水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器端面組合密封更換方案

張樹發(fā)

（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

1 接力器端面密封結(jié)構(gòu)主要組成

某水電站3F 機(jī)組接力器為雙直缸式接力器，適配自動(dòng)鎖定裝置。接力器活塞直徑660 mm，活塞桿直徑260 mm，端面密封采用丁晴橡膠整體式Y(jié)X 唇形密封圈，將其置于開式密封槽內(nèi)，形成密封關(guān)系。在槽外設(shè)置壓蓋，可根據(jù)需求對(duì)密封的壓緊力做靈活調(diào)整，同時(shí)在壓蓋處設(shè)防塵圈。接力器端面密封組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 3F 接力器活塞桿整體式密封

2 端面YX 唇形密封圈工作原理

YX 密封圈依靠其張開的唇邊貼合于密封副偶合面。無內(nèi)壓時(shí)，僅因唇尖的變形而產(chǎn)生很小的接觸壓力。在密封情況下，與密封介質(zhì)接觸的每一點(diǎn)上均有介質(zhì)壓力相等的法向壓力，因此唇形圈底部將受到軸向壓縮，唇部受到周向壓縮，與密封面接觸變寬，同時(shí)接觸應(yīng)力增加。當(dāng)內(nèi)壓再升高時(shí)，接觸壓力的分布形式和大小進(jìn)一步改變，唇部和密封面配合更加緊密，所以密封性更好，這就是YX 密封圈的“自封作用”。

3 端面密封更換步驟

在長時(shí)間使用過程中，受往復(fù)作用力、材料自身性能退化等多重因素的影響，YX 密封圈逐步老化，唇口開裂或磨損，導(dǎo)致無法承受內(nèi)壓，接觸壓力將隨時(shí)間的延長而下降，難以取得良好的密封效果。受此影響，接力器活塞端面將會(huì)有漏油的情況，一方面影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，一方面造成環(huán)境的污染。因此出現(xiàn)漏油時(shí)需立即更換端面密封。前端面和后端面更換難度同，后端面只需拆下壓蓋就可以將YX 密封圈安裝到位；但前端面需要拆卸超級(jí)螺母、接力器連桿，屬于重難點(diǎn)安裝部位。

采用YX 密封的主要更換步驟：①執(zhí)行機(jī)組防轉(zhuǎn)動(dòng)措施；②調(diào)速器系統(tǒng)泄壓排油；③拔出連桿與活塞桿的銷柱；④拆除接力器超級(jí)螺母；⑤取出防塵圈；⑥取出壓蓋；⑦新YX 密封圈從活塞桿頭部套入至密封槽；⑧回套壓蓋；⑨回套防塵圈；⑩回裝超級(jí)螺母；?回裝銷柱；?調(diào)速器系統(tǒng)建壓；?調(diào)試；?拆除機(jī)組防轉(zhuǎn)措施。

由此可見，采用YX 密封圈的更換步驟繁瑣且耗時(shí)較長，更換接力器端面密封時(shí)，調(diào)速器系統(tǒng)功能失效，機(jī)組將被迫停運(yùn)，特別是調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組停運(yùn)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有嚴(yán)重影響。因此，必須突破傳統(tǒng)方法的束縛，探尋更高效可行的更換方法。

4 密封改進(jìn)試驗(yàn)

4.1 新型密封結(jié)構(gòu)

為降低密封更換的難度，對(duì)密封結(jié)構(gòu)做升級(jí)改進(jìn)，采用的是剖分式結(jié)構(gòu)。若僅對(duì)原整體式密封裝置做切口處理，則容易出現(xiàn)切口處密封效果不足的問題。對(duì)此，進(jìn)一步對(duì)剖分式結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化，即采用V 形組合密封結(jié)構(gòu)。充分考慮到原有密封槽的尺寸、液壓系統(tǒng)工作壓力等基礎(chǔ)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上確定V 形組合密封的具體結(jié)構(gòu)形式（圖2），由3 個(gè)V 形密封圈疊加組成，3 個(gè)剖分口相對(duì)距離120°角[1]。

圖2 聚氨酯端面密封疊加形式

4.2 密封原理

V 形密封圈的密封唇具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力，將其設(shè)置到位后，可有效承受徑向力以及持續(xù)性的壓力變動(dòng)。從尺寸關(guān)系來看，該密封圈的唇部內(nèi)徑通常小于活塞桿的外徑，因此在完成裝配操作后，密封圈與活塞桿呈過盈配合關(guān)系，兩者間的接觸面存在預(yù)緊力。根據(jù)該關(guān)系，在零壓的時(shí)候，活塞桿與接力器缸蓋的間隙將由V 形密封圈唇口進(jìn)行密封。在液壓系統(tǒng)帶壓工作狀態(tài)下，壓力油進(jìn)入V 形內(nèi)部，明顯增加密封圈與密封面的壓緊力，且壓緊力將隨著壓力的增加而同步增加，由此取得更好的密封效果。

