水輪機組接力器活塞桿密封形式改進

匡美珍，張 凱，田恒雙

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌443000）

0 概述

水輪機組接力器是水輪發電機組中將液壓能轉換為機械能以實現導水機構轉動的傳動機構，用于推動控制環來帶動導水機構以調節進入轉輪的水流大小和方向，以滿足系統對機組出力的要求。而接力器活塞桿密封作為接力器的關鍵零部件，其密封性能的好壞直接影響機組的安全穩定運行。隨著機組運行時間增加，接力器活塞桿密封日益磨損老化，密封性能變差，引起油外泄，輕則造成現場環境污染，重則導致液壓系統油位低，進而機組停機，嚴重影響機組的運行安全，因此需要定期對接力器活塞桿密封進行更換。

對于水輪機組的接力器，其活塞桿一般采用整體式密封結構，而更換活塞桿整體式密封結構需要拆卸大量的零部件，因大型水輪機組接力器各部件尺寸較大、比較笨重，拆裝過程中需使用起吊設備、大型工裝，投入較多人力物力，且各部件配合精度高，還需要人員具有精湛的檢修技藝，檢修的風險較難控制。因此，改進活塞桿的密封形式成為迫切需求。以某電站機組接力器活塞桿密封形式改進為例，講述新型密封的結構及應用。

1 接力器活塞桿密封結構及更換現狀

1.1 接力器活塞桿密封形式及結構

某大型水電站3F 機組接力器采用雙直缸式接力器，在2 號接力器后端蓋處設有自動鎖定裝置，在機組全關時投入。接力器活塞直徑960 mm，活塞桿直徑350 mm，活塞桿密封采用丁晴橡膠整體式YX唇形密封圈，安裝在接力器缸蓋的開式溝槽內，槽外設計有壓蓋以調節密封的壓緊力，壓蓋處安裝有一圈防塵圈，如圖1 所示。

圖1 3F 接力器活塞桿整體式密封

1.2 活塞桿密封更換存在的問題

3F 機組接力器活塞桿重達2 845 kg，通過桿頭及桿頭銷與上下連板連接，桿頭內加工有M300 mm ×6 mm 內螺紋與活塞桿連接，桿頭重達1 300 kg 且形狀不規則，接力器活塞桿連接如圖2 所示。

根據接力器活塞桿連接形式及結構特點，活塞桿密封更換的流程如圖3 所示。

在拆裝過程中，因施工空間受限及施工條件、工藝等原因，正常情況下，更換1 臺接力器的前端蓋密封需要2 個工作日，如果涉及到前后端蓋均需更換密封的情況下，則需要的時間更長。在上述過程中，其中拆裝接力器桿頭是關鍵點，因桿頭形狀不規則且笨重，在拆裝過程中，桿頭與活塞桿極易產生偏心，稍有不當就會造成桿頭與活塞桿螺紋的損傷，甚至可能發生桿頭與活塞桿粘扣事故。2013 年，在更換同類型機組接力器活塞桿密封時，出現部分桿頭內螺紋及推拉桿螺紋破損嚴重，螺紋內部有大小不同程度的金屬絲和夾渣現象，桿頭不能正?；匮b。2014 年，其他同類型機組又出現桿頭卡澀嚴重，難以旋進，檢查時發現桿頭與接力器推拉桿已完全卡死，最后只能返廠重新加工桿頭，桿頭加工歷時4 個月，嚴重影響機組的運行。

圖2 接力器活塞桿連接圖

圖3 接力器活塞桿拆卸流程圖

2 密封改進試驗

2.1 新型密封結構設計

為了簡化密封更換流程，新的密封采用剖分式結構，如果只是簡單的將原有整體式密封直接切口必然影響密封效果。根據活塞桿密封使用的工況條件及檢修需求，新型密封采用剖分式V 形組合密封結構，綜合考慮液壓系統壓力大小及原有密封溝槽的結構尺寸及密封效果等因素，V 形組合密封采用1 個支撐環、2 個V 形密封圈、1 個壓環的結構形式，壓環的凹形角和V 形密封圈的凹形角相同，采用90°標準夾角，剖分面為光滑斷面，其規格尺寸為350 mm×390 mm×30 mm。

