[发明专利]一种水轮机主轴的密封环及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种水轮机主轴的密封环及其制备方法，属于密封技术领域。

背景技术

水轮机主轴密封装置示意图如图1所示，其中水轮机主轴的密封环是水轮机的关键部件，因为其良好的密封作用才使得下方冲刷叶轮的高压水不会进入上方的电站厂房。但主轴是被叶轮带动旋转的，故此种密封又是一种动态密封，且有的水轮机因运行的需要，其密封环摩擦副的线速度有时会高达40米/秒，其摩擦磨损的状况是较为严重的，因失效而更换的情形也甚为常见。我国是水力发电大国，水轮机主轴的密封环的需求量不言而喻，但目前大型水电机组的密封环却一直依靠进口。

    发达国家的大型水轮机主轴的密封环主要采用下述五种材料制造：木纤维素酚醛树脂（挪威产），尼龙（加拿大产），超高分子量合成树脂（法国产），酚醛棉布层压板（德国产）和碳精（英国产）。这五种材料各有优势并分别应用于不同的运行工况。前四种材料在水中耐腐蚀且减磨性均良好，其韧性耐冲击性亦能满足使用要求，因此都得以广泛应用。

    随着水轮机设计与运行参数的提高，线速度增大，以上四种材料在使用过程中暴露出不足之处，即其摩擦面因为运行过程中难以避免的不稳定性所导致的瞬间高温而使密封环出现局部烧蚀或烧焦，会使原本光滑的密封面出现剥层或蚀坑，端面密封效果丧失，水进入上方机房，机组被迫停机。究其原因，这四种材料均为高分子材料，不耐高温所致。在正常运行状态下，密封环是浸在水中的，有水的降温导热作用，且有配合间隙存在，在高速旋转下有水膜润滑，当周围水温升高时还可报警停机，以避免事故发生；然而由于摩擦副的安装精度往往难以达到0.03mm的平行度，加之运行过程中难以避免的不稳定状况造成的振动，上下摩擦副平面将会使局部发生嵌合挤压在一起，此时水膜遭到破坏不复存在，在干摩擦下高速运动，从而导致局部瞬间高温，超过高分子的熔点而使接触面融化甚至烧蚀，又因为高分子材料导热率低，当安放在周围水中的温度传感器感知了超温报警时，为时已晚。

为了应对该问题，英国摩根公司研发了碳精材料的密封环，即上述的第五种材料，它是由高强度高纯石墨材料制作。众所周知，石墨晶体是耐高温的，即便是在2000℃的高温下其强度仍可保持不降低，但在使用过程也显出了其天然的不足：脆性较大，其韧性远不能与以上四种高分子材料相比，当机组出现不稳定状态产生振动时，石墨密封环会被配摩副的不锈钢环撞击而破损。此种状况在国内多有发生，国外供货方均以我方水轮机安装运行水平不高而推脱。

综上所述，高参数大功率水轮机组的主轴密封环应具备以下特点方能满足在较为苛刻的条件下仍能安全运行的要求：

（1）耐水下腐蚀    

（2）抗水膨胀以保持尺寸精度    

（3）高强度  

（4）高韧性，耐冲击

（5）耐高温 

（6）高减磨耐磨性。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种水轮机主轴的密封环。

本发明的另一目的在于提供一种水轮机主轴的密封环的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种水轮机主轴的密封环，包括带凹槽的环形基座钢和置于凹槽中的密封体，所述密封体由C-C复合材料层、中间层和橡胶层粘接而成，C-C复合材料层粘接在中间层表面，橡胶层粘接在基座钢凹槽中，所述凹槽深度小于密封体厚度。

所述C-C复合材料为三维穿刺结构，其厚度为密封体厚度的31.25%-62.5%。 

所述中间层材料为铜合金、铝合金或不锈钢，其厚度为密封体厚度的18.75%-31.25%。

所述橡胶层材料为通用合成橡胶层，其厚度为密封体厚度的18.75%-37.5%。

所述通用合成橡胶为氯丁橡胶、高弹橡胶或丁腈橡胶。

所述C-C复合材料层和中间层间粘接的强度大于C-C复合材料的剪切强度。

一种制备上述水轮机主轴的密封环的方法，包括如下步骤：

（1）分别制备C-C复合材料层、中间层和橡胶层，所述C-C复合材料层的厚度占密封体厚度31.25%-62.5%、中间层的厚度占密封体厚度的18.75%-31.25%、橡胶层的厚度占密封体厚度的18.75%-37.5%；

（2）对橡胶层进行打磨，采用粘结剂将C-C复合材料层、中间层和橡胶层依次粘接，制备成密封体，并将其粘接在基座钢凹槽中。

所述粘接剂为WSX浸渍胶，A、B两组分按4:1配制而成。