.3%。根據(jù)世界水電研究報(bào)告數(shù)據(jù)可得：2015~2023年，世界水電預(yù)計(jì)裝機(jī)容量按照2.85%的增長(zhǎng)比率，在2023年達(dá)到146.65GW。此外，世界水電資源中國(guó)位居世界第一，可開(kāi)發(fā)量約為3.78億kW。所以，為了使得水電可以得到安全可持續(xù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員對(duì)水力機(jī)械進(jìn)行了充分的研究。例如余曉東[1]等人對(duì)聯(lián)合運(yùn)行水電站水力機(jī)械系統(tǒng)小波動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，在研究中成功的推導(dǎo)出了聯(lián)合運(yùn)行條件下的系統(tǒng)等效慣性時(shí)間常數(shù)、總出力變化以及機(jī)組控制方程，再根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，建立了水力機(jī)械小波動(dòng)穩(wěn)定理論分析模型和過(guò)渡時(shí)域[2-4]仿真模型，為計(jì)算機(jī)水電站模擬[5-7]提供了更加科學(xué)的方法。此外，耿聃[8]等相關(guān)人員對(duì)水力脈動(dòng)與水電站機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，在研究中細(xì)致的討論了水力振源[9]在某些工況可能同時(shí)影響機(jī)組運(yùn)行和廠房結(jié)構(gòu)。另外，對(duì)三種電站常見(jiàn)振源，水力、機(jī)械[10]和電磁[11-13]進(jìn)行了研究，其中水力振源分布廣泛、作用范圍最大的進(jìn)行了研究。在相關(guān)研究中劉明海[14]等研究了BaO-6Fe2O3丁腈橡膠摩擦損性能。在研究中丁腈橡膠這種新型密封材料的耐磨性能、磁性、自修復(fù)性引起水電行業(yè)的關(guān)注，并開(kāi)始對(duì)丁腈橡膠在水輪機(jī)密封中進(jìn)行應(yīng)用性研究。但是，對(duì)于水電站機(jī)組密封處密封材料的配比成分對(duì)水電站機(jī)組運(yùn)行的研究卻較少，尤其在低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒中的密封，更具有研究和實(shí)際價(jià)值。

1 導(dǎo)葉套筒密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低水頭水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由導(dǎo)葉套筒1、外配水環(huán)2、導(dǎo)葉3、內(nèi)配水環(huán)4、流道5、接力器6、拐臂7組成，在運(yùn)行過(guò)程中，為了啟停機(jī)組、調(diào)節(jié)負(fù)荷導(dǎo)葉動(dòng)作頻繁，流道中流體對(duì)導(dǎo)葉的扭矩很大，這樣對(duì)導(dǎo)葉套筒的密封提出很大的挑戰(zhàn)，經(jīng)常出現(xiàn)漏水問(wèn)題。

水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪丁腈橡膠密封裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，水輪機(jī)外配水環(huán)支撐相對(duì)導(dǎo)葉軸頭靜止，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸為運(yùn)動(dòng)部件，X型復(fù)合丁腈橡膠密封件2及O型復(fù)合丁腈橡膠密封件4分別進(jìn)行軸向與進(jìn)行密封，由于復(fù)合丁腈橡膠含有Fe3O4磁性粉末，在磁極3的磁力作用下，始終與密封面接觸，提高密封性能。

1-導(dǎo)葉套筒；2-外配水環(huán)；3-導(dǎo)葉；4-內(nèi)配水環(huán)；5-流道；6-接力器；7-拐臂

1-導(dǎo)葉軸頭；2-軸頭上密封；3-軸頭下密封

1-外配水環(huán)支撐，2-X型復(fù)合丁腈橡膠密封件，3-磁極，4-O型復(fù)合丁腈橡膠密封件，5-導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸

2 導(dǎo)葉套筒密封原理

導(dǎo)葉套筒在密封過(guò)程中，密封圈裝在溝槽與被密封表面間，橡膠受力產(chǎn)生反作用的彈力給接觸面產(chǎn)生一定的初始密封壓力，構(gòu)成預(yù)密封。當(dāng)處于預(yù)緊密封狀態(tài)的橡膠密封件受流體壓力作用時(shí)，將被擠壓到溝槽的一側(cè)。因?yàn)榱黧w的壓力和橡膠密封件形變、接觸面的壓力成正比。因此，當(dāng)流體壓力較大時(shí)，接觸面外側(cè)的壓力就大于了內(nèi)側(cè)，從而構(gòu)成自緊密封[15-16]。其微觀機(jī)理是：接觸面的橡膠密封材料被壓入金屬表面形成凹陷，以此構(gòu)成阻斷密封帶[17]。

