一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)及其制備方法，屬于密封【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明公開的一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，包括帶凹槽的環(huán)形基座鋼和置于凹槽中的密封體，所述密封體由C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層粘接而成，C-C復(fù)合材料層粘接在中間層表面，橡膠層粘接在基座鋼凹槽中，所述凹槽深度小于密封體厚度。其制法為：分別制備C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層，對(duì)橡膠層進(jìn)行打磨，采用粘結(jié)劑將C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中。本發(fā)明提供的密封環(huán)耐沖擊性提高了40%以上，材料的成本降低60%。且其制備方法簡單易行。
【專利說明】一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)及其制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)及其制備方法，屬于密封【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0003]水輪機(jī)主軸密封裝置示意圖如圖1所示，其中水輪機(jī)主軸的密封環(huán)是水輪機(jī)的關(guān)鍵部件，因?yàn)槠淞己玫拿芊庾饔貌攀沟孟路經(jīng)_刷葉輪的高壓水不會(huì)進(jìn)入上方的電站廠房。但主軸是被葉輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，故此種密封又是一種動(dòng)態(tài)密封，且有的水輪機(jī)因運(yùn)行的需要，其密封環(huán)摩擦副的線速度有時(shí)會(huì)高達(dá)40米/秒，其摩擦磨損的狀況是較為嚴(yán)重的，因失效而更換的情形也甚為常見。我國是水力發(fā)電大國，水輪機(jī)主軸的密封環(huán)的需求量不言而喻，但目前大型水電機(jī)組的密封環(huán)卻一直依靠進(jìn)口。
[0004]發(fā)達(dá)國家的大型水輪機(jī)主軸的密封環(huán)主要采用下述五種材料制造:木纖維素酚醛樹脂(挪威產(chǎn))，尼龍(加拿大產(chǎn))，超高分子量合成樹脂(法國產(chǎn))，酚醛棉布層壓板(德國產(chǎn))和碳精(英國產(chǎn))。這五種材料各有優(yōu)勢(shì)并分別應(yīng)用于不同的運(yùn)行工況。前四種材料在水中耐腐蝕且減磨性均良好，其韌性耐沖擊性亦能滿足使用要求，因此都得以廣泛應(yīng)用。
[0005]隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)的提高，線速度增大，以上四種材料在使用過程中暴露出不足之處，即其摩擦面因?yàn)檫\(yùn)行過程中難以避免的不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的瞬間高溫而使密封環(huán)出現(xiàn)局部燒蝕或燒焦，會(huì)使原本光滑的密封面出現(xiàn)剝層或蝕坑，端面密封效果喪失，水進(jìn)入上方機(jī)房，機(jī)組被迫停機(jī)。究其原因，這四種材料均為高分子材料，不耐高溫所致。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，密封環(huán)是浸在水中的，有水的降溫導(dǎo)熱作用，且有配合間隙存在，在高速旋轉(zhuǎn)下有水膜潤滑，當(dāng)周圍水溫升高時(shí)還可報(bào)警停機(jī)，以避免事故發(fā)生；然而由于摩擦副的安裝精度往往難以達(dá)到0.03mm的平行度，加之運(yùn)行過程中難以避免的不穩(wěn)定狀況造成的振動(dòng)，上下摩擦副平面將會(huì)使局部發(fā)生嵌合擠壓在一起，此時(shí)水膜遭到破壞不復(fù)存在，在干摩擦下高速運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致局部瞬間高溫，超過高分子的熔點(diǎn)而使接觸面融化甚至燒蝕，又因?yàn)楦叻肿硬牧蠈?dǎo)熱率低，當(dāng)安放在周圍水中的溫度傳感器感知了超溫報(bào)警時(shí)，為時(shí)已晚。
[0006]為了應(yīng)對(duì)該問題，英國摩根公司研發(fā)了碳精材料的密封環(huán)，即上述的第五種材料，它是由聞強(qiáng)度聞純石墨材料制作。眾所周知，石墨晶體是耐聞溫的，即便是在2000°C的聞溫下其強(qiáng)度仍可保持不降低，但在使用過程也顯出了其天然的不足:脆性較大，其韌性遠(yuǎn)不能與以上四種高分子材料相比，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，石墨密封環(huán)會(huì)被配摩副的不銹鋼環(huán)撞擊而破損。此種狀況在國內(nèi)多有發(fā)生，國外供貨方均以我方水輪機(jī)安裝運(yùn)行水平不高而推脫。
[0007]綜上所述，高參數(shù)大功率水輪機(jī)組的主軸密封環(huán)應(yīng)具備以下特點(diǎn)方能滿足在較為苛刻的條件下仍能安全運(yùn)行的要求:
(1)耐水下腐蝕
(2)抗水膨脹以保持尺寸精度
(3)高強(qiáng)度 (4)高韌性，耐沖擊
(5)耐高溫
(6)高減磨耐磨性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)的制備方法。
[0010]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，包括帶凹槽的環(huán)形基座鋼和置于凹槽中的密封體，所述密封體由C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層粘接而成，C-C復(fù)合材料層粘接在中間層表面，橡膠層粘接在基座鋼凹槽中，所述凹槽深度小于密封體厚度。
