軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉接力器修復(fù)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

吳紅光，劉小云

（1.五凌電力有限公司掛治水電廠，貴州 錦屏 556700；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)具有導(dǎo)葉、槳葉雙重調(diào)節(jié)的功能，協(xié)聯(lián)工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性高、高效區(qū)域廣，廣泛應(yīng)用于中低水頭電站，在全球水能資源的利用中發(fā)揮著重要作用。類似于導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)中，槳葉接力器是將液壓能轉(zhuǎn)化為槳葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需機(jī)械能的元件，其工作性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著槳葉開度調(diào)節(jié)的可靠性，對(duì)水輪機(jī)能否實(shí)現(xiàn)協(xié)聯(lián)運(yùn)行影響重大。與一般工程機(jī)械的液壓接力器相比，水輪機(jī)槳葉接力器具有尺寸大、負(fù)荷重的特點(diǎn)，同時(shí)，由于機(jī)組出力調(diào)節(jié)速率及自身穩(wěn)定性的需要，對(duì)其運(yùn)行參數(shù)和可靠性的要求也高得多。當(dāng)前，水輪機(jī)槳葉接力器基本都采用直缸活塞式結(jié)構(gòu)，活塞密封通常是該結(jié)構(gòu)中最薄弱的部件，其密封性能問題也成為影響接力器運(yùn)行可靠性的普遍問題。

2 主要問題情況

某電站安裝有3臺(tái)額定出力為50 MW的立軸轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，其3號(hào)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)槳葉抽動(dòng)的情況，經(jīng)長(zhǎng)期整治，問題未得到徹底解決，主要措施及相關(guān)事項(xiàng)如下：

（1）定期清洗/更換調(diào)速器比例伺服閥，并檢查其控制電源，避免閥芯動(dòng)作不流暢；

（2）清洗檢查主配壓閥，確認(rèn)閥芯、襯套無異常磨損，配合尺寸正常，防止竄油；

（3）每次檢修后開展調(diào)速器機(jī)電聯(lián)調(diào)檢查，確認(rèn)槳葉在任一開度位置能夠穩(wěn)定；

（4）2017年，檢查發(fā)現(xiàn)受油器瓦間隙超設(shè)計(jì)，更換瓦后，槳葉抽動(dòng)現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，但未完全消除，且隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，抽動(dòng)情況有惡化趨勢(shì)；

（5）2018年，進(jìn)行了調(diào)速器改造，采用無需中間位移反饋的插裝閥結(jié)構(gòu)，避免了中間回路的自激振蕩，但仍存在槳葉抽動(dòng)情況；

（6）2019年，出現(xiàn)了受油器大量漏油的問題，油液從集油盆溢出進(jìn)入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，解體檢查受油器，發(fā)現(xiàn)密封破裂，臨時(shí)更換了密封件；

（7）2020年，對(duì)受油器進(jìn)行了全面修復(fù)處理，短時(shí)提高了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其后經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行觀察，發(fā)現(xiàn)輪轂油管的漏油量呈逐步增大的趨勢(shì)。

通過對(duì)上述情況進(jìn)行全面分析，電站初步判斷水輪機(jī)槳葉抽動(dòng)的根源所在，是由于接力器存在竄油或異常漏油的情況，并于2021年實(shí)施了3號(hào)機(jī)組擴(kuò)大性大修。大修中，電站重點(diǎn)對(duì)槳葉接力器進(jìn)行了全面解體檢查，檢查發(fā)現(xiàn)：接力器活塞缸嚴(yán)重拉傷，軸套及活塞異常磨損，活塞桿與轉(zhuǎn)輪體連接的15顆螺栓中斷裂1顆，剩余螺栓預(yù)緊力不足（5顆螺栓可徒手拆除），螺栓把合面的密封圈也已破裂。

