軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機受油器密封改進探索

伍 槺，梁鵬翔

(國能大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

受油器是水輪機的重要部件，其主要作用是將調(diào)速系統(tǒng)的壓力油自固定油管引入到轉(zhuǎn)動著的操作油管內(nèi)，并將其傳送至槳葉接力器，及時、有效地調(diào)整槳葉開度，從而使機組始終處在協(xié)聯(lián)工況下運行。

銅街子水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)大渡河流域下游，電站總裝機容量4×150 MW，水輪機為ZZD460-LH-850型軸流轉(zhuǎn)槳式機組。所采用是結構最簡單的三部浮動瓦結構受油器，受油器操作油管與裝在發(fā)電機軸和水輪機軸內(nèi)的上、下操作油管連為一體，形成了通油的3條油路。操作油管外管與主軸之間的油路,向上與受油器回油腔相通,再通過回油管與油壓裝置的集油箱相通；向下與轉(zhuǎn)輪體內(nèi)腔相通,以減小轉(zhuǎn)輪體內(nèi)只為潤滑槳葉機構用的油的壓力，同時使得轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部保持一定的壓力。內(nèi)外操作油管之間所形成的兩條油路分別與受油器的開啟腔和關閉腔相通,用以向轉(zhuǎn)輪體內(nèi)接力器供油。機組運轉(zhuǎn)時，上浮動瓦下平面經(jīng)常受關閉腔油壓的作用(上平面通回油),浮動頂在上壓板上。當關閉腔來油時,中浮動瓦上平面受到的油壓大，下平面受的油壓小，將中浮動瓦頂靠在受油器體平面上；當開啟腔來壓力油時，下平面受的油壓大，將中浮動瓦頂靠在上部壓板上。當開啟腔來油時，有部分油將從下浮動瓦與受油器操作油管的間隙中流入回油腔，此時下浮動瓦上平面經(jīng)常受到開啟腔油壓的作用，被壓靠在下托板上。上、中、下浮動瓦分別安裝在受油器體中，運行時隨著操作油管的轉(zhuǎn)動進行移動[1]。通過在操作油管處設置浮動瓦密封件防止受油器出現(xiàn)漏油和噴油的現(xiàn)象。

2019-01-28日，銅街子14F機組在運行中發(fā)現(xiàn)受油器外罩處有油跡現(xiàn)象(如圖1所示)，進一步檢查發(fā)現(xiàn)14F機組受油器上端蓋靠-Y方向(如圖2所示)在調(diào)整負荷時有一股操作油冒出。

圖1 受油器外罩油跡圖

圖2 冒油情況圖

同年2月4日銅站14F機組受油器在進行了處理后，2月25日運行中發(fā)現(xiàn)上端密封蓋處有溫度，經(jīng)過運行人員用測溫儀測量，最高溫度為75℃，經(jīng)過2 d觀察，發(fā)現(xiàn)溫度逐漸降低至正常溫度45℃以下。檢查發(fā)現(xiàn)上端蓋處有一處密封條壓條被擠出約10 mm。

同年3月1日，銅街子14F機組在運行中發(fā)現(xiàn)受油器外罩觀察孔下方處有油跡現(xiàn)象，進一步檢查發(fā)現(xiàn)14F機組受油器上端蓋靠-Y靠-X方向調(diào)整負荷時有一股操作油冒出。發(fā)現(xiàn)是受油器上端蓋密封壓條損壞后，操作油從密封壓條斷裂處形成油流噴出。

目前機組改造后相繼投入AGC運行，運行過程中機組調(diào)節(jié)頻繁，受油器漏油量大大增加，壓油泵啟動頻繁，油溫升高、受油器頻繁噴油，致使機組振動擺度明顯增加。已經(jīng)影響到水電機組壓油裝置的安全穩(wěn)定運行，如何在現(xiàn)有的受油器基礎上對受油器進行改進，減少漏油量已經(jīng)成為了銅街子水電站的當務之急。

1 原因分析

1.1 受油器原有密封分析

銅街子水電站受油器結構含有旋轉(zhuǎn)部件和固定部件，其中固定部件包括浮動瓦和支架。浮動瓦采用銅環(huán)迷宮結構，在受油器中有著對操作油管的運行起密封作用，防止高壓油向外泄露和對運行中操作油管的開/關腔壓力油進行隔離密封，防止兩腔高壓油互竄的兩個重要功能。浮動瓦的密封原理是操作油管和浮動瓦之間存在配合間隙，當機組運行的時候，操作油管高速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部的高壓油通過間隙向外部滲漏，當和外部的空氣壓力正好達到平衡時，形成了具有一定承載能力的油膜，由于油膜充滿了整個浮動環(huán)和操作油管間隙，所以阻止高壓油外漏，從而起到了密封的作用。