式中，為密封件變化前寬度；為密封件變化后寬度；=0.8E，E為密封件的換算模量，測(cè)量可得。所以，變形的密封件每一單位周長(zhǎng)上所占的接觸值：

密封件徑向位移到密封槽壁（壓力對(duì)面的側(cè)壁）接觸并在此位置上保持必要壓力，由公式得：

式中：0表示密封件軸向位移的必要壓力。但0需滿足：

當(dāng)壓力變大到≥0時(shí)，密封件發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，這時(shí)密封件便失效。但是密封件因位移產(chǎn)生了自緊密封，接觸力劇增，失密現(xiàn)象立即得到控制。形成自緊密封條件為：

式中，K為壓力傳遞系數(shù)[19-20]，其值約為1。

其中和非磁性密封件相比，需修訂的公式如下：

3 性能分析

按照以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析，對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe3O4低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒貫密封件摩擦性能進(jìn)行試驗(yàn)，用UTM摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備自帶的UTM Test Viewer軟件控制系統(tǒng)，試驗(yàn)界面如圖4所示。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示為4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4密封件試樣。不同組分表示在丁腈橡膠中磁性粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比，不同成分的丁腈橡膠平均摩擦系數(shù)不同，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)中摩擦力隨時(shí)間的變化規(guī)律由圖5中所示。

表1 平均摩擦力

從表1中可以看出，對(duì)于橡膠，平均摩擦系數(shù)隨著不同組分的磁性粒子比例而有不同的變化。其摩擦系數(shù)變化還與磁粉的添加量與種類有關(guān)。當(dāng)加入磁粉后磁性橡膠的硬度便增加，因而導(dǎo)致磁性橡膠的粘著摩擦和滯后摩擦（橡膠變形和分子鍵斷裂）下降，可是加入磁粉后磁性橡膠又具有了磁性，從而產(chǎn)生了磁性力，使得摩擦力又減小，但是由于添加的磁粉量少，所以磁性較小，因此硬度改變對(duì)摩擦系數(shù)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁性對(duì)摩擦系數(shù)的影響，總體對(duì)外表現(xiàn)為摩擦系數(shù)下降。故結(jié)合低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒實(shí)際密封工況與運(yùn)行條件，選擇20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4橡膠比較理想。

4 應(yīng)用效果

將20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4橡膠用于低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒的設(shè)計(jì)中，并在水電站進(jìn)行運(yùn)行檢測(cè)。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，用20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4橡膠作為密封裝置時(shí)，密封件的磨損度和泄漏量得到了極大地減少。

表2 丁腈橡膠與常規(guī)橡膠密封試驗(yàn)

因此，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，將20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe3O4用于低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒時(shí)，其密封效果十分顯著。由此體現(xiàn)了對(duì)水輪機(jī)密封件結(jié)構(gòu)配比的研究的必要性，以及其未來(lái)的巨大潛力。

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Effect of Fe3O4Quality Fraction on the Rubber Properties of the Guide Vane Sleeve of Low Water Turbine

LI Zhenggui1, CHENG Jie1, YANG Fengyu1,2, CHEN Junhui3, SI Guolei3,LI Haiming3, YANG Shijiang4, WANG Dehong4, KONG Xuyong4

(1. Key Laboratory of Fluid And Power Engineering, Ministry of education(Xihua University), Chengdu 610039, China; 2. Research Institute of Magnetic Physics and Magnetic Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 3. Research and Development Center Fenghuo Machinery Factory, Chengdu 611130, China; 4. Gansu Chaijiaxia Hydropower Company Limited, Lanzhou 730065, China)

Fe3O4mass fraction has a great impact on rubber sealing performance. In recent years, due to the low water head water turbine guide vane sleeve sealing material failure caused by water or oil spill emerge in endlessly, in the low water head water turbine guide vane sleeve sealing materials research has become the focus of attention by many researchers. Therefore, this article through to the different quality of Fe3O4rubber sealing material applied in low water head water turbine guide vane sleeve theory equation analysis found that a certain proportion of the mass fraction of Fe3O4seal rubber materials compared with the traditional sealing material, its smaller friction coefficient, wear resistance stronger. Finally, the several different mass fraction of Fe3O4rubber sealing material for practical application in hydro power station, a certain proportion of the mass fraction of Fe3O4rubber sealing material made of low water head water turbine guide vane sleeve leakage significantly reduced compared with control group, the turbine sealing performance is greatly improved.

low head water turbine; guide vane sleeve; theoretical equations; Fe3O4quality score; sealing and leakage; application effect

TK730.5

A

1000-3983(2017)05-0058-05

四川省教育廳自然科學(xué)重大培育項(xiàng)目（17CZ0034）；西華大學(xué)流體及動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（szjj2017087）；西華大學(xué)自然基金（Z1510416）

2016-10-27

李正貴（1974-），1999年畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)，教授，現(xiàn)從事水力機(jī)械流動(dòng)機(jī)理方面的研究。國(guó)際小水電中心工程技術(shù)專家、中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)貫流式水輪機(jī)專委會(huì)委員、中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員。