3 問題的原因分析

該電站水輪機(jī)槳葉接力器額定工作油壓6.3 MPa，采用獨(dú)立液壓缸—缸動(dòng)式設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1，活塞桿用螺栓與轉(zhuǎn)輪體把合，活塞內(nèi)緣固定于活塞桿上，活塞外緣與活塞缸之間采用3道鑄鐵活塞環(huán)的密封結(jié)構(gòu)，活塞缸兼具操作架的功能，通過耳柄螺栓直接與連桿機(jī)構(gòu)相連，在壓力油的驅(qū)動(dòng)下，上下移動(dòng)控制槳葉的開度。

圖1 槳葉接力器結(jié)構(gòu)

基于3號(hào)機(jī)槳葉接力器解體檢查發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合長(zhǎng)期的槳葉抽動(dòng)情況，綜合分析判斷，接力器活塞密封不可靠是諸多問題的根源。活塞密封不可靠導(dǎo)致接力器竄油，雖然在此前的每次檢修調(diào)試時(shí)，槳葉開度都能夠穩(wěn)定，但在機(jī)組運(yùn)行中，由于流道水力矩的作用，槳葉開度還是難以保持，出現(xiàn)抽動(dòng)的情況；長(zhǎng)期的槳葉抽動(dòng)引發(fā)一連串的不利后果，不但加劇了活塞、活塞缸及其軸套的磨損、拉傷，也使得處于預(yù)緊狀態(tài)的螺栓，由于材料應(yīng)力松弛的加速，拉應(yīng)力逐步降低，甚至進(jìn)一步發(fā)展為疲勞斷裂。

4 接力器活塞密封的改進(jìn)

該電站槳葉接力器磨損、拉傷等問題亟須處理，同時(shí)為了保證設(shè)備的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，避免再次出現(xiàn)類似的情況，還有必要對(duì)現(xiàn)有的活塞密封結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行改進(jìn)。回顧水輪機(jī)接力器活塞密封的發(fā)展歷程，基于對(duì)多種典型密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究，尋求適合電站實(shí)際運(yùn)行情況的改進(jìn)方案。

4.1 典型活塞密封結(jié)構(gòu)介紹

在轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展的過程中，接力器活塞密封的結(jié)構(gòu)型式也不斷演變，主要有油膜密封、活塞環(huán)密封、O形密封、組合密封等典型結(jié)構(gòu)。

最早的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)接力器，其活塞密封是靠活塞外徑和缸體內(nèi)徑配合間隙構(gòu)成的非接觸式油膜實(shí)現(xiàn)密封，嚴(yán)密性較差。對(duì)該類密封泄漏量的研究指出，假設(shè)泄漏流體為層流時(shí)，泄漏量與配合間隙的三次方成正比、與活塞的厚度成反比，要減小泄漏量，通常要加厚活塞或減小配合間隙，這些措施受到各種實(shí)際條件的限制：活塞加厚，不但浪費(fèi)材料，更影響總體結(jié)構(gòu)的布置；間隙設(shè)計(jì)過小，零部件加工及安裝均無法保證，且容易引起活塞卡塞和結(jié)構(gòu)磨損等問題。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，能源、環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，水輪機(jī)槳葉接力器的油膜密封型式已被淘汰。

活塞環(huán)密封是一種較為傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)，早期作為蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等氣缸活塞的密封元件得到廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的發(fā)展中也普遍引用該類密封結(jié)構(gòu)，一般采用鑄鐵材料。但與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)相比，水輪機(jī)的工況相差甚遠(yuǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)單機(jī)容量的增大，相關(guān)制造及運(yùn)行問題也很普遍。活塞環(huán)尺寸大，毛坯鑄造難度高，為了控制漏油，其加工精度還不能降低，而活塞環(huán)本身剛性較差，加工質(zhì)量更難以保證。在工作性能方面，活塞環(huán)與缸壁之間需要很大的貼緊力保證密封，而鑄鐵環(huán)硬度較高，磨損問題不容忽視，很容易將接力器缸體刮傷，影響密封效果。