[0011]所述C-C復(fù)合材料為三維穿刺結(jié)構(gòu)，其厚度為密封體厚度的31.25%-62.5%。
[0012]所述中間層材料為銅合金、鋁合金或不銹鋼，其厚度為密封體厚度的18.75%-31.25%。
[0013]所述橡膠層材料為通用合成橡膠層，其厚度為密封體厚度的18.75%-37.5%。
[0014]所述通用合成橡膠為氯丁橡膠、高彈橡膠或丁腈橡膠。
[0015]所述C-C復(fù)合材料層和中間層間粘接的強(qiáng)度大于C-C復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度。
[0016]一種制備上述水輪機(jī)主軸的密封環(huán)的方法，包括如下步驟:
(1)分別制備C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層，所述C-C復(fù)合材料層的厚度占密封體厚度31.25%-62.5%、中間層的厚度占密封體厚度的18.75%_31.25%、橡膠層的厚度占密封體厚度的 18.75%-37.5% ；
(2)對(duì)橡膠層進(jìn)行打磨，采用粘結(jié)劑將C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中。
[0017]所述粘接劑為WSX浸潰膠，A、B兩組分按4:1配制而成。
[0018]本發(fā)明所提供的水輪機(jī)主軸密封環(huán)如圖2-3所示，其縱截面示意圖如圖4所示，圖中9為C-C復(fù)合材料層、10為中間層、11為橡膠層、12為帶凹槽的環(huán)形基座鋼。
[0019]所述三維穿刺結(jié)構(gòu)的C-C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)如圖5所示，是將碳纖維橫向鋪排(I維)后，再在其上層縱向鋪排(2維)，然后再將碳纖維用針刺法豎著穿過縱橫向鋪排的碳纖維(3維)得到的空間網(wǎng)狀編織體。三維穿刺結(jié)構(gòu)的C-C復(fù)合材料的制備流程圖如圖6。
[0020]第一層的C-C復(fù)合材料具有良好的耐高溫性和耐磨性，中間層傳遞碰撞時(shí)的集中應(yīng)力，橡膠層具有良好的緩沖吸震作用，因此此種密封體能很好的滿足密封環(huán)的工作狀況還能大幅降低部件成本。
[0021]C-C復(fù)合材料是以石墨為基，以高模量碳纖維為骨架的全碳質(zhì)復(fù)合材料，具有耐沖擊性，本發(fā)明將三維穿刺結(jié)構(gòu)的C-C復(fù)合材料應(yīng)用于密封領(lǐng)域，并將其放置在新結(jié)構(gòu)的第一層。以橡膠為底層取代部分碳纖維，不僅可以降低密封環(huán)所用主料炭-炭復(fù)合材料的成本，而且由于橡膠優(yōu)良的彈性，還可以進(jìn)一步提高密封環(huán)的抗沖擊性能。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:
利用本發(fā)明提供的水輪機(jī)主軸的密封環(huán)適應(yīng)現(xiàn)在工況的要求，較單一 C-C復(fù)合材料其 耐沖擊性均提高了 40%以上，材料的成本降低60%。且其制備方法簡單易行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
圖1為水輪機(jī)主軸密封裝置示意圖；
圖2為本發(fā)明的水輪機(jī)主軸的密封環(huán)的示意圖；
圖3為本發(fā)明的水輪機(jī)主軸的密封環(huán)的俯視圖；
圖4為本發(fā)明的水輪機(jī)主軸密封環(huán)縱截面示意圖；
圖5為C-C復(fù)合材料層三維穿刺結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖6為三維穿刺結(jié)構(gòu)的C-C復(fù)合材料的制備流程圖。
[0024]其中:1.浮動(dòng)環(huán)；2.密封環(huán)；3.不銹鋼抗磨環(huán)；4.導(dǎo)環(huán)；5.節(jié)流管；6.平衡腔供水管；7.彈簧裝置；8.油箱上蓋；9.C-C復(fù)合材料層；10.中間層；11.橡膠層；12.帶凹槽環(huán)形的基座鋼，13密封體。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0026]實(shí)施例1
(I)分別制備厚度為8mm (為密封體厚度的31.25%)的C-C復(fù)合材料層、厚度為8mm(為密封體厚度的31.25%)的不銹鋼中間層、厚度為9.6mm (為密封體厚度的37.5%)的高彈橡膠層和凹槽厚度為16mm的基座鋼。
[0027](2)采用A、B兩組分比例為4:1的WSX浸潰膠，將步驟(I)制備的C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中，得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)。
[0028]所制備的得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)表層的C-C復(fù)合材料耐高溫達(dá)2000度，高于碰撞時(shí)的瞬間高溫。
[0029]實(shí)施例2
(I)分別制備厚度為16mm(為密封體厚度的62.5%)的C-C復(fù)合材料層、厚度為4.8mm(為密封體厚度的18.75%)的不銹鋼中間層、厚度為4.8mm (為密封體厚度的18.75%)的高彈橡膠層和凹槽厚度為16mm的基座鋼(凹槽深度9mm)。
[0030](2)采用A、B兩組分比例為4:1的WSX浸潰膠，將步驟(I)制備的C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中，得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)。
[0031]所制備的得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)表層的C-C復(fù)合材料耐高溫達(dá)2000度，高于碰撞時(shí)的瞬間高溫。
[0032]實(shí)施例3
(O分別制備厚度為12mm (為密封體厚度的46.875%)的C-C復(fù)合材料層、厚度為
7.2mm(為密封體厚度的28.125%)的不銹鋼中間層、厚度為6.4mm(為密封體厚度的25%)的高彈橡膠層和凹槽厚度為16mm的基座鋼。