圖4 剖分式V 形組合密封示意圖

2.2 密封機理

V 形密封圈是一種唇形密封圈，密封唇有較好的活動性和適應性，可以承受較大的徑向力及頻繁的壓力波動，在自由狀態下，V 形密封圈的唇部內徑小于活塞桿的外徑，裝配后V 形密封圈與活塞桿是過盈配合，使得V 形密封圈與活塞桿接觸面有一定的預緊力，在零壓差的情況下，V 形密封圈依靠預緊力對活塞桿與接力器缸蓋之間的間隙進行密封。當液壓系統帶壓時，在壓力油的作用下，V 形密封圈的凹槽受油壓作用，增大了V 形密封圈與密封面的壓緊力，壓力越大，壓緊力越大，密封能力越強，因此V形密封圈有“自封作用”。

在V 形組合密封結構中，V 形密封圈起主要密封作用，支承環主要用來支承V 形密封圈，使密封圈放置穩定，壓環的作用是給V 形密封圈一個初始壓縮量，使其與被密封面充分接觸，并可對V 形密封圈的壓縮量進行調節。

剖分式V 形組合密封的密封機理是依靠V 形圈的唇口的彈性形變起到密封作用，其剖分面在安裝過程中各錯開90°安裝，依靠剖分面直接接觸實現密封，同時有壓環及支撐環的箍緊力，可以實現可靠密封，有效阻擋剖分口處產生地泄漏。

2.3 新型密封材料選擇

液壓系統的工況及運行條件：介質為液壓油；壓力小于10 MPa；液壓油溫度小于50 ℃；運動速度最大5 m/s。綜合以上幾點，新型密封結構材質選用進口聚醚聚氨酯，聚醚聚氨酯為專利鋼化工藝生產的高效復合物，其機械性能非常好，具有長久的形狀記憶性、耐高壓性能及耐磨性，它比丁晴橡膠的摩擦系數降低8 倍，可以更好地保護活塞桿減少磨損。

2.4 試驗情況

從密封壓蓋拆卸到剖分式密封安裝完成總共耗時4 h，只需要原有檢修時間的1/4。密封更換之后，液壓系統進行注油及升壓試驗，當液壓系統升壓至3.0 MPa 時，對接力器前后活塞桿密封壓蓋進行檢查，未發現油漬；現地操作導葉2 個全行程，未見滲油現象；隨后液壓系統升壓至6.3 MPa，未見滲油現象。在之后的機組二次聯調時，多次進行了開、關導葉動作，均未出現滲油現象。

3 改進效果

更換剖分式密封已經歷時1 年，定期檢查接力器活塞桿壓蓋均未發現漏油現象。使用剖分式V形組合密封具有以下優點：

（1）檢修成本小。改成剖分式密封之后，大大簡化了檢修流程，更換一處端蓋密封只需要2～3 個人半天即可完成。

（2）檢修風險降低。改進之后不需要拆卸連板及桿頭等大而重的部件，因此減少了起吊重物及損壞活塞桿桿頭的風險。

（3）密封性能強。將之前的一圈整體式密封更換為2 圈剖分式聚醚聚氨酯V 形組合密封，同時配合支撐環及壓環，可以在活塞桿及缸蓋之間形成良好的密封。

4 結語

剖分式密封結構在接力器活塞桿中的應用，使得更換密封只需要拆卸密封壓蓋，整個密封更換過程簡單、無技術障礙，而剖分式密封效果可以滿足大形水輪機組對密封圈的使用要求。此項改進減少了設備拆卸次數，保證了密封長周期運行，解決了大型水輪機組接力器活塞桿密封圈更換難、耗時長的問題，在一定程度上提高了大型水輪機組的檢修技能。剖分式密封結構在3 F 機組接力器中的應用可以為后續的接力器活塞桿密封形式改進提供成功的經驗。