一种水轮机主轴的密封环及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了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】。本发明公开的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。其制法为：分别制备C-C复合材料层、中间层和橡胶层，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。本发明提供的密封环耐冲击性提高了40%以上，材料的成本降低60%。且其制备方法简单易行。
【专利说明】一种水轮机主轴的密封环及其制备方法
[0001]
【技术领域】
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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，它是由闻强度闻纯石墨材料制作。众所周知，石墨晶体是耐闻温的，即便是在2000°C的闻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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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%。
[0012]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%。
[0013]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%。
[0014]所述通用合成橡胶为氯丁橡胶、高弹橡胶或丁腈橡胶。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]所述粘接剂为WSX浸溃胶，A、B两组分按4:1配制而成。
[0018]本发明所提供的水轮机主轴密封环如图2-3所示，其纵截面示意图如图4所示，图中9为C-C复合材料层、10为中间层、11为橡胶层、12为带凹槽的环形基座钢。
[0019]所述三维穿刺结构的C-C复合材料的结构如图5所示，是将碳纤维横向铺排(I维)后，再在其上层纵向铺排(2维)，然后再将碳纤维用针刺法竖着穿过纵横向铺排的碳纤维(3维)得到的空间网状编织体。三维穿刺结构的C-C复合材料的制备流程图如图6。
[0020]第一层的C-C复合材料具有良好的耐高温性和耐磨性，中间层传递碰撞时的集中应力，橡胶层具有良好的缓冲吸震作用，因此此种密封体能很好的满足密封环的工作状况还能大幅降低部件成本。
[0021]C-C复合材料是以石墨为基，以高模量碳纤维为骨架的全碳质复合材料，具有耐冲击性，本发明将三维穿刺结构的C-C复合材料应用于密封领域，并将其放置在新结构的第一层。以橡胶为底层取代部分碳纤维，不仅可以降低密封环所用主料炭-炭复合材料的成本，而且由于橡胶优良的弹性，还可以进一步提高密封环的抗冲击性能。
[0022]本发明与现有技术相比具有以下优点和效果:
利用本发明提供的水轮机主轴的密封环适应现在工况的要求，较单一 C-C复合材料其 耐冲击性均提高了 40%以上，材料的成本降低60%。且其制备方法简单易行。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
图1为水轮机主轴密封装置示意图；
图2为本发明的水轮机主轴的密封环的示意图；
图3为本发明的水轮机主轴的密封环的俯视图；
图4为本发明的水轮机主轴密封环纵截面示意图；
图5为C-C复合材料层三维穿刺结构的示意图；
图6为三维穿刺结构的C-C复合材料的制备流程图。
[0024]其中:1.浮动环；2.密封环；3.不锈钢抗磨环；4.导环；5.节流管；6.平衡腔供水管；7.弹簧装置；8.油箱上盖；9.C-C复合材料层；10.中间层；11.橡胶层；12.带凹槽环形的基座钢，13密封体。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例进一步说明本发明。
[0026]实施例1
(I)分别制备厚度为8mm (为密封体厚度的31.25%)的C-C复合材料层、厚度为8mm(为密封体厚度的31.25%)的不锈钢中间层、厚度为9.6mm (为密封体厚度的37.5%)的高弹橡胶层和凹槽厚度为16mm的基座钢。
[0027](2)采用A、B两组分比例为4:1的WSX浸溃胶，将步骤(I)制备的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，得到水轮机主轴的密封环。
[0028]所制备的得到水轮机主轴的密封环表层的C-C复合材料耐高温达2000度，高于碰撞时的瞬间高温。
[0029]实施例2
(I)分别制备厚度为16mm(为密封体厚度的62.5%)的C-C复合材料层、厚度为4.8mm(为密封体厚度的18.75%)的不锈钢中间层、厚度为4.8mm (为密封体厚度的18.75%)的高弹橡胶层和凹槽厚度为16mm的基座钢(凹槽深度9mm)。
[0030](2)采用A、B两组分比例为4:1的WSX浸溃胶，将步骤(I)制备的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，得到水轮机主轴的密封环。
[0031]所制备的得到水轮机主轴的密封环表层的C-C复合材料耐高温达2000度，高于碰撞时的瞬间高温。
[0032]实施例3
(O分别制备厚度为12mm (为密封体厚度的46.875%)的C-C复合材料层、厚度为
7.2mm(为密封体厚度的28.125%)的不锈钢中间层、厚度为6.4mm(为密封体厚度的25%)的高弹橡胶层和凹槽厚度为16mm的基座钢。
[0033](2)采用A、B两组分比例为4:1的WSX浸溃胶，将步骤(I)制备的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，得到水轮机主轴的密封环。
[0034]所制备的得到水轮机主轴的密封环表层的C-C复合材料耐高温达2000度，高于碰撞时的瞬间高温。
[0035]实施例4
(I)分别制备厚度为8mm的C-C复合材料层、厚度为8mm的招合金中间层、厚度为9.6mm的氯丁橡胶层和凹槽厚度为16_的基座钢。
[0036] (2)采用A、B两组分比例为4:1的WSX浸溃胶，将步骤(1)制备的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，得到水轮机主轴的密封环。
[0037]所制备的得到水轮机主轴的密封环表层的C-C复合材料耐高温达2000度，高于碰撞时的瞬间高温。
[0038]实施例5
(I)分别制备厚度为8mm的C-C复合材料层、厚度为8mm的铜合金中间层、厚度为
9.6mm的丁腈橡胶层和凹槽厚度为16_的基座钢。
[0039](2)采用A、B两组分比例为4:1的WSX浸溃胶，将步骤(1)制备的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，得到水轮机主轴的密封环。
[0040]所制备的得到水轮机主轴的密封环表层的C-C复合材料耐高温达2000度，高于碰撞时的瞬间高温。
[0041]实施例6 (对比例)
(O制备厚度为25.6mm的C-C复合材料和凹槽厚度为16mm的基座钢。
[0042](2)采用A、B两组分比例为4:1的WSX浸溃胶，将步骤(1)制备的C-C复合材料粘接在基座钢凹槽中，得到水轮机主轴的密封环。
[0043]冲击试验测试:缓慢抬高摆锤高度，自然落下冲击试样,并不断增加抬高角度,直到试样表面出现破损或粘接面开裂，此时将摆锤高度转换的冲击值作为试样的冲击功。将实施例6 (对比例)作为原始两层结构的冲击功，其他实施例与之相比即可得出性能提升百分比，实验测得的冲击韧性提升百分比如表1所示。
[0044]表1实施例1-6所制，的密,环的冲击韧性提f百分比
【权利要求】
1.一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，其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述一种水轮机主轴的密封环，其特征在于: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%。
3.根据权利要求1所述一种水轮机主轴的密封环，其特征在于: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%。
4.根据权利要求1所述一种水轮机主轴的密封环，其特征在于: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%。
5.根据权利要求4所述一种水轮机主轴的密封环，其特征在于:所述通用合成橡胶为氯丁橡胶、高弹橡胶或丁腈橡胶。
6.根据权利要求1所述一种水轮机主轴的密封环，其特征在于: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。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述水轮机主轴的密封环的方法，其特征在于包括如下步骤: (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。
8.根据权利要求7所述一种水轮机主轴的密封环的制备方法，其特征在于:所述粘接剂为WSX浸溃胶，A、B两组分按4:1配制而成。
【文档编号】F16J15/16GK103925364SQ201410197655
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】肖文凯, 范桃桃, 朱黎, 石端伟, 肖荣清 申请人:武汉大学