O形密封最早作為靜密封被廣泛使用，其后又作為一種自封型擠壓密封，拓展為動(dòng)密封元件，適用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，有些水輪機(jī)接力器采用該類密封結(jié)構(gòu)。O形密封的橡膠材料，彈性大、壓縮性能好、密封可靠，硬度低、不會(huì)刮傷其他部件，但O形密封作為動(dòng)密封使用時(shí)，需要嚴(yán)格保證液壓油的潔凈度，否則，隨著部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械顆粒物很容易擠入橡膠體，將密封劃傷。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉操作機(jī)構(gòu)的磨損問題幾乎難以避免，產(chǎn)生的金屬顆粒物對(duì)橡膠密封的可靠性威脅較大，而密封一旦失效，只有在轉(zhuǎn)輪解體后才能修復(fù)，故障處理的條件相當(dāng)苛刻。

組合密封由摩擦環(huán)和彈性圈組成，其成分均為有機(jī)高分子材料，在接力器動(dòng)作時(shí)摩擦環(huán)外側(cè)與缸體相對(duì)滑動(dòng)摩擦，其內(nèi)側(cè)設(shè)有壓縮性能較好的彈性圈，使摩擦環(huán)與缸體之間形成預(yù)壓力，通過適度貼合達(dá)到密封效果。摩擦環(huán)必須具有良好的耐磨性能，但由于材料技術(shù)的限制，傳統(tǒng)摩擦環(huán)熱穩(wěn)定性不甚理想，在接力器頻繁動(dòng)作的情況下，材料容易發(fā)生熱塑疲勞，導(dǎo)致密封性能下降、使用壽命縮短；冷態(tài)下彈性也較差，給摩擦環(huán)的安裝帶來一定的困難，通常需要加熱軟化，并通過專用工具引入密封槽，并且由于拆卸后無法再次使用，其安裝必須一步到位，不允許返工。

4.2 密封改進(jìn)及其關(guān)鍵工藝控制

通過分析上述典型的活塞密封結(jié)構(gòu)，電站決定將槳葉接力器活塞密封改為組合密封型式，但密封材料方面還需進(jìn)一步優(yōu)化，主要出于兩個(gè)方面的考慮：①該電站作為電網(wǎng)的重要AGC調(diào)頻電站，調(diào)頻壓力大時(shí)，單天負(fù)荷調(diào)節(jié)指令多達(dá)千條，由于槳葉頻繁動(dòng)作，亟須提高摩擦環(huán)的耐磨性及熱穩(wěn)定性；②由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，接力器組裝試驗(yàn)前不能安裝槳葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)后還需拆除才能進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的整體組裝，摩擦環(huán)應(yīng)允許重復(fù)使用。

經(jīng)廣泛調(diào)研并結(jié)合電站實(shí)際，最終確定具體的改進(jìn)方案：避開原密封槽位置設(shè)兩道組合密封和兩道導(dǎo)向帶；導(dǎo)向帶采用低阻、高硬、耐磨的改性聚四氟乙烯材料，填充于活塞和缸體之間，避免二者直接摩擦；組合密封的彈性圈由性能較好的丁腈橡膠制成，摩擦環(huán)則采用耐油、耐磨聚氨酯材料，具體牌號(hào)的選擇還要求具有較好的彈性和硬度，保證拆裝方便可重復(fù)使用，并防止運(yùn)行中雜質(zhì)顆粒擠入擦傷本體。