同時(shí)3 個(gè)V 形密封的剖分口距離120°夾角，密封之間受活塞桿軸向摩擦力和壓蓋的壓力作用，有效解決了剖口漏油的問題。

4.3 密封材料選擇

液壓系統(tǒng)介質(zhì)采用的是液壓油，油溫在50 ℃以下，壓力在10 MPa 以內(nèi)，運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到5 m/s。根據(jù)該工況信息，密封結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用進(jìn)口聚醚聚氨酯，理由在于其是基于先進(jìn)專利鋼化工藝的產(chǎn)物，兼具耐磨、耐高壓、形狀記憶性等多重特性，可以有效適應(yīng)密封作業(yè)需求。

橡膠是最初選定的密封材料，理由是成本低，但其在耐腐蝕性和抗磨性方面的表現(xiàn)不佳，同時(shí)考慮到活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故需選擇塑性較好的密封材料。通過不斷地了解論證和綜合對(duì)比，最終選擇新型密封材料的代表——聚氨酯材料。

相比于普通橡膠，聚氨酯材料的性能有很大提升，其耐腐蝕性和抗磨損性分別是普通耐磨橡膠的3 倍和10 倍，通過相關(guān)試驗(yàn)可得到，材料的整體使用壽命比原來的材料提高了5～7 倍，在方便安裝的同時(shí)，也可有效改善導(dǎo)葉的密封狀況，延長其使用壽命，是目前非常理想的密封材料。

4.4 密封壓蓋處理

在進(jìn)行密封更換時(shí)，整體式結(jié)構(gòu)壓蓋套于活塞桿上，容易對(duì)活塞桿造成磨損，且不利于調(diào)整密封壓縮量，將密封壓蓋進(jìn)行分瓣處理（圖3），不影響其功能的同時(shí)，可以局部調(diào)整密封壓縮量而不影響整體密封的壓縮效果。

圖3 密封壓蓋分瓣

4.5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

經(jīng)過優(yōu)化后，更換剖分式V 形密封的步驟為：①執(zhí)行機(jī)組防轉(zhuǎn)動(dòng)措施；②后移防塵圈；③拆除壓蓋；④將剖分密封分層塞入密封槽；⑤回裝壓蓋；⑥回移防塵圈；⑦調(diào)試；⑧拆除機(jī)組防轉(zhuǎn)措施。

更換作業(yè)時(shí)間明顯縮短，從密封壓蓋拆卸到剖分式密封安裝結(jié)束共用時(shí)4 h，僅為原用時(shí)的1/4，作業(yè)效率大幅度提高。更換密封后，注油并升壓，待壓力達(dá)到3.0 MPa 后，對(duì)接力器前后活塞桿密封壓蓋做詳細(xì)檢查，結(jié)果表明其不存在油漬滲漏情況；操作導(dǎo)葉2 個(gè)全行程，也不存在滲油問題；此后，進(jìn)一步提高液壓系統(tǒng)的工作壓力，當(dāng)其達(dá)到額定6.3 MPa 后，全行程動(dòng)作導(dǎo)葉仍未出現(xiàn)滲油問題?？梢?，機(jī)組的密封性較好[2]。

4.6 后期檢查結(jié)果及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)總結(jié)

4.6.1 后期檢查結(jié)果

在確定剖分式密封的方案后，由技術(shù)人員將方案中的工作落實(shí)到位。后續(xù)對(duì)水輪機(jī)組的運(yùn)行情況做定期的檢查，從更換剖分式密封后的1 年使用情況來看，接力器活塞桿端面無漏油問題，其嚴(yán)密性較好，可以更好地滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

4.6.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)總結(jié)

（1）經(jīng)濟(jì)高效。更換為剖分式密封方案后，可有效精簡更換流程，每處端蓋密封的更換僅需2～3 人，時(shí)間僅需半天，可減少人員投入，縮短作業(yè)時(shí)間，使機(jī)組盡快恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)[3]。

（2）安全可靠。更換為剖分式密封方案后，無需拆卸連板銷柱以及超級(jí)螺母等自重較大、尺寸較特殊的部件，可較好地規(guī)避起吊重物、損壞活塞桿桿頭等危險(xiǎn)隱患較多的作業(yè)內(nèi)容，保障了操作人員的安全以及機(jī)組結(jié)構(gòu)的完整性。

（3）密封效果好。采取剖分式聚醚聚氨酯V 形組合密封方案后，可有效改善密封效果，且通過調(diào)整壓蓋預(yù)緊力，可以進(jìn)一步增強(qiáng)剖分式密封的密封性，有利于接力器的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，剖分式密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可有效精簡更換流程，僅需拆卸密封壓蓋即可，減少了設(shè)備的拆卸次數(shù)，縮短了更換作業(yè)的時(shí)間，降低了操作的難度，增強(qiáng)了裝置的密封效果，綜合應(yīng)用效果較佳。將剖分式密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于導(dǎo)葉接力器，其涵蓋的技術(shù)思路以及技術(shù)要點(diǎn)具有一定的參考價(jià)值。