這種密封的優(yōu)點是：因為這種密封屬于非接觸式密封，所以在機組按理想狀態(tài)運行時操作油管和浮動瓦之間的摩擦量非常小，使得機組可以獲得更高的效率。但是因為要通過油膜進行密封，根據(jù)設計要求，該電站浮動瓦和操作油管的配合間隙必須在0.15～0.25 mm之間，對浮動瓦和操作油管的加工精度要求很高，并且這種密封對操作油管的擺度要求很高，浮動瓦在機組實際運行中，十分容易因機組運行狀態(tài)的改變而發(fā)生磨損，使得操作油管和浮動瓦配合間隙變大，導致受油器甩油、竄油、壓油泵啟動頻繁的狀況出現(xiàn)。

1.2 受油器密封第一次改進情況

1.2.1 第一次改進后的受油器密封原理

因為原來銅街子機組受油器僅靠浮動瓦對操作油進行密封，漏油量普遍偏大，后經(jīng)研究實踐，檢修公司在受油器上加裝了多道齒型密封(專利技術)，該齒型密封由具有特定幾何形狀的主密封唇、具有阻隔油膜、防塵作用的副密封唇和具有提供彈力、靜密封作用的O形圈構成。主、副密封唇的材質(zhì)是填充一定比例添加劑(碳纖、二硫化鉬等)的增強聚四氟乙烯，具有極高的耐磨性、耐高溫和耐腐蝕性[1]。

在受油器浮動瓦壓環(huán)內(nèi)側加工一矩形環(huán)槽，嵌入齒形密封。此時O形圈具有一定的預壓縮量，壓縮率一般在0.11～0.18之間，因此在彈力的作用下，在徑向?qū)χ髅芊獯绞┘右粋€作用力，使主密封唇緊緊貼合在操作油管上。隨著壓力的增高，主密封唇受到的徑向力越大，密封唇和軸的貼合越緊密，密封性能也越強，見圖3。

圖3 上浮動瓦齒形密封結構示意圖

1.2.2 受油器頻繁噴油原因分析

14F機組于2017-01-23日完成了C修，該機組本次檢修測量了浮動瓦的磨損情況和配合間隙，數(shù)據(jù)合格，浮動瓦沒有更換；更換了浮動瓦密封；調(diào)整了受油器的水平；機組開機試驗中，受油器漏油情況正常。

14F機組上操作油管與密封間隙本身裕量較大，且在運行磨損中逐漸增加，輪葉動作時上操作油管轉(zhuǎn)動過程中并伴隨上下移動，造成密封被旋轉(zhuǎn)擠壓變形，當密封圈被擠壓變形一小段后，在輪葉動作上腔帶壓時形成一個噴嘴效應，使一股油噴出(噴油情況如圖4，受油器裝配圖如圖5所示)。

圖4 密封損壞情況圖

圖5 受油器裝配圖

現(xiàn)14F操作油管在全開位置時，受油器上端兩組密封有一組已完全滑出軸外(見圖6)，當操作油管上下動作時，很容易將密封帶出密封槽。

圖6 受油器上端蓋密封圖

2 受油器密封裝置設計(第二次密封結構改進)

2.1 結構

受油器密封裝置結構見圖7。

圖7 受油器密封裝置結構圖

當機組調(diào)整負荷時，受油器上腔帶壓，自流進油孔與外部的壓力油供油設備連通，壓力油通過自流進油孔進入密封件外側，密封件在壓力條件下其抵緊部被頂出開口并與主軸接觸密封，確保壓力油不會從端蓋間隙中噴出。機組負荷調(diào)整完成后，上腔密封壓力逐漸降低，密封件外側的密封腔逐漸失壓，密封件與主軸逐漸脫開，以保證密封件不與軸進行干摩擦導致密封件溫度升高。

2.2 新型密封裝置的設計思路

因為第一次受油器密封改進的密封一直與操作油管保持一定間隙，不能自適應調(diào)節(jié)，所以在機組運行過程中，操作油管一直與密封件產(chǎn)生磨損，最后導致密封件失效。在第一次改進的密封的基礎上，改變密封件結構，使得密封可以根據(jù)加油量自適應調(diào)節(jié)。