接力器修復(fù)及改進(jìn)處理的關(guān)鍵工藝控制如下：

（1）加工缸體內(nèi)壁，將拉傷部位光出后進(jìn)行拋光處理，測(cè)量并記錄缸體內(nèi)徑D；

（2）按原密封槽尺寸制作填充用的鋼帶（開焊接坡口），填入密封槽并進(jìn)行封焊；

（3）整體加工活塞外圓，對(duì)封焊融合區(qū)進(jìn)行無損檢測(cè)，確認(rèn)焊接良好；

（4）堆焊后再次加工活塞外圓，按與缸體配合的間隙要求，控制活塞外徑d并確認(rèn)外圓平整；

（5）超聲檢測(cè)，確認(rèn)活塞堆焊層與本體融合良好，加工密封槽、導(dǎo)向槽；

（6）核查活塞上、下端面的平面度、平行度，并對(duì)活塞內(nèi)圓進(jìn)行修正。

對(duì)活塞上原密封槽的處理，之所以采用鋼帶填充、坡口封焊的方法，主要是為了減少堆焊工作量，同時(shí)盡量控制結(jié)構(gòu)的變形及其殘余應(yīng)力，如果直接堆焊密封槽，不但會(huì)增加其徑向收縮，還可能由于軸向熱應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致上下平面扭曲變形。實(shí)踐證明，按上述方法進(jìn)行處理，活塞上下平面基本完好，內(nèi)孔收縮約0.15 mm，并根據(jù)活塞桿外徑對(duì)活塞內(nèi)孔進(jìn)行了實(shí)配加工。采用封焊密封槽的方法時(shí)，后續(xù)堆焊層質(zhì)量檢查的難度較高，超聲檢測(cè)時(shí)要注意避開鋼帶的填充縫隙，同時(shí)又要確保堆焊層與活塞本體完全融合。對(duì)活塞缸的處理，除了要保證其內(nèi)徑尺寸外，還應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制內(nèi)孔表面粗糙度，顯然，接觸面的光潔度越好，摩擦系數(shù)越低，對(duì)于改善摩擦環(huán)的工作性能、提高其使用壽命是十分必要的。

4.3 槳葉接力器安裝試驗(yàn)及運(yùn)行效果

該電站結(jié)合槳葉接力器的修復(fù)處理，還實(shí)施了活塞缸軸套改進(jìn)、導(dǎo)向瓦修配、活塞桿連接螺栓結(jié)構(gòu)優(yōu)化等改造項(xiàng)目，由于改動(dòng)的部件較多，為了確認(rèn)無異常，在轉(zhuǎn)輪整體組裝試驗(yàn)之前，單獨(dú)將槳葉接力器裝入轉(zhuǎn)輪體，進(jìn)行了接力器動(dòng)作試驗(yàn)及嚴(yán)密性檢查：接力器在低油壓下動(dòng)作靈活，無爬行和卡阻等情況，保壓6.3 MPa檢查各部位無滲漏，保壓過程中分別測(cè)量了開腔、關(guān)腔的串油量，均不超過5 mL/min,遠(yuǎn)小于原活塞環(huán)密封結(jié)構(gòu)（100 mL/min以上），滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及相關(guān)規(guī)范要求。

電站3號(hào)機(jī)大修后，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行觀察，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能水平有了顯著提升，槳葉抽動(dòng)問題完全消失，受油器各部位不再出現(xiàn)異常漏油，液壓系統(tǒng)的靜態(tài)油耗大大降低，長(zhǎng)期困擾電站安全運(yùn)行的一起重大設(shè)備隱患得到徹底消除。

5 結(jié)語

文章介紹了一例水輪機(jī)槳葉接力器活塞密封缺陷，誘發(fā)了軸套磨損、重要連接螺栓松弛斷裂等諸多設(shè)備問題，因及時(shí)進(jìn)行了修復(fù)處理，避免了一起重大的水機(jī)事故。基于對(duì)槳葉接力器活塞密封重要性的分析，文章詳細(xì)論述了其結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型過程及關(guān)鍵工藝控制措施，可作為同類設(shè)備問題處理的經(jīng)驗(yàn)參考。槳葉接力器是轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的核心部件，其工作性能直接影響著水輪機(jī)的運(yùn)行可靠性，受實(shí)際條件的限制，其運(yùn)行隱患一般難以直接排查，但也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，接力器還是水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)裝置之間的重要承接部件，其工作性能的劣化，通常也會(huì)間接表現(xiàn)于水輪機(jī)調(diào)節(jié)裝置的性能水平降低，在類似的隱患排查中，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)設(shè)備子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性分析。