[0033](2)采用A、B兩組分比例為4:1的WSX浸潰膠，將步驟(I)制備的C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中，得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)。
[0034]所制備的得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)表層的C-C復(fù)合材料耐高溫達(dá)2000度，高于碰撞時(shí)的瞬間高溫。
[0035]實(shí)施例4
(I)分別制備厚度為8mm的C-C復(fù)合材料層、厚度為8mm的招合金中間層、厚度為9.6mm的氯丁橡膠層和凹槽厚度為16_的基座鋼。
[0036] (2)采用A、B兩組分比例為4:1的WSX浸潰膠，將步驟(1)制備的C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中，得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)。
[0037]所制備的得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)表層的C-C復(fù)合材料耐高溫達(dá)2000度，高于碰撞時(shí)的瞬間高溫。
[0038]實(shí)施例5
(I)分別制備厚度為8mm的C-C復(fù)合材料層、厚度為8mm的銅合金中間層、厚度為
9.6mm的丁腈橡膠層和凹槽厚度為16_的基座鋼。
[0039](2)采用A、B兩組分比例為4:1的WSX浸潰膠，將步驟(1)制備的C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中，得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)。
[0040]所制備的得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)表層的C-C復(fù)合材料耐高溫達(dá)2000度，高于碰撞時(shí)的瞬間高溫。
[0041]實(shí)施例6 (對(duì)比例)
(O制備厚度為25.6mm的C-C復(fù)合材料和凹槽厚度為16mm的基座鋼。
[0042](2)采用A、B兩組分比例為4:1的WSX浸潰膠，將步驟(1)制備的C-C復(fù)合材料粘接在基座鋼凹槽中，得到水輪機(jī)主軸的密封環(huán)。
[0043]沖擊試驗(yàn)測(cè)試:緩慢抬高擺錘高度，自然落下沖擊試樣,并不斷增加抬高角度,直到試樣表面出現(xiàn)破損或粘接面開裂，此時(shí)將擺錘高度轉(zhuǎn)換的沖擊值作為試樣的沖擊功。將實(shí)施例6 (對(duì)比例)作為原始兩層結(jié)構(gòu)的沖擊功，其他實(shí)施例與之相比即可得出性能提升百分比，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的沖擊韌性提升百分比如表1所示。
[0044]表1實(shí)施例1-6所制，的密,環(huán)的沖擊韌性提f百分比
【權(quán)利要求】
1.一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，包括帶凹槽的環(huán)形基座鋼和置于凹槽中的密封體，其特征在于:所述密封體由C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層粘接而成，C-C復(fù)合材料層粘接在中間層表面，橡膠層粘接在基座鋼凹槽中，所述凹槽深度小于密封體厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，其特征在于:所述C-C復(fù)合材料為三維穿刺結(jié)構(gòu)，其厚度為密封體厚度的31.25%-62.5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，其特征在于:所述中間層材料為銅合金、鋁合金或不銹鋼，其厚度為密封體厚度的18.75%-31.25%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，其特征在于:所述橡膠層材料為通用合成橡膠層，其厚度為密封體厚度的18.75%-37.5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，其特征在于:所述通用合成橡膠為氯丁橡膠、高彈橡膠或丁腈橡膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)，其特征在于:所述C-C復(fù)合材料層和中間層間粘接的強(qiáng)度大于C-C復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度。
7.一種制備權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述水輪機(jī)主軸的密封環(huán)的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)分別制備C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層，所述C-C復(fù)合材料層的厚度占密封體厚度31.25%-62.5%、中間層的厚度占密封體厚度的18.75%_31.25%、橡膠層的厚度占密封體厚度的 18.75%-37.5% ； (2)對(duì)橡膠層進(jìn)行打磨，采用粘結(jié)劑將C-C復(fù)合材料層、中間層和橡膠層依次粘接，制備成密封體，并將其粘接在基座鋼凹槽中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種水輪機(jī)主軸的密封環(huán)的制備方法，其特征在于:所述粘接劑為WSX浸潰膠，A、B兩組分按4:1配制而成。
【文檔編號(hào)】F16J15/16GK103925364SQ201410197655
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】肖文凱, 范桃桃, 朱黎, 石端偉, 肖榮清 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)