密封件在受壓朝向主軸移動時，密封件被抵緊在密封腔的內(nèi)側壁上且被擠壓變形，為提高密封件被擠壓變形后的密封性，新設計的密封含有與密封槽的內(nèi)側槽壁和扣槽的內(nèi)側槽壁抵緊的凸緣[2]。

當密封件受壓時，壓力油進入密封腔并與密封件接觸，因為密封件的材質(zhì)具有彈性，所以壓力油對密封件不同部位的壓力可能有差異，可能會導致密封件各部位產(chǎn)生的形變量和疲勞度不同，因此，為平衡密封件上不同部位受到的壓力，新型密封件的密封部設計有與自流進油孔對應的油壓槽。

密封腔是上下端蓋之間的環(huán)形腔體結構，壓力油進入密封腔的速度快，時間短，因此壓力油從自流進油孔進入密封腔的位置會影響密封腔內(nèi)各處的受壓情況，所以，將自流進油孔在下端蓋上設計成圓周排列，來延緩壓力油進入的速度和時間。

由于上端蓋與下端蓋為配合連接，若無專門的密封設置，在壓力作用下配合面的間隙可能會導致滲油，尤其是來自密封腔內(nèi)的壓力油，在調(diào)整負荷的過程中壓力油極有可能通過密封腔內(nèi)的配合面泄漏至外部，為避免這種情況，在下端蓋上設計密封凹槽，將V形密封圈安裝在密封凹槽內(nèi)，上端蓋與下端蓋配合后將密封圈壓緊[3]。

2.3 新型密封裝置的功能特點

通過設計環(huán)形的密封腔，并且將密封件設計成密封部和抵緊部組合的結構，在無壓下主軸轉(zhuǎn)動不與密封件接觸，避免了摩擦產(chǎn)生高溫和損壞密封件；在切換負荷時，通過自流進油孔在密封腔內(nèi)產(chǎn)生高壓，將密封件與主軸抵緊，可增強密封腔內(nèi)的密封效果，避免壓力油從上端蓋與下端蓋之間的間隙泄漏，切換負荷完成后密封腔內(nèi)自動泄壓，接觸密封件與主軸的接觸狀態(tài)。這種新式密封可以實現(xiàn)自適應調(diào)節(jié)，既保證了密封效果，也減少了損耗。

對密封結構進行優(yōu)化設計，使得密封件在無壓狀態(tài)下不與主軸接觸，避免了密封件受到磨損，也避免了密封結構處溫度過高；同時，通過自流進油的結構能夠?qū)崿F(xiàn)自適應調(diào)節(jié)，確保在多種工況下密封件能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的密封效果[4]。

3 安裝方式

如圖7所示，上端蓋和下端蓋的中心處均設置有供主軸1通過的軸孔，上端蓋與下端蓋之間構成環(huán)形的密封腔，密封腔的內(nèi)側壁設有環(huán)形開口，密封腔內(nèi)設置有密封件，密封槽內(nèi)的密封部8和位于密封槽內(nèi)側槽壁上的抵緊處。

安裝時，密封件的抵緊部與主軸保持0.5～1 mm間隙，密封件在無壓狀態(tài)下不與主軸接觸，以此來確保密封件不會在運行過程中出現(xiàn)摩擦而導致的高溫現(xiàn)象。同時，密封件與主軸中間的間隙有潤滑油能順利流通，從而很好地潤滑密封件。

在上端蓋與下端蓋之間還安裝橫截面為V形的密封圈，上端蓋與下端蓋通過螺栓連接緊固[5]。

4 結 語

通過對軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機受油器密封結構的改進探索，以及在銅街子水電站14號機組上的實踐，逐步進行改進優(yōu)化，設計研發(fā)了一種新型自調(diào)試受油器密封結構，有效改善了受油器的漏油情況。

但此種改進方式也僅僅是對已經(jīng)投產(chǎn)的轉(zhuǎn)槳式機組有著較好的效果，比如延長機組的單次運行時間，減少檢修次數(shù)等。對已經(jīng)投產(chǎn)且受油器從結構上已經(jīng)無法進行根本性改進的機組具有較大的參考意義。目前，新設計投產(chǎn)的轉(zhuǎn)槳式機組很多已經(jīng)采用在浮動瓦和操作油管間加裝套筒的結構，從根本上避免了受油器漏油量的情況發(fā)生。